CN201138368Y

CN201138368Y - 一种变电站接地网缺陷诊断装置

Info

Publication number: CN201138368Y
Application number: CNU2007201384216U
Authority: CN
Inventors: 刘洋; 崔翔
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2007-12-28
Filing date: 2007-12-28
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2017-12-28

Abstract

一种变电站接地网缺陷诊断装置，属检测技术领域。用于解决变电站接地网缺陷诊断问题。其技术方案是，它由探测信号发生部分和信号探测部分组成，所述探测信号发生部分为激励源，激励源采用正弦波发生器，其信号输出端接于地网的两下引导体之间；所述信号探测部分包括探测线圈、信号处理电路和采集分析***，所述探测线圈的信号输出端接信号处理电路的输入端，信号处理电路的输出端接采集分析***的输入端。本实用新型结构简单，可在变电站正常运行的情况下，快速、准确地对地网缺陷进行诊断，可满足实际现场的测量与诊断要求。

Description

一种变电站接地网缺陷诊断装置

技术领域

本实用新型涉及一种能在变电站正常运行的情况下，高效、简便、准确地诊断变电站接地网缺陷的装置，属检测技术领域。

背景技术

接地网在变电站安全运行中起着十分重要的作用，它不仅为变电站内各种电气设备提供一个公共的参考地，在***故障和雷电防护时还能迅速***故障电流并降低变电站内的地电位升，保护变电站内工作人员的人身安全和各种电气设备的安全和正常运行。接地装置一般为网格状的接地体，常常利用扁钢、圆钢、角钢、钢管或铜质材料等焊接组成网格，该网格常常埋于地下0.6～1米的深度，以便实现均压、散流和减小接地电阻的作用，根据需要在不同的网格位置处有接地导体与地面的电气设备相连。当变电站发生短路或遭受雷击等故障时，瞬间的大电流经接地网分散入地，接地电阻越小，接地网的电位升就越低，这样地表的电位以及与接地网相连的电气设备的电位就低，从而保护电气设备和变电站内工作人员的人身安全。但是钢质材料的接地网，在多雨和沿海地区，随着使用年限的增加，易发生腐蚀，可能使接地导体变细甚至断裂，破坏了接地网的原有结构，降低了接地性能，丧失了保护功能。

近年来，查找接地网断点和严重腐蚀段已成为电力部门一项重大的反事故措施。电力部门诊断接地网腐蚀或断裂缺陷的常用方法就是过一定年限后抽样挖开检查，根据变电站处土壤的大致结构和腐蚀率，凭经验估计接地网网格导体的腐蚀程度。这种方法具有盲目性，工作量大，需要消耗大量的人力、物力和财力，同时还受到现场运行条件的制约，很难准确的诊断接地网缺陷。

目前也出现了一些较为先进的诊断方法，多是基于电路和网络理论分析，依赖可触及上引导体间电阻的测量，即利用接地网的拓扑结构和接地引线间电阻的测量数据，建立接地网的腐蚀诊断方程，通过求解诊断方程得到接地网支路导体的变化值，利用分析软件和正常接地网的情况进行比较，进而判断接地网的腐蚀程度。然而，当局部出现严重腐蚀或断点时，由于两部分接地网间的互电阻作用，准确测量引线间电阻值是十分困难的，这种方法用于工程实际具有一定的局限性。也有采用电磁场的诊断方法，通过测量接地网地表的电位差进行接地网的故障诊断，但对于变电站这种网状接地网结构，当接地网导体局部腐蚀或出现小断口时，地表电位变化较小，在实际工程中，通过测量地表电位差分析变电站接地网导体的腐蚀状态和寻找断点也是困难的。

发明内容

本实用新型用于克服现有技术的缺陷、提供一种诊断效率高、操作简便、测量准确的变电站接地网缺陷诊断装置。

本实用新型所称问题是以下述技术方案实现的：

一种变电站接地网缺陷诊断装置，它由探测信号发生部分和信号探测部分组成，所述探测信号发生部分为激励源5，激励源采用正弦波发生器，其信号输出端接于地网的两下引导体之间；所述信号探测部分包括探测线圈L、信号处理电路和采集分析***C，所述探测线圈L的信号输出端接信号处理电路的输入端，信号处理电路的输出端接采集分析***的输入端。

