接地網(wǎng)磁感應(yīng)強度分布規(guī)律及故障研究

權(quán)學(xué)政

（西藏農(nóng)牧學(xué)院 電氣工程學(xué)院，西藏林芝，860000）

0 引言

變電站接地網(wǎng)是電力系統(tǒng)可靠運行的重要保障措施，其可靠性直接影響到電網(wǎng)的安全運行。目前，鋼材料是國內(nèi)接地網(wǎng)中最常用的一種接地材料，接地導(dǎo)體材料在土壤中經(jīng)過長時間的運行會發(fā)生電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，腐蝕一旦嚴(yán)重就會導(dǎo)致接地網(wǎng)性能發(fā)生改變，從而有可能引發(fā)電力系統(tǒng)故障，危害設(shè)備和人身安全[1~2]。對于接地網(wǎng)故障診斷的研究一直被研究人員關(guān)注，故障診斷技術(shù)也在不斷完善。已有的接地網(wǎng)故障診斷方法包括：導(dǎo)通電阻法、電化學(xué)檢測法、超聲波檢測法、地表電位法和磁感應(yīng)強度法[3~5]。由于利用磁感應(yīng)強度的分析方法具有抗干擾和準(zhǔn)確易行的優(yōu)點，是近年來最常用的故障診斷方法[6]。本文通過運用測量磁感應(yīng)強度的方法，對接地網(wǎng)的地表磁感應(yīng)強度分布規(guī)律及故障進行研究，為接地網(wǎng)導(dǎo)體故障診斷奠定基礎(chǔ)。

1 磁感應(yīng)強度計算的基本原理及計算模型

■1.1 基本原理

磁感應(yīng)強度法是依據(jù)電磁感應(yīng)原理，將激勵電流注入接地網(wǎng)，通過測量接地網(wǎng)各支路導(dǎo)體中的電流在地表激發(fā)出磁感應(yīng)強度，通過對比地表磁場分布進而來分辨接地網(wǎng)是否產(chǎn)生故障[7]。根據(jù)畢奧薩法爾定律，即可得出接地網(wǎng)導(dǎo)體中的電流在地表產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度如式(1)所示。

式中，B為導(dǎo)體軸向電流在地表激發(fā)的磁感應(yīng)強度；I為導(dǎo)體軸向電流；r為線單元點與測量點的位置矢量。

再通過矢量的疊加與分解即可獲得地表任一點總量及分量的磁感應(yīng)強度。本文所研究的均是分量即在X 方向上的地表磁感應(yīng)強度。

■1.2 接地網(wǎng)模型搭建

在接地分析軟件CDEGS的MALZ 模塊中對接地網(wǎng)模型進行搭建，接地網(wǎng)的長為100m，寬為80m，埋深0.8m，并把接地網(wǎng)在X 軸上分成10 等分，Y 軸上分成8 等分。接地導(dǎo)體為鋼材質(zhì)，半徑為0.01m，相對電阻率為10，相對磁導(dǎo)率為636。電流激勵選為10A、300Hz的正弦波從中線A 點（50，80）和B 點（50，0）注入抽出，土壤模型選用均勻土壤，土壤電阻率為200Ω·m。接地網(wǎng)模型如圖1所示。

圖1 接地網(wǎng)模型圖

在測量接地網(wǎng)中導(dǎo)體上方的地表磁感應(yīng)強度時，觀測線選 取X=0-100m，Y=20m，40 m，60 m，80 m。 觀 測 線 步長為5m。四種觀測線下的接地網(wǎng)地表磁感應(yīng)強度分布如圖2所示。

圖2 不同觀測線下地表磁感應(yīng)強度分布

從圖2 可知，不同觀測線下的地表磁感應(yīng)強度分布規(guī)律是一致的，只是地表磁感應(yīng)強度的大小有差別。由于本文對接地導(dǎo)體在X=50m，Y=55-65m 處做不同程度的腐蝕，因此在下面的研究中只選取X=0-100m，Y=60m 處觀測線的地表磁感應(yīng)強度。

