張大寧，劉 冉，蔡 靜，張曉雷

(1.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061;2.大慶油田電力集團(tuán)，黑龍江 大慶 163000;3.哈爾濱理工大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150080)

變電站接地網(wǎng)是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行重要組成部分。它不僅為變電站內(nèi)各種電氣設(shè)備提供一個(gè)公共地電位參考，并且在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)能快速將故障電流導(dǎo)入大地，并阻止變電站地電位升高。我國(guó)接地網(wǎng)一般采用扁鋼、圓鋼等鋼質(zhì)材料，此外碳棒材料也出現(xiàn)在新建變電站中［1－3］。隨著年限增加，金屬接地網(wǎng)容易發(fā)生腐蝕甚至斷裂，給電力系統(tǒng)正常運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重危害。如何根據(jù)變電站實(shí)際情況，采取有效措施診斷接地網(wǎng)腐蝕情況，是提高電網(wǎng)安全性、可靠性的一項(xiàng)重要研究課題。

為了檢測(cè)接地網(wǎng)運(yùn)行可靠性，國(guó)內(nèi)外做了大量研究，有的根據(jù)接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，利用電路原理測(cè)量各接地導(dǎo)體的電阻［4－5］，但當(dāng)接地網(wǎng)有斷點(diǎn)時(shí)，由于斷點(diǎn)處互電阻作用，測(cè)量結(jié)果變化并不明顯。也有通過(guò)測(cè)量故障前后地電位變化來(lái)判斷［6］，但實(shí)際接地網(wǎng)是一個(gè)復(fù)雜龐大的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，一處斷點(diǎn)對(duì)地電位改變很小，并且在檢測(cè)時(shí)準(zhǔn)確性、靈敏度不高，很難準(zhǔn)確確定接地網(wǎng)發(fā)生缺陷的部位。有些使用X射線和超聲波對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行檢測(cè)，但現(xiàn)場(chǎng)金屬設(shè)備較多，實(shí)際測(cè)量效果并不理想。本文通過(guò)電磁感應(yīng)原理將實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)與CDEGS仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，提出了一種不挖開(kāi)、不停電情況下對(duì)接地網(wǎng)缺陷進(jìn)行診斷的方法，準(zhǔn)確測(cè)出接地網(wǎng)缺陷部位。

1 硬件檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 基本原理

假設(shè)接地網(wǎng)地表x方向磁感應(yīng)強(qiáng)度分量為

式中:fC是檢測(cè)系統(tǒng)中心頻率，也是異頻激勵(lì)電流源中心頻率。線圈上總磁通為

線圈上感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)為

則濾波器接收到電壓信號(hào)為

式中:A為信號(hào)調(diào)理電路、濾波電路、放大電路總增益。將磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

1.2 異頻激勵(lì)電流源中心頻率選擇

激勵(lì)電流源中心頻率和磁場(chǎng)強(qiáng)度之間是非線性關(guān)系，如圖1所示。

由圖1可知，當(dāng)中心頻率小于11 kHz時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度下降不明顯。當(dāng)中心頻率大于11 kHz時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度大幅下降。因此，選擇中心頻率應(yīng)小于11 kHz。

變電站本身電磁干擾也十分復(fù)雜，主要包括變電站正常操作、故障時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾以及二次設(shè)備產(chǎn)生的干擾。干擾主要包括工頻和其他奇次諧波。為了避開(kāi)這些干擾，將激勵(lì)源中心頻率選為300 Hz。

1.3 硬件基本結(jié)構(gòu)

工程中，信號(hào)需要經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)環(huán)節(jié)處理，才能有效將電流源激勵(lì)信號(hào)保留下來(lái)，圖2為系統(tǒng)硬件流程圖。

為了抑制工頻干擾，引入了50 Hz陷波電路。陷波電路具有正反饋雙T結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是Q值不固定，可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。Q表示諧振陡峭程度，又稱為極點(diǎn)Q。電路如圖3所示，電路傳遞函數(shù)為

