CN107271934A - 一种基于磁效应的接地网安全状态评估装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁效应的接地网安全状态评估装置及方法，包括多频激励电源、电缆、接地网、铜棒电极、信号控制平台、数据处理模块、图形处理模块、无线通讯模块、信号处理模块、信号采集模块；所述信号采集模块置于待采集路径上，每隔一定距离记录一次测量信号电压幅值；上述所有模块组成一个完整检测评估***。设计了一种通过对接地网施加激励电流，测量地表面磁感应强度分布，诊断接地网导体安全状态的方法；该装置和方法能够有效抑制主频电磁干扰。实验和应用结果表明该装置和方法简便、可行，检测***可靠、有效，可以用于工程实际。

Description

一种基于磁效应的接地网安全状态评估装置及方法

技术领域

本发明涉及电力***检测技术领域，特别是涉及一种基于磁效应的接地网安全状态评估装置及方法。

背景技术

变电站的安全运行直接影响着电力***的安全可靠性，而接地网的完整可靠性又是变电站的安全保障。构成接地网的均压导体埋设在地下，大多采用扁钢，圆钢等钢制材料，由于施工时的焊接不良、漏焊、接地短路电流电动力的作用，特别是土壤多年的严重腐蚀，使得均压导体之间存在电气连接不良的情况，致使接地网接地性能变坏。当发生雷击或者接地短路时，可能造成严重的经济损失和社会影响。因此，找到一种能快速方便地对接地网安全状态进行检测的装置及方法、进而采取相应的防护措施已成为电力行业现有接地网运行维护工作中亟待解决的问题。

目前，针对接地网安全性状态的检测方法主要有三种：一是基于电路理论，通过建立故障诊断方程并结合相应优化算法实现接地网的故障诊断，通过编程实现了数值模型的计算机求解，但该方法运算较为复杂，诊断方程病态程度较高影响诊断精度，且当接地网仅局部存在轻微故障时难以通过该方法得到识别诊断。二是基于电场理论，通过向接地网注入激励电流探测地表电位分布，从而对接地网进行故障诊断，但该方法所需测点较多工作量大，且有可能出现由于现场检测不准确而导致故障点的误判或漏判的情形。三是基于电磁场理论，通过向接地网注入激励电流探测地表的磁感应强度，根据磁感应强度的分布特征对接地网进行故障诊断，但现有对地表面磁感应强度的测试点布置需覆盖整个接地网，而实际应用中受制于变电站现场情况，难以实现对所有测点的磁感应强度进行准确测量，且对大型接地网来说存在工作量较大的问题。针对以上的问题，本发明针对接地网的安全状态评估提出了一种基于磁效应的接地网安全状态评估装置及方法，对接地网的故障判断提供了一种新的方法。

发明内容

基于此，本发明针对克服现有技术存在的缺陷，提供一种基于磁效应的接地网安全状态评估装置及方法，该装置集发生、采集、分析于一体，结构简单，操作方便且安全可靠，通过设计的测试及分析方法得到接地网的地表磁感应强度分布，能够实现对变电站接地网安全状态的高效、准确判断。

其技术方案如下：

一种基于磁效应的接地网安全状态评估装置，其特征在于，用于产生激励电流的多频激励电源100的输出端通过铜棒电极130和变电站内接地网与大地构成回路，所述铜棒电极离电流注入点较远处***接地网边缘，所述多频激励电源为发生装置；信号控制平台210提供对多频激励电源100的控制并通过与数据处理模块240与图形处理模块230构成信号连接；记录电压幅值的信号采集模块270置于待采集路径上，其采集的信号通过信号处理模块260和无线通信模块250后无线传输至信号控制平台210；

所述信号采集装置270放在接地网上方的地表或地下；信号采集装置270由固定单元与测量单元两部分构成，固定单元由两组方形绝缘板构成，每组绝缘板由绝缘杆呈直角支撑；测量单元由铁芯和绕制在铁芯外的探测线圈构成，铁芯固定在绝缘板上，铁芯上探测线圈的端头与信号处理模块260连接；

由上所有装置和模块组成一个完整检测评估***。

进一步地，所述多频激励电源输出幅值在2-50A的电流，频率在100Hz-1000Hz可调，由信号控制平台控制；与接地网、电缆、铜棒电极和大地构成回路。

进一步地，所述控制平台有通讯接口，通过信号线与多频激励电源连接，向多频激励电源发出电流幅值与频率指令；所述信号控制平台通过无线通信模块与信号采集模块通信，用于控制和接收信号采集模块的感应电压信号以及无线通信模块发出的处理过的数据信息。