2 不同因素對接地網(wǎng)地表磁感應(yīng)強度的影響

由于接地網(wǎng)地表磁感應(yīng)強度與諸多因素有關(guān)，因此本文從以下幾個方面對接地網(wǎng)地表磁感應(yīng)強度的分布規(guī)律進行研究。

■2.1 不同土壤模型對地表磁感應(yīng)強度的影響

為了分析不同土壤模型對地表磁感應(yīng)強度的影響，接地網(wǎng)的參數(shù)、激勵電流的大小、頻率和位置、觀測線的選取不變，只有土壤模型發(fā)生改變。選取雙層土壤模型和三層土壤模型與均勻土壤模型進行對比。土壤模型的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 土壤模型數(shù)據(jù)

三種土壤模型的地表磁感應(yīng)強度分布如圖3 ～圖5所示，以及在觀測點（50，60）的數(shù)據(jù)如表2所示。

圖3 均勻土壤模型地表磁感應(yīng)強度分布

圖4 雙層土壤模型地表磁感應(yīng)強度分布

圖5 三層土壤模型地表磁感應(yīng)強度分布

由圖3 ～圖5 和表2 可知，三種土壤模型下的地表磁感應(yīng)強度的大小和分布規(guī)律差異非常小，因此土壤模型對地表磁感應(yīng)強度幾乎沒有影響。

■2.2 激勵電流大小對地表磁感應(yīng)強度的影響

為了分析不同激勵電流的大小對地表磁感應(yīng)強度的影響，接地網(wǎng)的參數(shù)、土壤模型、激勵電流的頻率和位置、觀測線的選取不變，只有激勵電流的大小發(fā)生改變。選取的激勵電流分別為10A、40A、70A、100A。這四種不同電流下的地表磁感應(yīng)強度分布如圖6 ～圖9所示。

圖6 激勵電流為10A地表磁感應(yīng)強度分布

圖7 激勵電流為40A地表磁感應(yīng)強度分布

圖8 激勵電流為70A地表磁感應(yīng)強度分布

圖9 激勵電流為70A地表磁感應(yīng)強度分布

由圖6 ～圖9 可以看出不同激勵電流所產(chǎn)生的地表磁感應(yīng)強度的分布規(guī)律是一致的。因此只需提取最高點即觀測點（50，60）的數(shù)據(jù)，如圖10所示。

圖10 不同激勵電流在最高點的地表磁感應(yīng)強度

由圖10 可以看出，最高點地表磁感應(yīng)強度的大小與激勵電流的大小成正比，激勵電流越大，越容易測出地表磁感應(yīng)強度，但激勵電流越大對激勵電流源的設(shè)備要求就會越高。

■2.3 激勵電流頻率對地表磁感應(yīng)強度的影響

為了分析不同激勵電流的頻率對地表磁感應(yīng)強度的影響，接地網(wǎng)的參數(shù)、土壤模型、激勵電流的大小和位置、觀測線的選取不變，只有激勵電流的頻率發(fā)生改變。選取的激勵電流的頻率分別為30Hz、300 Hz、3000 Hz、30000 Hz、300000 Hz。這五種不同頻率下的地表磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)繪制到同一坐標(biāo)平面中如圖11所示。

圖11 不同頻率下的地表磁感應(yīng)強度分布

由圖11 可以看出，隨著激勵電流頻率的增加地表磁感應(yīng)強度的大小整體趨于衰減，在3000Hz 以內(nèi)磁感應(yīng)強度較強，因此在實際測量中激磁電流宜選用30Hz ～3000Hz 以內(nèi)的頻率。

■2.4 激勵電流不同位置對地表磁感應(yīng)強度的影響

為了激勵電流不同位置對地表磁感應(yīng)強度的影響，接地網(wǎng)的參數(shù)、土壤模型、激勵電流的大小和頻率、觀測線的選取不變，只有激勵電流位置發(fā)生改變。分別令激勵電流的位置為中線A 點（50，80）和B 點（50，0）注入抽出和對角線C 點（0，80）和D 點（80，0）如圖12所示。激勵電流不同位置的地表磁感應(yīng)強度分布如圖13、14所示。

