基于電磁場原理和地表電位的接地網(wǎng)腐蝕診斷研究

褚旭, 余紹帥, 嚴(yán)亞兵, 李輝

(1. 國家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心, 湖南 長沙 410082；2. 湖南大學(xué), 湖南 長沙 410082；3. 國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 湖南 長沙 410208)

0 引言

接地網(wǎng)是變電站保護(hù)電力系統(tǒng)安全的重要保障, 主要作用是為故障電流提供流散的通道[1],接地網(wǎng)的可靠性關(guān)系到電網(wǎng)系統(tǒng)的安全。 我國早期電力系統(tǒng)多使用鍍鋅扁鋼、 圓鋼等接地網(wǎng)導(dǎo)體作為接地網(wǎng)材料, 但是鋼制材料存在著導(dǎo)電率低、 耐腐蝕性差等特點[2], 特別是導(dǎo)體金屬長期在潮濕或者鹽堿地土壤中工作更容易發(fā)生腐蝕。 在中國西北、 東北、 華北及濱海地區(qū)存在大量鹽堿地, 而這些鹽堿地分布著大量變電站等設(shè)施, 在腐蝕性較強(qiáng)的潮濕或者鹽堿地土壤中, 接地網(wǎng)金屬年腐蝕可達(dá)2.0 mm, 在腐蝕性強(qiáng)的土壤中可達(dá)3.4 mm, 腐蝕性極強(qiáng)的土壤中可達(dá)8.0 mm[3]。 由于中國地質(zhì)情況及氣候條件較為復(fù)雜, 有的地區(qū)產(chǎn)生酸雨, 這些因素會改變土壤狀況, 加速接地網(wǎng)導(dǎo)體的腐蝕[4]。另外, 因為設(shè)計問題, 接地網(wǎng)使用的導(dǎo)體材料較為普通, 沒有采取防腐蝕措施[5]。 隨著接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕情況的加劇, 接地網(wǎng)接地電阻不斷增大, 當(dāng)雷電流或故障電流入地時, 會導(dǎo)致接地網(wǎng)導(dǎo)體因發(fā)熱或大電流的電動力而發(fā)生斷裂故障。 接地網(wǎng)的腐蝕斷裂不僅會導(dǎo)致接地效果不良, 防雷和防觸電效果變差[6], 還損壞電力系統(tǒng)設(shè)備, 可能引起電力系統(tǒng)的故障, 給變電站和社會帶來經(jīng)濟(jì)損失[7]。

接地網(wǎng)腐蝕斷裂位置定位[8]是評估接地網(wǎng)安全性能的重要手段, 在工程上, 大多采用測量接地電阻值間接判斷接地網(wǎng)性能[9－10]。 但當(dāng)接地網(wǎng)發(fā)生腐蝕斷裂時, 接地網(wǎng)電阻也可能維持原有值, 因此單從接地電阻值判斷接地網(wǎng)狀態(tài)存在一定的誤判風(fēng)險, 無法準(zhǔn)確了解接地網(wǎng)的腐蝕情況[11]。

為避免變電站復(fù)雜環(huán)境噪聲對地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響[16], 引入接地網(wǎng)地表電位信息對地表磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)充, 本文提出基于電磁場(electromagnetic field theory, EFT) 和地表電位(earth surface potential, ESP) 相結(jié)合的方法進(jìn)行接地網(wǎng)腐蝕導(dǎo)體部位診斷, 從而彌補(bǔ)在強(qiáng)磁干擾下EFT 方法測量精度差的缺陷。 該方法首先分析在EFT 基礎(chǔ)上腐蝕導(dǎo)體的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布, 接著分析腐蝕導(dǎo)體的ESP 分布, 將磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線和ESP分布曲線進(jìn)行結(jié)合, 最后確定導(dǎo)體腐蝕位置和類型。 經(jīng)測試表明, 試驗所設(shè)置的導(dǎo)體腐蝕位置和算法得到的導(dǎo)體腐蝕位置一致, 表明了該方法診斷腐蝕導(dǎo)體的精確性。