當(dāng)ω=ω0時(shí)，H(jω)=0，這時(shí)電路能去除頻率的信號(hào)。當(dāng)K值逼近1時(shí)，電路Q值增加，從而實(shí)現(xiàn)窄帶濾波效果。陷波器幅頻特性曲線見(jiàn)圖4。其中，f0為50 Hz的中心頻率。

帶通濾波器采用巴特沃斯濾波器，巴特沃斯濾波器的特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦，沒(méi)有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。在振幅對(duì)數(shù)對(duì)角頻率波特圖上，從某一邊界角頻率開(kāi)始，振幅隨角頻率增加而逐步減少，趨向負(fù)無(wú)窮小。

n階巴特沃斯低通濾波器振幅和頻率關(guān)系可用如下公式表示:

式中:G表示濾波器增益;H表示傳遞函數(shù);j為虛數(shù)單位;n表示濾波器級(jí)數(shù);ω為信號(hào)角頻率，以rad/s為單位;ωc是振幅下降3 dB時(shí)的截止頻率。

根據(jù)衰減度可求出濾波器的階數(shù)［7－8］，令1/A=Gn(ω)，則階數(shù)n為

圖5為巴特沃斯6階濾波器頻率響應(yīng)曲線。

圖5 頻率響應(yīng)曲線

2 CDEGS在接地網(wǎng)中的仿真

2.1 CDEGS簡(jiǎn)介

CDEGS軟件是由加拿大SES公司開(kāi)發(fā)解決電力系統(tǒng)接地、電磁場(chǎng)和電磁干擾等工程問(wèn)題的工具軟件，能夠計(jì)算并分析各種接地系統(tǒng)參數(shù)，如地表電位、接觸電壓、跨步電壓、接地阻抗、故障電流分布。在電力系統(tǒng)中用途十分廣泛［9－10］。

CDEGS主要由8個(gè)核心模塊組成。其中MALZ模塊是頻域接地分析模塊。

利用MALZ模塊仿真，可得到如下數(shù)據(jù):

a.空間磁場(chǎng)分布;

b.導(dǎo)體與土壤電位分布;

c.導(dǎo)體中電流分布。

因此，對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行仿真時(shí)，主要用MALZ模塊計(jì)算地網(wǎng)在注入特定頻率和大小的電流后的磁場(chǎng)分布。

2.2 注入抽出電流節(jié)點(diǎn)選擇

實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，由于多數(shù)接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在遠(yuǎn)離電流注入、抽出點(diǎn)的位置，接地網(wǎng)支路電流較小，如圖6所示，進(jìn)而感應(yīng)磁場(chǎng)很弱，導(dǎo)致測(cè)量時(shí)誤差較大。

采用分塊處理思想，將AC和BD2組節(jié)點(diǎn)分為2塊。如從A中注入異頻電流，從C中抽出電流。AC所在的網(wǎng)格電流較大，磁場(chǎng)強(qiáng)度便于讀取。然后再選擇BD2點(diǎn)注入抽出，從而保證BD所在區(qū)域測(cè)量精度。

2.3 接地網(wǎng)模型構(gòu)建與仿真

計(jì)算中要用到土壤結(jié)構(gòu)，導(dǎo)體位置、尺寸、土壤電阻率和相對(duì)磁導(dǎo)率，注入電流幅值和波形以及電流注入點(diǎn)位置等參數(shù)。

其中關(guān)于土壤電阻率的測(cè)量，確定大地模型和土壤參數(shù)是大型地網(wǎng)接地計(jì)算的首要工作，為了使模型能夠較好反映實(shí)際大地土壤特性，應(yīng)該利用多層模型代替以往的2層或3層模型，在實(shí)際測(cè)量中我們得到的數(shù)據(jù)是土壤電阻率為97 Ω·m(≤0.4 m)和95 Ω·m(≥0.4 m)。整個(gè)接地網(wǎng)面積為48×36 m2，用40×4 m2的鍍鋅扁鋼。接地導(dǎo)體電阻率為1.78×10－7Ω·m，相對(duì)磁導(dǎo)率 μ=200，接地網(wǎng)埋深為0.8 m。建立接地網(wǎng)仿真模型，模擬A注入異頻5 A電流，從C抽出。得出各支路導(dǎo)體電流分布，如圖6所示，以及接地網(wǎng)各點(diǎn)磁場(chǎng)分布，如圖8所示。