上述变电站接地网缺陷诊断装置，所述激励源5由依次连接的信号发生器、功率放大电路和阻抗变换器组成，所述阻抗变换器由环形纳米晶铁芯、原边线圈和具有多个抽头的副边线圈组成。

上述变电站接地网缺陷诊断装置，所述信号处理电路由仪表放大器YF、工频陷波器XB、带通滤波器LB以及锁相放大器SXF组成，所述仪表放大器YF的输入端接探测线圈L，输出端依次经工频陷波器XB、带通滤波器LB和锁相放大器SXF接采集分析***C，锁相放大器SXF的参考信号输入端S接激励参考信号，带通滤波器LB的时钟信号输入端f_CLK接脉冲信号发生器输出端。

上述变电站接地网缺陷诊断装置，所述工频陷波器XB由两个运算放大器、电阻、电容以及电位器W组成，两个运算放大器分别是第一运算放大器F1和第二运算放大器F2，均接成电压跟随器；电阻、电容接成陷波网络，其中，第一电阻R1、第二电阻R2串联连接后接于仪表放大器YF的输入端与第一运算放大器F1的正向输入端之间，它们的串接点经第三电容C3接第二运算放大器F2的输出端，第一电容C1、第二电容C2串联连接后也接于仪表放大器YF的输入端与第一运算放大器F1的正向输入端之间，它们的串接点经第三电阻R3接第二运算放大器F2的输出端，第一运算放大器F1的输出信号经电位器W分压后接第二运算放大器F2的正向输入端，第一运算放大器F1的输出端接带通滤波器LB的信号输入端。

上述变电站接地网缺陷诊断装置，所述带通滤波器LB采用LTC1068/50，LTC1068/50接成8阶滤波器，其信号输入端INVA接工频陷波器XB的输出端，时钟信号输入端f_CLK接脉冲信号发生器的输出端，其BDP和HPD/HD端的输出信号接锁相放大器SXF的输入端。

本实用新型利用异频的正弦波激励源，直接向地网注入激励电流，利用探测线圈L测量注入电流在地表激发的磁感应强度分布，同时仿真计算接地网正常情况下的地表磁感应强度分布，然后将测量结果与仿真计算结果进行比较，根据两者的差异，诊断接地网腐蚀变细或断裂缺陷的具***置和程度。正弦波激励源输出端增设阻抗变换器，用于解决激励源和接地网负载之间的阻抗匹配问题，提高信噪比；采用异频的正弦波激励源可避开工频、谐波等干扰，提高测量精度。信号处理电路由仪表放大器、工频陷波器、带通滤波器以及锁相放大器组成，有效地抑制了现场的电磁干扰，提高了测量准确性。本实用新型操作简便，可在变电站正常运行的情况下，快速、准确地对地网缺陷进行诊断，能够满足实际现场的测量与诊断要求。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步详述。

图1为激励源连接示意图；

图2为本实用新型测量方法示意图；

图3为诊断用激励源***原理结构示意图；

图4是阻抗变换器和负载的等效电路图；

图5为信号处理电路的电原理图；

图6为工频陷波器的电原理图；

图7为带通滤波器的电原理图；

图8为诊断程序流程框图；

图9为实施例220kV变电站主接地网俯视图；

图10为实施例故障前接地网局部磁感应强度地表分布图；

图11为故障后接地网局部磁感应强度地表分布图。

图中各标号为：1、地网，2、同轴电缆，3、信号处理电路及分析***，4、地面，5、激励源，YF、仪表放大器，XB、工频陷波器，LB、带通滤波器，SXF、锁相放大器，C、采集分析***，F1、F2、运算放大器，L、探测线圈，IC1、带通滤波器集成电路，C1～C3、电容，R1～R6、电阻，C₁、初级线圈分布电容，C′₂、次级线圈分布电容折合至初级的值，r₁、初级线圈的铜阻，r′₂、次级线圈铜阻折合至初级值，L₁、初级线圈的漏感，L′₂、次级线圈漏感折合至初级值，L₀、激励电感，R′_L、次级负载电阻折合至初级值。

具体实施方式

本实用新型的改进包括以下方面：

1)采用异频的正弦波激励源，通过变电站接地网的两下引导体，直接注入激励电流；

2)基于电磁感应原理和锁相放大技术，利用探测线圈将接地网网格导体在地表激发的磁感应强度转变为感应电压信号，在变电站复杂电磁环境下，对信号进行滤波、锁相放大和提取处理，进而得到注入电流在地表激发的磁感应强度分布；

