CN201047865Y - 发变电站接地网在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种发变电站接地网在线监测装置，包括状态传感器、信号源、控制开关、比较放大器、运算放大器1、功率放大器、运算放大器2、运算放大器3、运算放大器4、差动放大器、电阻测量装置、转换器A/D1、转换器A/D2、转换器A/D3、转换器A/D4、单片机、转换器D/A1、转换器D/A2、滤波器、光电开关，所述信号源输出的方波信号加到状态传感器的辅助电极和研究电极之间，测量流过的电流，将测量的数据经滤波后送到微处理器计算传感器电极的腐蚀速率及接地网的腐蚀深度与电气性能参数，根据计算所得接地网电气性能参数判断接地网的安全性能。本实用新型解决了无法在线监测发变电站接地网的腐蚀深度及电气性能参数的难题。

Description

发变电站接地网在线监测装置

技术领域

本实用新型涉及一种发变电站接地网在线监测装置。

背景技术

变电站接地网对于电力***的可靠运行和工作人员的人身安全起着重要作用。但由于接地装置被腐蚀现象的普遍存在，导致接地体截面减小、电气性能恶化，从而直接危及电网的安全稳定运行。因此，进行接地网状态在线监测，随时了解接地电极在土壤中的腐蚀情况与接地网的电气性能，及早发现问题以采取相应的防护措施，防患于未然，这对接地装置的维护显得十分迫切和重要。

然而，目前电力***对接地网的检测是通过测量直接注入接地网的大电流和接地网电压来进行接地参数的人工测量或者采用开挖检查来估计接地网的腐蚀状况，设施相当笨重，不易移动，不便于定期检测，更谈不上在线监测，同时，用传统的、凭借经验开挖几处的检查方法很难准确判断整个接地网的腐蚀状况。

实用新型内容

为克服现有接地网腐蚀检测设备笨重，不便于定期检测、无法实现在线监测的技术问题，本实用新型提供了一种精度较高、使用方便的发变电站接地网在线监测装置。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案：包括状态传感器、信号源、控制开关、比较放大器、运算放大器1、功率放大器、运算放大器2、运算放大器3、运算放大器4、差动放大器、电阻测量装置、转换器A/D₁、转换器A/D₂、转换器A/D₃、转换器A/D₄、单片机、转换器D/A₁、转换器D/A₂、滤波器、光电开关，所述信号源的输入端经转换器D/A₁、转换器A/D₂与单片机相连，转换器D/A₁的输出控制信号源输出信号的幅值，转换器D/A₂的输出控制信号源输出信号的频率，信号源的输出端与控制开关1相连，控制开关1的控制端与单片机相连，控制开关1的两个输出端分别接比较放大器、运算放大器1的输入端，比较放大器、运算放大器1的输出端接功率放大器的输入端，运算放大器2的输入端接参比电极、运算放大器2的输出端接比较放大器的一个输入端，功率放大器的输出端接控制开关2的输入端，控制开关2的控制端与单片机相连，控制开关2的输出端与差动放大器的一个输入端及取样电阻一端相连，取样电阻的另一端与差动放大器的另一个输入端及状态传感器的辅助电极相连，差动放大器的输出经滤波器、转换器A/D₁后送到单片机，运算放大器3的一个输入端接地，另一个输入端与辅助电极、电阻测量装置相连，运算放大器3的输出经滤波器、转换器A/D₂后送到单片机，运算放大器4的一个输入端接参比电极，另一个输入端与研究电极一起接地，运算放大器4的一路输出经滤波器、转换器A/D₃后送到单片机，另一路输出经光电开关送到单片机，电阻测量装置的输出经转换器A/D₄送到单片机。

本实用新型的技术效果在于：本实用新型将一定数量的状态传感器埋设于接地网所在区域的土壤中，用状态传感器电极的腐蚀过程来模拟相应区域中接地网接地电极的腐蚀过程，以此监测整个接地网电极的腐蚀情况，这种监测装置不仅克服了现有接地网检测与评估中工作量大、测量设施笨重、操作不方便等缺点，而且可以对发变电站接地网的腐蚀深度和电气性能参数进行在线监测，对接地网的安全性进行实时评估，并可实现接地网腐蚀速率与电气性能参数等历史数据的查询，为发变电站接地网的检测与评估提供了一种全面、有效、经济、实时的解决方法。另外，本实用新型运用带阻滤波、低通滤波等方法有效去除土壤中的干扰信号对测试信号的真实性和检测准确率的影响，从而实现传感器电极腐蚀速率的准确测量，提高了在线监测的精度。