1 接地網(wǎng)診斷原理及模型搭建

1.1 接地網(wǎng)腐蝕診斷原理

接地網(wǎng)導(dǎo)體材料主要采用鍍鋅扁鋼或鍍鋅圓鋼, 長期深埋地下, 易受材質(zhì)和環(huán)境因素影響發(fā)生腐蝕斷裂。 基于EFT 和ESP 結(jié)合的方法進(jìn)行接地網(wǎng)腐蝕導(dǎo)體部位診斷, 其中基于EFT 診斷接地導(dǎo)體腐蝕的方法是向接地網(wǎng)注入激勵電流, 測量導(dǎo)體垂直地面上的磁感應(yīng)強(qiáng)度, 分析磁感應(yīng)強(qiáng)度波形的變化及分布情況, 進(jìn)而確定接地導(dǎo)體腐蝕位置。

根據(jù)畢奧－薩伐爾定律, 接地網(wǎng)導(dǎo)體軸向電流在周圍空間產(chǎn)生的感應(yīng)磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度可表示為:

式中,B為電流元在P點激發(fā)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；I為源電流；L為積分路徑；er為電流元指向待求場點的單位向量；μ0為真空磁導(dǎo)率；Idl為長直導(dǎo)線上任意電流元；r為導(dǎo)體上線單元點與地表點間的位置矢量。

圖1 為接地網(wǎng)等效電路模型, 假設(shè)接地網(wǎng)導(dǎo)體長度為l, 并且是由理想導(dǎo)線和純導(dǎo)體組成的規(guī)則圖形, 通過接地網(wǎng)下接引線Q向接地網(wǎng)注入激勵電流I, 接地網(wǎng)等效電阻為R, 流經(jīng)接地網(wǎng)各個導(dǎo)體的電流為IR, 流向大地的泄漏電流為Ix。

圖1 接地網(wǎng)局部等效模型

假設(shè)接地導(dǎo)體由m段(m→∞) 組成, 將m段導(dǎo)體看作由m個點組成的接地網(wǎng)導(dǎo)體, 每個點產(chǎn)生的泄露電流均勻流入大地中, 地表電位為:

式中,Vp為點P處的地表電位；R(P,Ri) 為點P下i處導(dǎo)體的阻值；Ii為i處導(dǎo)體產(chǎn)生的泄露電流；ρ為接地各段導(dǎo)體電阻率；R為導(dǎo)體電阻；s為導(dǎo)體橫截面積。

中國立足于基本國情,積極參與聯(lián)合國組織下的國際氣候談判,在多邊治理機(jī)制中不斷提升話語權(quán),逐步走向全球氣候治理舞臺中央。同時,中國以搭建交流平臺、資金技術(shù)幫扶、共建綠色項目等多種形式開展國際合作,形成富有中國特色的氣候外交之路,為應(yīng)對全球氣候變化做出卓越貢獻(xiàn)。

當(dāng)電流源發(fā)生變化時, 導(dǎo)體上方各點電位隨之發(fā)生變化, 通過電流源和均勻?qū)w電阻值即可對電位分布進(jìn)行求解。

對于實際的接地網(wǎng), 當(dāng)設(shè)計完成時, 空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)確定[17], 當(dāng)有電流流經(jīng)該接地網(wǎng)時, 將在整個接地網(wǎng)上方地表周圍的空間場域產(chǎn)生唯一確定的地表電位分布[18]。 根據(jù)式(2), 當(dāng)接地網(wǎng)發(fā)生腐蝕甚至斷裂時, 導(dǎo)體的電阻增加, 空間域的電場和地表電位分布發(fā)生改變[19], 因此接地網(wǎng)地表電位分布能反映出接地網(wǎng)各導(dǎo)體的實際狀態(tài)。

因為變電站屬于復(fù)雜電磁環(huán)境, 基于EFT 和ESP 相結(jié)合的方法進(jìn)行接地網(wǎng)腐蝕導(dǎo)體部位診斷,將地表電位作為接地網(wǎng)磁場變化的補(bǔ)充, 既能彌補(bǔ)復(fù)雜噪聲環(huán)境對測量的影響, 又能更好地進(jìn)行接地網(wǎng)腐蝕的診斷。