进一步地，所述信号处理模块由陷波器、放大器、带通滤波器、示波器组成；探测线圈将磁感应强度信号转变为感应电压信号，后经工频陷波、信号放大和带通滤波处理后，用示波器采集并提取信号。

本发明的目的还在于为上述装置提供一种应用的方法，信号采集装置270放在接地网上方的地表或地下，所采集的电流信号通过无线通信模块与信号控制平台进行数据交换，通过分析对比由CDEGS计算得到的地表标准磁场强度分布得到正常与故障情况下的地表磁场强度分布，显示在上位机图形窗口中，对接地网安全状态进行评估。

其具体步骤包括：

步骤1：使用数值仿真软件计算正常工况下变电站接地网的理论地表面磁感应强度；

步骤2：针对某一具体的变电站接地网，按要求布置电流注入点和用于回流的铜棒电极；

步骤3：根据变电站接地网现场情况，分批次同时检测位于X方向上的所有接地导体，设计探测线圈的检测路径；

步骤4：应用信号控制平台，控制多频激励电源通过电缆向变电站接地网注入幅值在2-50A，频率在100Hz-1000Hz的可调激励电流，根据检测路径用探测线圈检测接地网上方感应的地表磁场强度，通过信号处理模块、无线通信模块将电压信号传回信号控制平台；

步骤5：应用信号控制平台，控制数据处理模块提取步骤4中多点检测的接地网的地表磁场强度最大值，并给出X方向随坐标分布的磁场强度值；

步骤6：调用数值仿真软件CDEGS正常工况下变电站接地网的理论地表磁场强度分布，在图形处理模块中对比两者的差异，并给出每个检测点的偏差度，若偏差度超过40％，则说明接地网为不安全的状态，可能存在腐蚀或断点的故障，提示需要检修。

上述基于磁效应的接地网安全状态评估装置及方法通过所述多频激励电源调整频率及供应电流大小经电缆注入接地网，利用所述信号采集模块测量感应电压信号，经过工频陷波、信号放大和带通滤波处理后，用示波器采集并提取信号，最后显示在上位机上并对接地网安全状态进行评估。该装置及方法有利于工作人员开展相应的防护措施，保护技术人员与设备的安全。同时上述基于磁效应的接地网安全状态评估装置的结构简单，操作方便，安全可靠性高，制造及使用成本低。

下面对技术方案作进一步的说明：

在其中一个实施例中，所述多频激励电源可输出幅值在2-50A的电流，频率在100Hz-1000Hz可调，由信号控制平台控制；与接地网、电缆、铜棒电极和大地构成回路；经过理论分析地表磁感应强度与输入信号频率特性，得到了上述电流幅值与频率范围，既能很好的屏蔽变电站内设备产生的空间电磁场的影响又能使输入激励电流后产生的地表磁感应强度较大。

在其中一个实施例中，所述控制平台有通讯接口，通过数据线与多频激励电源连接，向多频激励电源发出电流幅值与频率指令；所述信号控制平台通过无线通信模块与信号采集模块通信，用于控制和接收信号采集模块的感应电压信号以及无线通信模块发出的处理过的数据信息；

在其中一个实施例中，所述信号采集装置由固定单元与测量单元两部分构成。所述固定单元由两组方形绝缘板构成，每组绝缘板由绝缘杆呈直角支撑；所述测量单元由铁芯和探测线圈构成，每片绝缘板上用四颗螺母固定铁芯，铁芯上绕有探测线圈；所述信号采集装置放在地表或其以下，但必须在接地网上方。铁芯用来汇聚待测点处的轴向磁场强度，绕制在铁芯上的探测线圈感应出电压信号。绝缘杆呈直角的作用是固定X和Y方向，增加检测的准确度。

在其中一个实施例中，所述信号处理模块由陷波器、放大器、带通滤波器、示波器组成。探测线圈将磁感应强度信号转变为感应电压信号，后经工频陷波、信号放大和带通滤波处理后，用示波器采集并提取信号。所述陷波器的工作原理基于双T网络的陷波电路。所述放大器采用仪表运算放大器AD620进行信号放大。所述带通滤波器利用数字电容滤波芯片LTC1068设计，其特点是带通中心频率f_c可由时钟脉冲频率f_CLK控制，可在一定范围内调节。检测开始阶段，根据需求通过信号控制平台调整带通中心频率，以避开主要的干扰频点。上述电路采用通用的电力电子技术实现。所述示波器对运算放大器AD620放大后的信号进行显示与传输数据。

