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1、变电站接地网电磁诊断法的试验研究施会1，王丰华2，胡徐铭2，茅晓亮1，吕佩佩1，孟琦斌1（1. 国网上海市电力公司奉贤供电公司，上海 201400；2. 上海交通大学 电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240）摘 要：为进一步提高变电站接地网故障诊断的准确性，本文以某实际35kV变电站接地网为研究对象，通过模拟接地网导体腐蚀、断裂、虚焊等典型故障，对接地网正常与典型故障下的地表电位和磁感应强度进行了测试分析。试验结果表明：接地网导体出现不同故障类型时，地表电位和磁感应强度呈现出不同的变化规律，综合分析接地网的地表电位和磁感应强度可较为准确地实现变电站接地网故障诊断及故障类型识
2、别。接地网存在混合故障时，故障导体地表电位和磁感应强度变化规律与单一故障的情形类似，但变化幅度更大。研究结果可为变电站接地网的故障诊断提供重要依据。关键词：接地网；地表电位；磁感应强度；故障诊断中图分类号：TM933 文献标识码：B 文章编号：1001-1390（2018）00-0000-00Experimental studies on substation grounding grid fault diagnosis using electrical & magneticelectromagnetic diagnosis methodShi Hui1, Wang Fenghua2,
3、 Hu Xuming2, Mao Xiaoliang1, Lv Peipei1, Meng Qibin1(1. Fengxian Power supply Supply branch Branch companyCompany, Shanghai Municipal Electric Power Company, Shanghai 201400, China. 2. Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion, Ministry of Education, Shanghai Jiao Tong Universit
4、y, Shanghai 200240, China)Abstract: In order To to further increase the accuracy of fault diagnosis of substation grounding grids, a 35kV substation is studied to measure the surface potential and magnetic induction intensity under normal condition conditions and typical faults, where the fault of c
5、orrosion, broken and incomplete weld arefaults of corrosion, broken and incomplete weld are simulated in this paper. The test results have shown that, the surface potential and magnetic induction intensity of grounding grid are changed differently under different fault circumstances. According to th
6、e comprehensive analysis of the variations of surface potential and magnetic induction intensity, the fault and its type can be identified accurately. For the hybrid fault in grounding grid, the variations of surface potential and magnetic induction intensity are similar to the single fault with lar
7、ger variation degree. This result may provide important basis for future fault diagnosis of substation grounding grid fault diagnosis.Key words: grounding grid, surface potential, magnetic induction intensity, fault diagnosis0 引言接地网作为变电站的重要组成部分，承担着保证电气设备良好接地的任务。但是，接地网导体埋于地下，不可避免地会出现腐蚀、断裂等故障，从而有可能造成事