1.2 接地網(wǎng)計算模型搭建

圖2 為常見變電站接地網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 設(shè)計接地網(wǎng)面積為200 m×200 m,X、Y方向各有11 段導(dǎo)體, 接地網(wǎng)埋深0.8 m, 材料為銅, 電阻率為0.017 2 Ω·m, 每段導(dǎo)體的橫截面半徑為0.005 2 m。 導(dǎo)體均勻分布,P點和Q點分別是激勵電流的注入和抽出點, 激勵電流為20 A、 60 Hz。

圖2 觀測線及接地網(wǎng)模型

當(dāng)接地網(wǎng)存在腐蝕、 斷裂時, 磁場法和電位法需要設(shè)立觀測線進(jìn)行地表磁場和電位的采集, 利用地表磁場和電位分布規(guī)律去判定腐蝕位置, 進(jìn)行精確定位。 為了驗證方法的可行性, 同時便捷高效地分析接地網(wǎng)導(dǎo)體上方的地表電位值和磁感應(yīng)強(qiáng)度分布規(guī)律, 觀測線平行于X軸, 長度為200 m, 分別在X為0 ～200 m 處,Y為0 m、 10 m、 20 m、 …、200 m 處設(shè)置觀測線。 觀測點間距為1 m, 每條觀測線上共有201 個觀測點。 所有觀測線下的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度和地表電位如圖3 所示。

圖3 不同觀測線下地表磁感應(yīng)強(qiáng)度和地表電位分布

圖3 (a)、 (b) 分別為在所有觀測線下的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖和地表電位分布圖, 由地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖可知, 在電流源輸入和抽出點地表磁感應(yīng)強(qiáng)度較高, 距離此兩點越遠(yuǎn), 地表磁感應(yīng)強(qiáng)度越小。 對于地表電位圖來說, 接地網(wǎng)地表電位曲線較為光滑, 處于導(dǎo)體正上方的地表電位值越高,靠近電流注入點導(dǎo)體電位最高。

2 接地網(wǎng)腐蝕分析

2.1 磁感應(yīng)強(qiáng)度和地表電位波形分析

基于EFT 和ESP 進(jìn)行接地網(wǎng)腐蝕導(dǎo)體診斷,設(shè)置腐蝕導(dǎo)體位置為圖 2 中S(100, 120)、T(100, 100), 觀測線位置為Y＝110 m、X＝0 ～200 m, 觀測線步長為1 m, 激勵電流在P、Q處注入和抽出, 電流源為20 A、 60 Hz。 接地網(wǎng)導(dǎo)體存在電阻, 導(dǎo)致流經(jīng)導(dǎo)體的電流和泄漏電流不同, 從而使導(dǎo)體上方的磁感應(yīng)強(qiáng)度和地表電位呈現(xiàn)不同的波形, 如圖4 所示。

圖4 完好、 腐蝕導(dǎo)體的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度和地表電位分布

圖4 (a)、 (b) 中分別為S、T段導(dǎo)體完好和腐蝕狀態(tài)下的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度對比和地表電位對比, 從圖4 (a) 中可以明顯得到如下規(guī)律: 接地網(wǎng)導(dǎo)體正上方地表磁感應(yīng)強(qiáng)度最強(qiáng), 并出現(xiàn)峰值；地表磁感應(yīng)強(qiáng)度和電流注入、 抽出點距離成正比；接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕時, 所在區(qū)域地表磁感應(yīng)強(qiáng)度降低； 因為整體電流不變, 所以腐蝕導(dǎo)體的腐蝕部位上方地表磁感應(yīng)強(qiáng)度降低, 其余地表磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值高于導(dǎo)體完好時地表磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值。

接地網(wǎng)導(dǎo)體被腐蝕時, 地表磁感應(yīng)強(qiáng)度發(fā)生變化, 可以使用EFT 進(jìn)行接地網(wǎng)故障診斷, 但是易受周圍環(huán)境影響, 根據(jù)圖4 (b) 可得以下規(guī)律:接地網(wǎng)導(dǎo)體正上方地表電位最強(qiáng), 并出現(xiàn)峰值； 地表電位和電流注入、 抽出點距離成正比； 接地網(wǎng)導(dǎo)體被腐蝕時, 所在區(qū)域地表電位降低； 接地網(wǎng)發(fā)生腐蝕時, 腐蝕導(dǎo)體的腐蝕部位上方電位出現(xiàn)拐點。