在其中一个实施例中，所述的数据处理模块有通讯接口，通过通信接口与所述的信号控制平台进行数据交换，通过分析对比由CDEGS计算得到的地表标准磁场强度分布，对接地网安全状态进行评估。所述图形处理模块是利用LABVIEW编制的软件，通过数据处理模块得到正常与故障情况下的地表磁场强度分布，显示在上位机图形窗口中。通过图形的比较，能很容易发现接地网故障导体的位置，有效指导工作人员进行检修。

一种基于磁效应的接地网安全状态评估装置及方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：使用数值仿真软件计算正常工况下变电站接地网的理论地表面磁感应强度。

步骤2：针对某一具体的变电站接地网，按要求布置电流注入点和用于回流的铜棒电极。

步骤3：根据变电站接地网现场情况，分批次同时检测位于X方向上的所有接地导体，设计探测线圈的检测路径。

步骤4：应用信号控制平台，控制多频激励电源通过电缆向变电站接地网注入幅值在2-50A，频率在100Hz-1000Hz的可调激励电流，根据检测路径用探测线圈检测接地网上方感应的地表磁场强度，通过信号处理模块、无线通信模块将电压信号传回信号控制平台。

步骤5：应用信号控制平台，控制数据处理模块提取步骤4中多点检测的接地网的地表磁场强度最大值，并给出X方向随坐标分布的磁场强度值。

步骤6：调用数值仿真软件CDEGS正常工况下变电站接地网的理论地表磁场强度分布，在图形处理模块中对比两者的差异，并给出每个检测点的偏差度，若偏差度超过40％，则说明接地网为不安全的状态，可能存在腐蚀或断点的故障，提示需要检修。

与现有技术相比，本发明可以在不改变接地网结构的前提下，对接地网的安全状态进行较为准确的判断；同时，分批次同时检测位于X方向上的所有接地导体，现场测试工作量大幅减少。因此本发明能在大幅减少现场测试工作量的前提下，有效地、准确地检测出变电站接地网的故障位置，从而可及时采取有效措施，提高变电站接地网的运行可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例的***结构示意图；

图2为本发明实施例的双线圈磁感应强度采集装置结构示意图；

图3为本发明实施例的双线圈磁感应强度采集装置的正视图。

图4为本发明实施例的信号处理模块的电路结构图；

图5为本发明实施例的接地网布置及坐标图；

图6为本发明实施例图形处理模块结果；其中，图6(a)所示为接地网所有的接地导体是正常时；图6(b)所示为接地网某根接地导体发生故障时。

图7为本发明基于磁效应的接地网安全状态评估方法的主要流程图。

附图标记说明：

100、多频激励电源，110、电缆，120、接地网，130、铜棒电极，210、信号控制平台，220、数据线，230、图形处理模块，240、数据处理模块，250、无线通信模块，260、信号处理模块，261、陷波器，262、放大器，263、带通滤波器，264、示波器，270、信号采集模块(双线圈磁感应强度采集装置)，271、绝缘板，272、六角螺栓，273、铁芯，274、探测线圈，275、绝缘杆。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

实施例1：

如图1至图3所示，一种基于磁效应的接地网安全状态评估装置及方法，包括：多频激励电源100；所述多频激励电源100为产生激励电流的发生装置；电缆110；所述电缆110用作注入电流的导线以及各模块信号传输的数据线220；接地网120；所述接地网120为某变电站内接地网；铜棒电极130；所述铜棒电极130***接地网120边缘，离电流注入点较远处；信号控制平台210、数据处理模块240、图形处理模块230；无线通信模块250、信号处理模块260；所述无线通信模块250、信号处理模块260用电力电子器件设计于开发板上；及信号采集模块270；所述信号采集模块270置于待采集路径上，每隔一定距离记录一次测量信号电压幅值；上述所有模块组成一个完整检测评估***。

上述基于磁效应的接地网安全状态评估装置及方法通过所述多频激励电源100调整频率及供应电流大小经电缆110注入接地网120，利用所述信号采集模块270测量感应电压信号，经过工频陷波、信号放大和带通滤波处理后，用示波器264采集并提取信号，最后显示在图形处理模块230的上位机上并对接地网120安全状态进行评估。该装置及方法有利于工作人员开展相应的防护措施，保护技术人员与设备的安全。同时上述基于磁效应的接地网安全状态评估装置的结构简单，操作方便，安全可靠性高，制造及使用成本低。

实施例1中，考虑到站内设备以及空气中电磁场的干扰，信号控制平台210放置在屏蔽室内，同时所有数据线220传输数据以及激励电流注入均采用强度高且屏蔽性能佳的电缆110。上述多频激励电源100可以是高频脉冲电源等，产生幅值在2-50A，频率在100Hz-1000Hz的可调激励电流。此外，为了使设备方便携带，无线通信模块250、信号处理模块260均利用电力电子器件设计在开发板上；同时为了该装置以及检测方法的普及，数据处理模块240、图形处理模块230是基于LABVIEW软件编制上位机，后台连接MATLAB完成数据处理，上位机软件窗口进行图形可视化。