8、故，带来巨大的经济损失1-2。因此，准确诊断和定位接地网故障对于电力系统的安全稳定运行有着十分重要的意义。目前，运维人员主要通过定期大面积开挖变电站地面来对接地网导体状态进行诊断，不仅代价高，而且由于无法事先确定故障位置，具有一定的盲目性。而接地网故障诊断方法研究主要从3个方面展开：电化学检测法、导体电阻法和电磁场分析法3。其中，电化学检测法通过分析接地网金属导体的极化电阻、土壤电阻等电化学参数来进行诊断，是表征接地网材料腐蚀状态和研究腐蚀机理的有效手段之一4。如文献5采用小孔电化学传感器和电化学检测参数软件，根据接地网导体金属极化电阻和土壤电阻等电化学参数来识别接地网的腐蚀状态。然而，电化学
9、检测法存在传感器限流以及变电站干扰信号和杂散电流干扰等问题，在复杂的变电站环境下准确性难以保证。导体电阻法通过测量接地引线节点间电阻，对比分析电阻的变化来判断导体是否出现腐蚀或者断裂6-7。文献8将遗传算法应用于接地网腐蚀故障诊断中，以接地电阻为指标建立了适应度评价函数，通过仿真验证了该方法的准确性。但是，由于节点间电阻通常只有毫欧级，易受连线电阻的影响，对测量设备的要求较高。电磁场分析法具有抗干扰能力强和准确易行的优点，是近年来接地网故障诊断研究的热点方向9-10。其中，文献11分别以规则形状和不规则形状两种接地网模型为研究对象，对接地网典型故障下的的地表电位分布进行了测试分析。文献12利用
10、复镜像法和Prony法计算得到了接地网正常状态和故障状态下的地表电位分布，提出了基于模糊理论的接地网故障诊断方法。文献13根据电网络理论和Biot-Savart定律建立了支路电阻和地表磁场的最小二乘优化模型，通过仿真分析验证了所提方法的可行性。文献14计算了激励电流产生的接地网地表磁感应强度，设计了磁感应强度测量系统，实现了接地网导体腐蚀和断裂故障的诊断。显然，现有研究均从不同侧面说明了基于电场或磁场分布对接地网典型故障进行诊断的有效性，但大都以接地网模型为对象进行仿真研究，与实际接地网存在一定差异。此外，接地网导体故障类型较多，单独依靠电场分布或磁场分布尚无法准确识别接地网的故障类型，仍需进
11、行研究。基于此，本文基于接地网的电磁场分布综合诊断思想，以某实际35 kV变电站接地网为对象，应用实测的手段对接地网正常与腐蚀、断裂、虚焊及混合故障下地表电位和磁感应强度的变化进行研究，归纳总结其变化规律，为进一步提高接地网故障诊断方法的准确性及适用性提供依据。1 接地网试验1.1 接地网模型图1为根据某实际35 kV变电站接地网的图纸得到的接地网示意图。图中，B为原点，BD段和BG段分别为x方向和y方向。接地网占地尺寸约为，埋深为0.8 m。水平导体采用尺寸为的镀锌扁钢，垂直接地极采用直径为38 mm、长度为2.5 m的黑铁管。A点和B点为接地网的可及节点。另外，a, b, c ,d, e,
12、 f为模拟故障设置点。图1 接地网示意图Fig.1 Schematic representation diagram of the grounding grid1.2 试验描述试验所用系统为Red Phase 8100型接地装置特性参数测量与管理系统。该系统由变频信号源、耦合变压器及可调频率多功能万用表组成，具有接地阻抗测量、电流分布情况测量及场区地表电位梯度测量等功能。为避开测试现场的工频及相应谐波信号对测试的干扰，采用65 Hz异频信号源注入激励电流。其中，对接地网地表电位进行测试时，应用系统中的变频信号源从图1中A点向接地网注入激励电流，并从电流参考极抽出。其中，电流参考极及电压参考极根
13、据30°夹角法确定15，即电流参考极距离接地网CE边框约200 m，电压参考极距离接地网CE边框约120 m。为确保输出回路的稳定性，调整变频信号源使其在允许输出功率范围内最大输出电流为6 A。对接地网地表磁感应强度进行测试时，电流注入点为图1中的B点，电流抽出点为图1中的A点。选用的感应线圈为350匝和的矩形线圈，其材质为直径1 mm的漆包线。完成接地网正常工况时的地表电位和磁感应强度进行测量后，挖开模拟故障点土壤进行故障设置，再对接地网故障工况下的地表电位分布和磁感应强度进行测量。1.3 故障设置变电站接地网故障通常是由土壤腐蚀作用、施工时脱焊接问题以及接地电流电动力等因素引起，
14、为综合了解接地网典型故障下的电磁场分布，本实验针对接地网导体腐蚀、断裂、虚焊、脱焊以及混合故障等多种故障工况进行模拟。具体故障工况如表1所示。表1 接地网导体故障设置Tab.1 Fault setting of grounding grid conduct故障名称故障描述腐蚀故障ab段腐蚀断裂故障a点断裂虚焊故障a, b, c, d四点虚焊脱焊故障d点脱焊混合故障导体ab腐蚀, c点断裂2 结果分析2.1 正常工况图2为测量得到的接地网地表电位分布。由图可见，接地网地表电位最大值为1.504 V，出现在电流注入点；电位最小值为0.693 V，出现在左下方网孔中心。另外，接地网导体上方的地表电位