導(dǎo)體腐蝕部位出現(xiàn)拐點主要是因為變電站接地網(wǎng)規(guī)模較大且導(dǎo)體分布密集, 導(dǎo)體斷裂或腐蝕會讓導(dǎo)體局部電阻增大, 導(dǎo)致局部散流性能降低, 泄漏電流減小引起地表電位降低。 接地網(wǎng)部分導(dǎo)體發(fā)生腐蝕時, 地表磁感應(yīng)強(qiáng)度和電位發(fā)生變化, 可以依據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線和地表電位曲線信息確定接地網(wǎng)腐蝕位置, 判斷腐蝕程度。

2.2 不同腐蝕程度波形分析

為判斷導(dǎo)體腐蝕程度對磁感應(yīng)強(qiáng)度和地表電位的影響, 進(jìn)行腐蝕導(dǎo)體和斷裂導(dǎo)體波形對比實驗,圖5 為S、T段導(dǎo)體完好、 腐蝕和斷裂時地表磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線和地表電位曲線。 當(dāng)導(dǎo)體開始腐蝕甚至發(fā)生斷裂時, 地表磁感應(yīng)強(qiáng)度和地表電位的降落幅度也逐漸增加, 并且符合上節(jié)所述規(guī)律, 因此可以使用地表電位作為地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的補(bǔ)充, 進(jìn)行接地網(wǎng)故障位置和狀態(tài)的檢測。

圖5 完好導(dǎo)體、 腐蝕、 斷裂導(dǎo)體的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度和地表電位分布

3 基于EFT 和ESP 的接地網(wǎng)腐蝕診斷

3.1 模擬實驗等價有效性分析

為了使基于EFT 和ESP 的腐蝕診斷方法運用到實際接地網(wǎng)腐蝕診斷中, 基于實際接地網(wǎng)在典型狀態(tài)下的地表磁場分布和地表電位分布規(guī)律, 根據(jù)量綱相似中的幾何相似原理[20], 選取一個實際的10 kV變電站為模板, 設(shè)計兩款真實的接地網(wǎng)模型進(jìn)行EFT 和ESP 腐蝕診斷試驗, 測量地表磁場分布和地表電位分布。

以地表電位為例, 假設(shè)設(shè)計接地網(wǎng)和實際接地網(wǎng)幾何形狀相似, 且實際接地網(wǎng)和設(shè)計接地網(wǎng)所對應(yīng)的長度比值處處相等, 為λ1； 根據(jù)靜電場唯一確定性原理, 即當(dāng)場源及邊界條件確定, 場域中任意點均滿足拉普拉斯方程或泊松方程時, 點電位便確定, 即靜電場只有唯一解[21]。 由于設(shè)計接地網(wǎng)滿足拉普拉斯方程, 根據(jù)幾何相似原理, 設(shè)計接地網(wǎng)的地表電位可表示為:

式中,λv表示設(shè)計接地網(wǎng)和原型接地網(wǎng)中對應(yīng)點的電位比例尺；V2表示設(shè)計接地網(wǎng)任意點的地表電位；x、y、z表示空間方位坐標(biāo)。

由式(3) 可知, 設(shè)計接地網(wǎng)亦滿足拉普拉斯方程。 根據(jù)場源疊加性和場的唯一性可知, 設(shè)計的接地網(wǎng)所得到的地表電位分布與實際場的電位分布存在一定的比例關(guān)系。

將土壤電阻率比例設(shè)為λρ, 泄露電流比例設(shè)為λI, 則可得設(shè)計接地網(wǎng)和實際接地網(wǎng)的地表電位關(guān)系為:

式中,V1、V2分別代表實際地表電位和設(shè)計地表電位。

由幾何相似原理可知, 根據(jù)幾何比例設(shè)計的接地網(wǎng)模型所呈現(xiàn)的地表電位和原場電位相似, 磁感應(yīng)強(qiáng)度也相似, 故地表電位分布規(guī)律和地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布規(guī)律類似。

3.2 接地網(wǎng)腐蝕診斷部位定位

根據(jù)某10 kV 變電站模板, 基于幾何相似原理設(shè)計接地網(wǎng)模型, 把原型接地網(wǎng)與設(shè)計接地網(wǎng)的長度比例尺取2, 故障電流比例尺均取為1, 如圖6 所示。 實線為所鋪設(shè)的鍍鋅扁鋼, 寬度為0.005 2 m,導(dǎo)體埋深0.8 m。 虛線L1 為觀測線, 其中水平方向為X軸方向, 豎直方向為Y軸方向, 注入激勵電流為20 A、 60 Hz, 從P點注入、Q點抽出, 在R、S段設(shè)置故障點。

圖6 設(shè)計接地網(wǎng)模型示意圖

為了更準(zhǔn)確地觀測接地網(wǎng)導(dǎo)體表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度和地表電位, 設(shè)置觀測線間距為2 m、 觀測點間距為1 m 進(jìn)行測量。 圖7 為接地網(wǎng)導(dǎo)體完好狀態(tài)下的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度和地表電位分布圖, 可以看出,接地網(wǎng)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度和地表電位呈現(xiàn)中間高、 兩端低的分布規(guī)律, 導(dǎo)體上方的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度和地表電位高于網(wǎng)孔上方, 導(dǎo)體兩端節(jié)點處也明顯高于導(dǎo)體中間位置, 其中數(shù)值最高處分別位于電流注入和抽出點。

圖7 接地網(wǎng)完好狀態(tài)下地表磁感應(yīng)強(qiáng)度和電位分布

假設(shè)圖6 中R、S段導(dǎo)體發(fā)生腐蝕斷裂, 在接地網(wǎng)上方設(shè)置1 條觀測線L1, 為點(0, 60) 和點(100, 60) 之間的連線, 其中觀測線步長為1 m,即一條線上有101 個觀測點, 設(shè)置激勵電流為20 A、 60 Hz, 地表磁感應(yīng)強(qiáng)度和電位分布如圖8 所示。 由圖8 (a) 中接地網(wǎng)完好導(dǎo)體和腐蝕導(dǎo)體地表磁感應(yīng)分布可知, 在腐蝕導(dǎo)體上方磁感應(yīng)強(qiáng)度明顯低于完好導(dǎo)體的接地網(wǎng)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度。 如圖8(b) 所示, 當(dāng)存在導(dǎo)體腐蝕時, 地表電位下降,可以明顯看出在位置X＝50 m 附近存在腐蝕。 腐蝕導(dǎo)體通流能力下降, 導(dǎo)體的泄漏電流密度存在差異, 并與通流能力成反比。

圖8 觀測線L1 地表磁感應(yīng)強(qiáng)度和電位分布

4 結(jié)論

基于EFT 和ESP 相結(jié)合的方法進(jìn)行接地網(wǎng)腐蝕導(dǎo)體部位診斷, 對比完好導(dǎo)體和腐蝕導(dǎo)體狀態(tài)下的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖和地表電位分布圖, 得到以下結(jié)論。

1) 當(dāng)接地網(wǎng)發(fā)生腐蝕斷裂時, 地表磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線和地表電位分布曲線會發(fā)生明顯變化, 依據(jù)曲線變化特征能更加有效地確定接地網(wǎng)腐蝕導(dǎo)體位置區(qū)間, 對變電站檢修和維護(hù)有重要意義。

2) 對比腐蝕導(dǎo)體和完好導(dǎo)體的地表磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線和地表電位分布曲線, 并根據(jù)曲線特征確定腐蝕位置, 發(fā)現(xiàn)地表電位分布圖能很好地表現(xiàn)出接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕位置, 進(jìn)一步驗證了基于EFT 和ESP 相結(jié)合的方法進(jìn)行接地網(wǎng)腐蝕導(dǎo)體部位的診斷方法的準(zhǔn)確性。