3 接地網(wǎng)試驗(yàn)

為了檢測(cè)系統(tǒng)可行性，在大慶某35 kV變電站進(jìn)行測(cè)試。該變電站已投運(yùn)6年，接地網(wǎng)腐蝕情況較嚴(yán)重。接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

向接地網(wǎng)注入5 A電流后，得出地表磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，如圖7所示。將所得數(shù)據(jù)輸入CDEGS軟件，并與理想狀態(tài)仿真對(duì)比，如圖8所示。對(duì)比兩圖，不難發(fā)現(xiàn)在圖中箭頭所指位置 (20，14.4)，兩者數(shù)據(jù)相差較大。經(jīng)挖開(kāi)發(fā)現(xiàn)，接地網(wǎng)金屬等效半徑由0.014 m腐蝕為0.095 m，腐蝕率為32.1%。試驗(yàn)證明，本系統(tǒng)可以準(zhǔn)確測(cè)量出腐蝕點(diǎn)位置。

圖7 接地網(wǎng)出現(xiàn)腐蝕時(shí)地表磁場(chǎng)分布

圖8 接地網(wǎng)理想狀態(tài)時(shí)地表磁場(chǎng)分布

4 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了CDEGS軟件功能和特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一套接地網(wǎng)腐蝕點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)該方法可行性進(jìn)行了理論仿真分析，通過(guò)試驗(yàn)和應(yīng)用結(jié)果可得出以下結(jié)論。

a.通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量與仿真對(duì)比得出磁場(chǎng)強(qiáng)度分布變化，但值得注意的是接地網(wǎng)是一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，單條支路電阻改變同時(shí)也影響到其他位置磁場(chǎng)強(qiáng)度分布，若單條支路腐蝕程度較輕，對(duì)其他支路影響較小，可以忽略不計(jì)。當(dāng)單條支路腐蝕較重時(shí)，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)明顯數(shù)據(jù)差異點(diǎn)，此時(shí)需進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量。

b.與測(cè)量值相比較，差值越大越要反復(fù)測(cè)量，排除人為因素，判定接地網(wǎng)缺陷位置。

c.仿真與試驗(yàn)證明，通過(guò)電磁感應(yīng)原理與CDEGS結(jié)合診斷接地網(wǎng)缺陷是可行的。

［1］何金良，曾 嶸.電力系統(tǒng)接地技術(shù)［M］.北京:科學(xué)出版社.2007.

［2］溫麗穎.接地網(wǎng)的事故原因分析及其改造 ［J］.華東電力.2004，13(4):223－224.

［3］L/T621—1997，交流電氣裝置的接地 ［S］.

［4］張春華，王雪梅.220kV變電站接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.東北電力技術(shù)，2010，31(5):38－40.

［5］王東燁，王 勇，譚立佐.鍍銅接地網(wǎng)與鋼、銅接地網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較［J］.東北電力技術(shù)，2011，32(1):39－41.

［6］ANSI IEEEStd80－1998，IEEE Guide for Safety in AC Substation Grouding［S］.

［7］黃文武，文習(xí)山，朱正國(guó).接地網(wǎng)腐蝕與斷點(diǎn)診斷軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)［D］.武漢:武漢大學(xué)，2005.

［8］趙慧敏，李 文，鄧 武.一類分?jǐn)?shù)階濾波器逼近階次的選擇［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2001，6(4):103－106.

［9］牛曉民.電力系統(tǒng)接地分析軟件CDEGS簡(jiǎn)介 ［J］.華北電力技術(shù)，2004，34(12):29－31.

［10］徐 華，李思南.利用CDEGS軟件診斷接地網(wǎng)聯(lián)通狀態(tài)［J］.浙江電力，2008，30(6):33－36.

［11］張蓬鶴.基于接地系統(tǒng)頻域特性的接地網(wǎng)缺陷診斷研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2011.

［12］魯志偉，常樹生，李 越.大型變電站接地網(wǎng)的網(wǎng)內(nèi)電位差 ［J］.電力建設(shè)，2004，25(9):39－40.