15、明显高于网孔上方，导体两端节点处电位也会比导体中间段略高。图2 正常工况下地表电位分布Fig.2 Test result of the surface potential of grounding grid under normal state图3 接地网地表电位分布(电流注入点为B)Fig.3 Simulation result of the surface potential of grounding grid (current injection point is B)因接地网地表电位分布与电流注入点位置有关，基于试验接地网可用可及节点位置，为说明选用A点作为电流注入点的合理性，文中同时
16、基于接地网不等电位计算模型计算得到了电流注入点从B点注入时的地表电位分布16，如图3所示。由图可见，电流注入点为B时，接地网地表电位最大值和电位差远小于电流注入点为A时产生的地表电位，再次说明了选用A点作为注入点的合理性。(a) x方向分量(b) y方向分量图4 正常工况下地表磁感应强度分布Fig.4 Test result of the surface magnetic induction intensity of grounding grid under normal state图4为测量得到的接地网地表磁感应强度分布情况。由图可见，电流注入点与抽出点所在导体上方的磁感应强度较为明显，且电
17、流注入点所在导体的地表磁感应强度最高。地表磁感应强度x分量最大值出现在电流注入点所在导体，大小为0.498 7 ；磁感应强度x分量最小值出现在右侧网孔中心，大小为0.009 4 ；地表磁感应强度y分量最大值出现在电流抽出点所在导体，大小为0.677 4 ；磁感应强度y分量最小值出现在右侧网孔中心，大小为0.028 7 。另外，沿y方向布置的接地导体上方磁感应强度的x方向分量较大，沿x方向布置的导体上方磁感应强度的y方向分量较大；网孔中心磁感应强度明显跌落。显然，接地网导体上方的地表电位和磁感应强度相对于接地网其它部分而言更为明显。因此，本文在后续分析中重点关注接地网导体上方的地表电位和磁感应强
18、度变化。2.2 故障工况2.2.1 腐蚀故障变电站接地网腐蚀故障在图1所示的ab段()进行模拟，所对应的故障导体BD上方地表电位和磁感应强度如图5所示。(a) 地表电位(b) 地表磁感应强度图5 接地网腐蚀时BD段导体测试结果Tab.5 Test result of conductor BD under corrosion fault由图5(a)可见，接地网导体腐蚀段所在的导体上方的地表电位大都略高于正常工况。其中，腐蚀段ab 处的地表电位变化最为明显，变化幅度达到了约10.94%。究其原因为，当接地网导体发生腐蚀故障时，故障导体附近的泄漏电流密度与导体的腐蚀程度有关，即导体的腐蚀程度越大其泄
19、漏电流密度越大。相应地，泄漏电流在故障段上方引起的地表电位也随之上升。由图5(b)可见，ab段所在的导体地表磁感应强度发生了一定程度的改变。其中，在部分，地表磁感应强度低于正常工况，变化幅度最大达到26.6%；在部分，地表磁感应强度略高于正常工况，变化幅度最大达到17.64%。究其原因为，当导体ab段腐蚀时，部分导体上流经的轴向电流会减小，导致该部分的地表磁感应强度相应减小。而对于部分的导体，分流增大，从而地表磁感应强度增大。2.2.2 断裂故障变电站接地网断裂故障在图1所示a点()进行模拟，所对应的故障导体BD上方地表电位和磁感应强度如图6所示。(a) 地表电位(b) 地表磁感应强度图6 接
20、地网断裂时BD段导体测试结果Fig.6 Test result of conductor BD under broken fault由图6(a)可见，接地网地表电位在断裂点a处()发生了明显的变化。在的导体段，地表电位明显高于正常工况，变化幅度最大可达16.87%。在的导体段，地表电位明显低于正常工况，变化幅度最大可达18.45%。究其原因为，当a处发生断裂故障时，在远离电流注入点区域导体上流经的电流无法正常流通，导致故障导体靠近电流注入点的部分的相邻土壤中存在大量泄漏电流，进而导致该部分的地表电位升高。由图6(b)可见，在的部分，地表磁感应强度明显低于正常工况，并在断裂点a处接近于0。在的部
21、分，地表磁感应强度略高于正常工况，变化幅度最大可达到26.23%。究其原因为，当a处发生断裂时，原本在部分导体上流经的电流无法正常流通，导致故障导体上轴向电流为零，只有在导体两端靠近节点处土壤中有些许泄漏电流，进而导致该部分的地表磁感应强度明显减小。而对于部分的导体，由于部分导体没有分流，进而导致部分导体的分流增大，从而地表磁感应强度增大。2.2.3 虚焊故障变电站接地网虚焊故障在图1所示a(x=14.4)，b(x=29.8)，c(x=30)和d点(x=40.0)进行模拟，所对应故障导体BD上方地表电位和磁感应强度如图7所示。(a) 地表电位(b) 地表磁感应强度图7 接地网虚焊时BD段导体测
22、试结果Fig.7 Test result of conductor BD under incomplete weld fault由图7(a)可见，接地网导体的地表电位仅在故障点a，b，c，d处略微高于正常工况，变化幅度最大可达5.13%。究其原因为，当接地网导体发生虚焊故障时，故障点处导体接触不良，导致导体的泄漏电流密度增大。相应地，故障点上方地表电位也随之上升。由图7(b)可见，故障导体上方磁感应强度在全段导体范围内均略低于正常工况，变化幅度最大不超过11.38%。究其原因为，当接地网导体发生虚焊故障时，故障导体上流经的轴向电流减小，导致地表磁感应强度减小。2.2.4 脱焊故障变电站接地网脱