实施例1中，所述信号采集装置270由固定单元与测量单元两部分构成，如图2、3所示。所述固定单元由两组方形绝缘板271以及夹持杆件构成，夹持杆件为绝缘杆275，每组绝缘板271由绝缘杆275呈直角支撑；绝缘杆275呈直角的作用是固定X和Y方向，增加检测的准确度，同时浅埋在地表下也能保证其位置不发生改变。所述测量单元由铁芯273和探测线圈274构成，每片绝缘板275上用四颗螺母272固定铁芯273，铁芯273上绕有探测线圈274，每个探测线圈274都顺时针绕制或者逆时针绕制，保证采集的电流方向一致。所述信号采集装置270放在地表或其以下，但必须在接地网120上方。铁芯273用来汇聚待测点处的轴向磁场强度，绕制在铁芯273上的探测线圈274感应出电压信号。该信号采集装置270结构简单，易操作，但须注意埋设时的位置。

实施例1中，所述信号处理模块260由陷波器261、放大器262、带通滤波器263、示波器264组成，如图4所示。探测线圈274将磁感应强度信号转变为感应电压信号，后经工频陷波、信号放大和带通滤波处理后，用示波器264采集并提取信号。所述陷波器261的工作原理基于双T网络的陷波电路，由于变电站里的主要磁信号是工频的，陷波电路可最大限度消除其干扰。所述放大器262采用仪表运算放大器AD620进行信号放大。所述带通滤波器263利用数字电容滤波芯片LTC1068设计，其特点是带通中心频率f_c可由时钟脉冲频率f_CLK控制，可在一定范围内调节。检测开始阶段，根据需求通过信号控制平台调整带通中心频率，以避开主要的干扰频点。上述电路采用通用的电力电子技术实现。所述示波器264对运算放大器AD620放大后的信号进行显示与传输数据。

实施例1中，具体实施步骤为，先使用数值仿真软件CDEGS构建实际接地网120的模型，设置好土壤等环境参数、导体的材料、导磁系数等，计算正常工况下变电站接地网120的理论地表面磁感应强度。然后根据图5按要求布置电流注入点和用于回流的铜棒电极130。根据变电站接地网120现场情况，分批次同时检测位于X方向上的所有接地导体，设计探测线圈274的检测路径。应用信号控制平台210，控制多频激励电源100通过电缆110向变电站接地网120注入幅值在2-50A，频率在100Hz-1000Hz的可调激励电流，根据检测路径用探测线圈274检测接地网120上方感应的地表磁场强度，通过信号处理模块260、无线通信模块250将电压信号传回信号控制平台210。应用信号控制平台210，控制数据处理模块240提取多点检测的接地网120的地表磁场强度最大值，并给出X方向随坐标分布的磁场强度值。调用数值仿真软件CDEGS正常工况下变电站接地网120的理论地表磁场强度分布，在图形处理模块230中对比两者的差异，并给出每个检测点的偏差度，若偏差度超过40％，则说明接地网120为不安全的状态，可能存在腐蚀或断点的故障，提示需要检修。

为充分说明实施例1的可行性和测量***的可靠性，针对变电站接地网120进行安全状态评估，该接地网120的有效性已经得到了相关验证。该接地网120由12根接地导体组成均匀网格，每根导体长30m，均为55mm×5mm的镀锌扁钢，其电阻率为1.78×10^-7Ω·m，相对磁导率为200，接地体埋深0.6m，其结构如图5所示，M(24,0)为电流注入点，N(24,30)接有铜棒电极130，实验时在M点注入5A、510Hz的正弦激励电流信号，铜棒电极130用一根多股铜芯电缆110经网外地表面接至多频激励电源100的负极，作为回流导线。

优选的实施例1中，在图5中，例如需要检测X方向一系列接地导体a、b、c、d、e、f的安全状态，M点为电流注入点，X、Y为坐标方向，坐标原点为O点，注入激励电流后，在地表Y＝10m处，从X＝0开始每隔1m检测一次信号磁场强度，显示在示波器264上，同时将测量结果传输至数据处理模块240。实验时在510Hz的频点处，放大、滤波电路的总增益调为34，可由测量的电压幅值U_om计算地表面磁感应强度幅值B_om，计算过程如下：

设地表X方向磁感应强度分量为：

B_x＝B_xm sin(2πf_ct)