圖12 激勵電流不同位置模型圖

圖13 激勵電流中線地表磁感應(yīng)強度分布

圖14 激勵電流對角線地表磁感應(yīng)強度分布

由圖13 和圖14 可以看出越靠近激勵電流注入抽出點時接地導(dǎo)體的地表磁感應(yīng)強度越大。當(dāng)激勵電流從中線注入抽出并且觀測線上的觀測點也與激勵電流的位置是對稱時，地表磁感應(yīng)強度分布規(guī)律也是對稱的；當(dāng)激勵電流從對角線注入抽出而觀測線上的觀測點與激勵電流的位置不對稱時，地表磁感應(yīng)強度分布規(guī)律是不對稱的，并且觀測點離注入或抽出點最近時，其上方的磁感應(yīng)強度就最大。

3 接地網(wǎng)故障時地表磁感應(yīng)強度分布規(guī)律研究

由畢奧薩法爾定律，通過測量接地網(wǎng)各支路導(dǎo)體中的電流在地表激發(fā)出磁感應(yīng)強度，從而獲得地表磁場分布規(guī)律，進而用來診斷接地網(wǎng)導(dǎo)體的缺陷情況。若接地網(wǎng)導(dǎo)體存在斷裂，則斷裂處無電流通過即該處地表磁感應(yīng)強度值較小或幾乎為零。若接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕變細，由式可知在電阻率ρ及長度L不變時，橫截面積S減小會導(dǎo)致電阻R的增大，又因為各支路電勢差相等，所以被腐蝕支路電流I 勢必會減小，從而導(dǎo)致腐蝕處地表磁感應(yīng)強度減小。

（1）導(dǎo)體半徑腐蝕了1/4的地表磁感應(yīng)強度；

（2）導(dǎo)體半徑腐蝕了1/2的地表磁感應(yīng)強度；

（3）導(dǎo)體半徑腐蝕了3/4的地表磁感應(yīng)強度；

（4）導(dǎo)體中間斷裂了0.1m的地表磁感應(yīng)強度；

（5）導(dǎo)體中間斷裂了1m的地表磁感應(yīng)強度。

將上述五種腐蝕情況以及接地網(wǎng)無故障情況下的地表磁感應(yīng)強度數(shù)據(jù)提取并繪制到同一坐標(biāo)平面中如圖15所示。

圖15 六種情況下的地表磁感應(yīng)強度分布

由圖15可以看出當(dāng)接地網(wǎng)導(dǎo)體出現(xiàn)腐蝕或斷裂時，腐蝕或斷裂處的地表磁感應(yīng)強度都會下降，尤其是導(dǎo)體斷裂后其地表磁感應(yīng)強度會降到最低且無論是斷裂0.1m 還是1m最低值幾乎不變， 同時兩側(cè)導(dǎo)體的地表磁感應(yīng)強度會有所提升，尤其是導(dǎo)體斷裂后提升的最為明顯。因此可根據(jù)地表磁感應(yīng)強度來檢測接地網(wǎng)導(dǎo)體的故障情況。

4 結(jié)論

本文基于電磁感應(yīng)原理對接地網(wǎng)的地表磁感應(yīng)強度進行仿真研究，通過對不同因素下接地網(wǎng)地表磁感應(yīng)強度分布規(guī)律以及接地網(wǎng)無故障和接地網(wǎng)導(dǎo)體出現(xiàn)故障情況下的地表磁感應(yīng)強度分布規(guī)律的研究可以得出如下結(jié)論：

（1）土壤模型對地表磁感應(yīng)強度的影響非常?。?/p>

（2）地表磁感應(yīng)強度的大小與激勵電流的大小成正比；

（3）激勵電流的頻率不是越大越好，而是宜選用30Hz~3000Hz 以內(nèi)的頻率；

（4）越靠近激勵電流注入或抽出點時，接地網(wǎng)導(dǎo)體的地表磁感應(yīng)越大；

（5）當(dāng)接地網(wǎng)導(dǎo)體出現(xiàn)故障時，故障導(dǎo)體處的地表磁感應(yīng)強度會降低，而兩側(cè)導(dǎo)體處的地表磁感應(yīng)強度會升高。