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

附图说明

图1为本实用新型的结构图。

图2为本实用新型中状态传感器的结构图。

图3为本实用新型中状态传感器的三电极等效电路图。

图4为本实用新型中状态传感器充电完毕后的三电极等效电路。

图5为本实用新型的软件***框图。

具体实施方式

参见图1，图1为本实用新型发变电站接地网在线监测装置的结构图。本监测装置包括状态传感器、信号源、控制开关、比较放大器、运算放大器1、功率放大器、运算放大器2、运算放大器3、运算放大器4、差动放大器、电阻测量装置、转换器A/D₁、转换器A/D₂、转换器A/D₃、转换器A/D₄、单片机、转换器D/A₁、转换器D/A₂、滤波器、光电开关。信号源采用幅值和频率都连续可调的方波发生器，比较放大器、功率放大器、取样电阻、运算放大器2和状态传感器构成了***的稳态测量部分，运算放大器1、功率放大器、取样电阻和状态传感器构成了***的暂态测量部分，运放3、运放4和滤波器电路完成对信号的滤波处理，转换器A/D₁、转换器A/D₂、转换器A/D₃、转换器A/D₄完成数据的采集，单片机完成数据采集、运算、处理等功能，转换器D/A₁、转换器D/A₂完成***对信号源输出信号的频率和幅值的控制、调节。

本实用新型中状态传感器的结构如图2所示。状态传感器采用三电极测量***，由研究电极t_y、辅助电极t_f和参比电极t_c组成。三个电极都采用与接地电极相同的材料构成，中间相对面留做电极研究面，其它层面由环氧树脂密封，电极之间由有机材料固定，电极上端引出导线，作为信号连接端。安装时，将传感器的三个电极埋于接地网所在区域的土壤中，埋设深度与接地网埋设深度相同。这样，当传感器三个电极处于和接地网接地电极相同性质的土壤中且接地电极上流散的电流亦与每个传感器电极之电流接近时，就可用传感器电极的腐蚀过程来模拟接地网接地电极的腐蚀过程，亦即接地电极的腐蚀速率与传感器电极的腐蚀速率相同。

图3为本实用新型中状态传感器的三电极等效电路图。图中R_s1为参比电极t_c与研究电极t_y表面之间的电阻；R_s2为参比电极t_c与辅助电极t_f表面之间的电阻；R_s3为研究电极t_y与辅助电极t_f之间的电阻；R_p为极化电阻；C_d为双层电容。

要测定金属电极的腐蚀速度，需要对被腐蚀金属电极进行极化，使它偏离自腐蚀状态，测定该电极对外加极化的响应，从而求出腐蚀参数。根据线性极化理论，在自腐蚀电位附近极化电流和极化电位之间存在着线性规律，所以对金属进行极化的时候是在自腐蚀电位的基础上再加上±10mV，以保证金属处于线性极化阶段。本实用新型中将方波信号外加于参考电极和研究电极之间。当方波信号的周期足够大，可以保证双层电容充电完毕时，双层电容相当于开路状态，其等效电路模型如图4。

施加于辅助电极和研究电极之间的方波信号的频率计算方法为：

由于双电层(C_d)充电效应，在每半个周期的开始阶段都处于暂态过程，要经过一段时间才能达到稳态。方波频率太高，达不到稳态极化信号就换向了，结果测得的极化电阻R_p偏低。相反，频率太低，单向极化时间过长，电极表面状态及周围介质变化的积累会增大，腐蚀电位也可能发生漂移。这些都将带来测量误差，所以频率的选择要适当，要待暂态波形基本达到稳态就进行采样和换向。

对于电化学反应控制的电极过程，达到稳态所需要的时间取决于电极的时间常数，随电极体系而定。方波半周期应为T_half≥5R_pC_d，因此方波频率应为 $f\≤\frac{1}{10R_p{C}_d}.$

对图3所示的传感器等效电路，当对其施加一个恒电位脉冲ε时，t时间的响应电流I_t可以表示为：

I_t＝V_t/R＝ε(C₀+C₁e^-t/τ)                                  (11)

式中：R为取样电阻

C₀＝1/[(R_s1+R_s3)//R_s2+R_p](Ω^-1)；

C₁＝R_p/{[(R_s1+R_s3)//R_s2][(R_s1+R_s3)//R_s2+R_p]}(Ω^-1)