23、焊故障的情形在图1所示d()处进行模拟，所对应的导体Cd上方地表电位和磁感应强度如图8所示。(a) 地表电位(b) 地表磁感应强度图8 接地网脱焊时Cd段导体测试结果Fig.8 Test result of conductor Cd under loose weld fault 由图8(a)可见，故障导体上方地表电位在脱焊处d()呈现下降趋势，最大降幅可达15.33%，在远离故障点的区域，地表电位渐趋正常。究其原因为，当d点发生脱焊时，BD段导体上的轴向电流不再向Cd段导体分流。因此地表电位仅由较少的泄漏电流产生，进而导致其上地表电位相应降低。由图8(b)可见，故障导体Cd段上方磁感应强度明显
24、低于正常情况。究其原因为，当d处发生脱焊时，BD段导体上的轴向电流不再向Cd段导体分流，Cd段导体由于不再有轴向电流流经，因此地表磁感应强度明显减小。2.2.5 混合故障接地网导体同时存在腐蚀和断裂故障的情形在图1所示ab段()和c处()进行模拟，所对应的导体BD上方地表电位和磁感应强度如图9所示。由图9(a)可见，在ab段()因为腐蚀故障地表电位有一定程度上升，变化幅度最大可达11.38%。在断裂点c()附近，地表电位发生明显变化。在靠近电流注入点()的区域内故障工况下地表电位明显高于正常工况，变化幅度最大可达到12.17%。在远离电流注入点(x>40)的部分，故障工况下地表电位明显低
25、于正常工况，变化幅度最大可达到27.11%；由图9(b)可见，除了在区域因为腐蚀故障地表磁感应强度有一定程度减小外，在的区域内故障工况下地表磁感应强度明显小于正常工况。在断裂点c()附近变化幅度最大，可达到72.58%。显然，接地网导体同时存在腐蚀和断裂故障时，与单一故障工况比较，故障处地表电位和磁感应强度变化幅度更大。(a) 地表电位(b) 地表磁感应强度图9 接地网混合故障下BD段导体测试结果Fig.9 Test result of conductor BD under joint fault 13 接地网诊断规律总结表2为根据变电站接地网实际测量结果汇总得到的接地网导体典型故障下地表电位
26、和磁感应强度的变化情况。由表可见，接地网导体存在腐蚀故障时，主要表征为故障段导体地表电位升高和磁感应强度降低，通常可将地表电位作为接地网导体腐蚀的主要判据。接地网导体存在断裂故障时，地表电位在断裂处发生突变，可根据地表电位识别导体断裂故障。但当接地网导体存在虚焊或脱焊故障时，受到接地网测试环境如土壤电阻率和测试误差等因素的影响，单纯依靠地表电位难以区分二者，建议辅以磁感应强度的变化来进行识别。当接地网存在混合故障时，地表电位与磁感应强度变化规律与单一故障工况时变化一致，且相对于单一故障，变化幅度更加剧烈。因此，在诊断混合故障时，可结合单一故障的判据进行综合判断。表2 接地网地表电位和磁感应强度
27、变化规律Tab.2 Change rules of surface potential and magnetic induction intensity of grounding grid under fault state故障名称地表电位磁感应强度腐蚀故障段处上升，增幅可达10.94%降低，降幅可达26.6%断裂靠近电流注入点，上升；远离电流注入点，下降大幅度降低，在断裂处接近于0虚焊仅故障点处略微升高略微降低，降幅不超过15%脱焊下降，降幅可达15.33%大幅度降低，在脱焊处接近于0混合故障与单一故障工况时变化规律一致，且变化幅度加剧与单一故障工况时变化规律一致，且变化幅度加剧在具体应用中
28、，首先需根据变电站现场提供的接地网可及节点的位置信息，经计算后选取地表电位最高值和电位差相对较大的可及节点作为电流注入点。然后，从选定的电流注入点向接地网注入异频电流，沿接地网导体上方测量地表电位和磁感应强度分布。最后，综合分析测量结果对接地网的导体状态进行诊断。4 结束语对某35 kV实际变电站接地网正常与典型故障下的地表电位和磁感应强度分布的测试结果表明： （1）接地网导体在不同故障下的地表电位和磁感应强度存在差异，为准确识别接地网典型故障，结合接地网导体地表电位和磁感应强度的变化会得到更为准确的结果。（2）接地网导体存在腐蚀故障时，故障段地表电位升高，电磁感应强度降低；断裂故障时，故障点
29、至电流注入点段，地表电位上升，远离电流注入点段，电位下降。电磁感应强度大幅度降低；虚焊故障时，地表电位仅在故障点处略微升高，磁感应强度在导体范围内略微下降；脱焊故障时，故障点处地表电位下降，磁感应强度大幅度下降。（3）接地网导体存在混合故障时，故障段导体地表电位和磁感应强度与接地网单一故障下导体地表电位和磁感应强度变化规律一致。并且，相对单一故障而言，混合故障下地表电位和磁感应强度变化幅度更大。需要指出的是，本文所得结果的有效性还需要更多的现场测试来进行验证，这也是我们下一步的工作。参 考 文 献1 张波, 何金良, 曾嵘. 电力系统接地技术现状及展望J. 高电压技术, 2015, 41(8)
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