式中：B_xm为X方向磁感应强度分量的幅值；f_c为带通滤波器263的中心频率。假设探测线圈274平面与X方向垂直，依据法拉第电磁感应定律可以得到测量***输出端的电压：

u₀＝2πf_cNSGB_xm cos(2πf_ct)

式中：S为探测线圈274的横截面积；N为探测线圈274的匝数；G为接收***的总增益。则：

B_xm＝U_om/2πf_cNSG

式中U_om为示波器264检测到的电压信号幅值。依据上式，可通过输出电压信号幅值，计算地表面磁感应强度值。

实施例1中，进一步需要说明的是，当接地网120所有的接地导体是正常时，图形处理模块230输出的结果为图6(a)所示，当接地网120的某根接地导体发生故障，例如因腐蚀而变细时，输出的结果为图6(b)所示。可见当接地导体c发生腐蚀时，其地表磁感应强度明显低于正常时的值，该检测点的偏差度超过40％，提示该位置接地导体为不安全状态。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于磁效应的接地网安全状态评估装置，其特征在于，用于产生激励电流的多频激励电源(100)的输出端通过铜棒电极(130)和变电站内接地网与大地构成回路，所述铜棒电极离电流注入点较远处***接地网边缘，所述多频激励电源为发生装置；信号控制平台(210)提供对多频激励电源(100)的控制并通过与数据处理模块(240)与图形处理模块(230)构成信号连接；记录电压幅值的信号采集模块(270)置于待采集路径上，其采集的信号通过信号处理模块(260)和无线通信模块(250)后无线传输至信号控制平台(210)；

所述信号采集装置(270)放在接地网上方的地表或地下；信号采集装置(270)由固定单元与测量单元两部分构成，固定单元由两组方形绝缘板构成，每组绝缘板由绝缘杆呈直角支撑；测量单元由铁芯和绕制在铁芯外的探测线圈构成，铁芯固定在绝缘板上，铁芯上探测线圈的端头与信号处理模块(260)连接；

由上所有装置和模块组成一个完整检测评估***。

2.根据权利要求1所述的基于磁效应的接地网安全状态评估装置，其特征在于：所述多频激励电源输出幅值在2-50A的电流，频率在100Hz-1000Hz可调，由信号控制平台控制；与接地网、电缆、铜棒电极和大地构成回路。

3.根据权利要求1和2所述的基于磁效应的接地网安全状态评估装置，其特征在于：所述控制平台有通讯接口，通过信号线与多频激励电源连接，向多频激励电源发出电流幅值与频率指令；所述信号控制平台通过无线通信模块与信号采集模块通信，用于控制和接收信号采集模块的感应电压信号以及无线通信模块发出的处理过的数据信息。

4.根据权利要求1所述的基于磁效应的接地网安全状态评估装置，其特征在于：所述

信号处理模块由陷波器、放大器、带通滤波器、示波器组成；探测线圈将磁感应强度信号转变为感应电压信号，后经工频陷波、信号放大和带通滤波处理后，用示波器采集并提取信号。

5.采用权利要求或1或2或3或4所述装置的基于磁效应的接地网安全状态评估，其特征在于，信号采集装置(270)放在接地网上方的地表或地下，所采集的电流信号通过无线通信模块与信号控制平台进行数据交换，通过分析对比由CDEGS计算得到的地表标准磁场强度分布得到正常与故障情况下的地表磁场强度分布，显示在上位机图形窗口中，对接地网安全状态进行评估，其具体步骤包括：

步骤1：使用数值仿真软件计算正常工况下变电站接地网的理论地表面磁感应强度；

步骤2：针对某一具体的变电站接地网，按要求布置电流注入点和用于回流的铜棒电极；

步骤3：根据变电站接地网现场情况，分批次同时检测位于X方向上的所有接地导体，设计探测线圈的检测路径；

步骤4：应用信号控制平台，控制多频激励电源通过电缆向变电站接地网注入幅值在2-50A，频率在100Hz-1000Hz的可调激励电流，根据检测路径用探测线圈检测接地网上方感应的地表磁场强度，通过信号处理模块、无线通信模块将电压信号传回信号控制平台；

步骤5：应用信号控制平台，控制数据处理模块提取步骤4中多点检测的接地网的地表磁场强度最大值，并给出X方向随坐标分布的磁场强度值；

步骤6：调用数值仿真软件CDEGS正常工况下变电站接地网的理论地表磁场强度分布，在图形处理模块中对比两者的差异，并给出每个检测点的偏差度，若偏差度超过40％，则说明接地网为不安全的状态，可能存在腐蚀或断点的故障，提示需要检修。