$\mathrm{\τ}=\frac{C_d[(R_{s1}+R_{s3})//R_{s2}]R_p}{(R_{s1}+R_{s3})//R_{s2}+R_p}\left(s\right)$

在恒电位脉冲ε作用下的暂态响应I_t～t按以上公式进行曲线拟合得到合适的R_p、C_d。求出了R_p，C_d后，将其代入公式 $f\≤\frac{1}{10R_p{C}_d},$ 可计算得出方波频率。

传感器电极的腐蚀速率获取方法如下：

电阻R_s1、R_s2、R_s3以及腐蚀电位U₁₀在电极每次被充电前测得；参比电极和研究电极之间的电位U₁，辅助电极和研究电极之间的电流I在极化过程中测得。根据这些数据，可计算出极化电阻R_p，即：

U₁-U₁₀＝I₁R_s1+I_rR_p； $I_1=I_3=\frac{R_{s2}}{R_{s1}+R_{s2}+R_{s3}}\·I;$ I_r＝I；

由上式得出极化电阻R_p的表达式如下：

$R_p=\frac{U_1-U_{10}}{I}-\frac{R_{s1}{R}_{s2}}{R_{s1}+R_{s2}+R_{s2}}---\left(12\right)$

根据Stern-Geary公式， $I_{\mathrm{corr}}=\frac{B}{R_p},$ 其中： $B=\frac{b_a{b}_k}{2.3(b_a-b_k)},$ b_a是阳极反应的塔菲尔常数；b_k是阴极反应的塔菲尔常数；b_a、b_k可根据电化学特性计算，也可以从极化曲线的强极化区求得。

这样通过计算R_p，可以求出腐蚀电流I_corr，则腐蚀电流密度i_corr＝I_corr/S(S为电极有效面积)，根据i_corr可以换算成腐蚀速率v，其为：

$v=3.73\×{10}^{-4}\·\frac{M}{Z}\·i_{\mathrm{corr}}---\left(13\right)$

上式中：v为腐蚀速率(g/m²·h)；M为金属的摩尔质量(g/mol)；Z为金属的原子价；i_corr为腐蚀电流密度(μA/cm²)。

本实用新型中首先由控制开关2将功率放大器的输出与取样电阻断开，通过电阻测量装置和运算放大器3、运算放大器4获得状态传感器的电阻和自然腐蚀电位等参数，这些参数经过单片机运算处理后，可得出信号源应加信号幅值和频率的大小，然后单片机***在线计算确定转换器D/A₁、转换器D/A₂的输出值，即确定信号源输出方波的幅值和频率，信号源输出的方波信号通过控制开关控制其信号流向，然后再通过控制开关2使功率放大器的输出经取样电阻加到辅助电极，进行***的暂态数据测量和稳态数据测量。

暂态测量工作流程：接地网在线监测***在对状态传感器双层电容充放电过程测量时，属于暂态测量工作过程。具体过程为：控制开关1将信号源输出连接到运算放大器1的输入端，信号经过运算放大器1和功率放大器放大处理后，加到状态传感器上，完成电容的充放电响应过程。暂态测量的时间很短，必须在电容的充放电时间内完成数据的采样、处理。单片机***通过取样电阻和运算放大器3获得流经传感器的电流信号和传感器的电位信号，并进行采样和数据处理。

稳态测量工作流程：接地网在线监测***对状态传感器双层电容充放电结束后的数据测量属于稳态测量过程。具体过程为：控制开关1将信号源输出连接到比较放大器的输入端，信号经比较放大器和功率放大器放大处理后作用在状态传感器上，并通过运算放大器2反馈给比较放大器，完成一个闭环控制，从而自动调节作用在状态传感器上信号的大小，提高抗干扰能力。激励信号对传感器双层电容充电结束后，通过测量取样电阻的电位获得流经状态传感器的电流信号，通过运算放大器3和运算放大器4获得状态传感器电极电位信号，这些信号通过滤波器处理后，经转换器A/D₁、转换器A/D₂、转换器A/D₃采样电路采样送到单片机进行数据处理。

完成暂态和稳态数据测量后就完成了一个周期的数据测量，其数据经单片机综合计算处理后，可获得传感器电极的腐蚀速率。

但以上测量中会遇到的障碍是：流经接地网土壤中的工频电流、冲击电流会对信号检测造成强干扰。因此，必须采取相应的方法去除干扰，以保证测量结果的准确性。在此，对于50HZ工频电流，采用带阻滤波方法将其滤除；对于冲击电流来说，其幅值可能很大，会引起土壤放电，但其等效频率又比工频高的多，故可采用既耐压又能滤除冲击噪声的低通滤波方法有效去除工频电流、冲击电流等对信号检测所造成的干扰。

此外，在计算机***处理数据之前，先对采样数据进行平滑处理，以消除采样数据时带来的随机误差，即通过计算机按照预先编好的程序对等时间间隔中采集到的一组足够密集的数据逐点进行平滑，其按照数据点发展的趋势，根据最小二乘原理推导出平滑公式，对于采集的随时间变化的信号，效果比多次观测实验数据取平均值的方法好的多。

由单片机***在线计算得到传感器电极的腐蚀速率后，以此作为相应区域内接地电极的腐蚀速率，再据此计算与之对应的接地网电气性能参数并对接地网进行安全性评估，具体方法与步骤为：

通过腐蚀速率对时间的积分，求得各区域接地体的腐蚀深度，取整个区域内接地体腐蚀深度的最大值、平均值、最小值作为接地网的最大腐蚀深度、平均腐蚀深度以及最小腐蚀深度；

由最大腐蚀深度、平均腐蚀深度、最小腐蚀深度以及接地体的设计几何尺寸计算出接地体的实际几何尺寸(即各接地电极的长度和横截面的长和宽)的最大值、平均值、最小值，由此计算各接地体横截面面积的最大值、平均值、最小值，分别为S_amax、S_aav、S_amin；

依据各接地体之S_amax、S_aav、S_min，求取各接地体横截面等效半径的最大值、平均值、最小值，分别为r_amax、r_aav、r_amin；

根据各接地电极的实际长度及各接地体横截面等效半径的最大值、平均值、最小值，利用接地网数值计算方法计算接地网接地电阻的最大值、平均值、最小值及相应的地表电位分布，再由接地网最大跨步电压与最大接触电压的定义式，计算最大跨步电压与最大接触电压的最大值、平均值、最小值；

根据接地网接地电阻、最大跨步电压与最大接触电压的设计允许值，对接地网的安全性能进行评估：当各项计算电气性能参数的最小值均超过其设计允许值时，接地网的安全性能为不合格；当部分计算电气性能参数的最小值及各项计算电气性能参数的平均值均超过其设计允许值时，接地网的安全性能为不合格；当各项计算电气性能参数的平均值均小于其设计允许值，但部分计算电气性能参数的最大值大于其设计允许值时，接地网的安全性较差，须启动相应的防护措施；当各项计算电气性能参数的最大值均小于其设计允许值时，接地网的安全性能为合格。

图5为本实用新型的软件***框图，软件***主要由数据采集子***、数据处理子***、数据查询子***、人机界面子***、通讯子***等五个部分组成。

Claims (1)

1.一种发变电站接地网在线监测装置，包括状态传感器、信号源、控制开关、比较放大器、运算放大器1、功率放大器、运算放大器2、运算放大器3、运算放大器4、差动放大器、电阻测量装置、转换器A/D₁、转换器A/D₂、转换器A/D₃、转换器A/D₄、单片机、转换器D/A₁、转换器D/A₂、滤波器、光电开关，其特征在于：信号源的输入端经转换器D/A₁、转换器A/D₂与单片机相连，转换器D/A₁的输出控制信号源输出信号的幅值，转换器D/A₂的输出控制信号源输出信号的频率，信号源的输出端与控制开关1相连，控制开关1的控制端与单片机相连，控制开关1的两个输出端分别接比较放大器、运算放大器1的输入端，比较放大器、运算放大器1的输出端接功率放大器的输入端，运算放大器2的输入端接参比电极、运算放大器2的输出端接比较放大器的一个输入端，功率放大器的输出端接控制开关2的输入端，控制开关2的控制端与单片机相连，控制开关2的输出端与差动放大器的一个输入端及取样电阻一端相连，取样电阻的另一端与差动放大器的另一个输入端及状态传感器的辅助电极相连，差动放大器的输出经滤波器、转换器A/D₁后送到单片机，运算放大器3的一个输入端接地，另一个输入端与辅助电极、电阻测量装置相连，运算放大器3的输出经滤波器、转换器A/D₂后送到单片机，运算放大器4的一个输入端接参比电极，另一个输入端与研究电极一起接地，运算放大器4的一路输出经滤波器、转换器A/D₃后送到单片机，另一路输出经光电开关送到单片机，电阻测量装置的输出经转换器A/D₄送到单片机。

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