3)基于有限元法和毕奥萨法尔定律等电磁理论，仿真计算接地网正常情况下的地表磁感应强度分布；将测量结果与仿真计算结果进行比较，根据地表磁感应强度分布的特征，诊断接地网网格导体腐蚀或断裂的缺陷。

本实用新型的检测激励电源可采用正弦波和占空比可调的脉冲信号两种工作方式，工作频率可以在10～50kHz范围内调节，输出电流0～50A，输出电压0～350V，负载范围0.2～10Ω，总功率2.5kW，可以在大电流工作状态下连续工作，满足了变电站接地网接地性能检测与故障诊断的多种需要。

激励电源主要由信号发生器、功率放大器、阻抗变换器和供电电源四部分组成，其结构原理图如图3所示。信号发生器用于产生波形信号和频率调节，功率放大电路用于信号的功率放大，输出驱动电流，阻抗变换器用于功率输出级和接地网负载之间的阻抗、电流或电压变换。

对功率放大电路的要求为：工作频率在10Hz～50kHz的频带内；输出信号频率和电流能连续调节，能够连续工作。针对上述要求，本实用新型采用线性功率放大技术，其电路包括输入级、推动级和输出级，末级输出采用10对大功率晶体管组成互补推挽并联的输出形式。

由于接地网检测的负载有时仅零点几欧姆，因此，在激励源输出端加接阻抗变换器。阻抗变换器磁芯采用环形纳米晶铁芯，阻抗变换器采用四种变比2∶1、1∶1、2∶3和1∶2的抽头，以满足不同的测量需要。

本实用新型在变电站复杂电磁环境下，基于锁相放大技术和带通中心频率可调的带通滤波器，通过与激励信号频率的配合调节，能够有效地抑制现场的电磁干扰，避开主要干扰频点，使测量精度和分辨率能够满足缺陷诊断要求。

本实用新型在接地网上注入异频的正弦波激励电流、探测地表磁感应强度的分布，根据分布特征诊断接地网导体的状态，如果在某段导体上方地表磁感应强度发生明显变化或跌落，说明该段导体腐蚀严重或出现了断点。

由于信号频率对接地网导体阻抗和土壤漏电流的影响，在2kHz以内的频段内磁感应强度较强，约为200～250nT，而几千赫兹以上时，下降较快。注入激励电流越大，地表磁感应强度越强，测量时信噪比高，越易检测。一般取100～1kHz，2～50A的电流可满足测试需要。

参看图6，采用双T网络构成50Hz陷波电路，通过W可以调整电路的Q值。

参看图7，时钟脉冲f_CLK用于控制和调节带通中心频率，R5、R6为输出耦合电阻。

因变电站的电磁环境十分复杂，工频干扰可达几十微特(μT)，同时还存在谐波、刀闸开关以及线路电流变化等引起的电磁干扰，为了能够有效的检测地表的磁场分布，首先利用探测线圈将地表磁感应强度信号转变为感应电压信号，采用仪表运放作为缓冲级，用于抑制共模干扰和阻抗变换，工频陷波电路抑制50Hz强干扰，通过对信号进行工频陷波、滤波、锁相放大等技术处理后，利用数据采集***将测量结果存入计算机，工频陷波电路对50Hz的陷波深度应达到50dB，带通滤波电路在±10Hz处衰减约3dB，在±45Hz处衰减为25dB，在±90Hz处衰减达到50dB，经过陷波和滤波处理后，必须能够抑制工频干扰；带通滤波器的通带带宽较窄，且中心频率可连续调节，其中心频率可在200～900Hz范围内调节，根据测量现场的实际电磁背景设置适宜的激励信号频率和接收***的中心频率，便可以有效的提取到有用信号。

本实用新型将地表磁感应强度测量结果与接地网性能分析专用软件CDEGS的仿真计算结果进行对比分析，根据地表磁感应强度的分布特征，显示故障点位置和缺陷程度，其软件流程图如图10所示。

采用本实用新型诊断***在模拟地网和多个220kV变电站进行现场测试，其诊断结果与实际情况非常一致，误差在5％以内，能够快速有效地诊断接地网网格导体的断裂缺陷。

本实用新型的一个应用实例是：

图9为某220kV变电站主接地网俯视图，x、y方向分别有11根接地导体，每根导体长100m，直径12mm，分为10段，每段10m，接地导体电阻率ρ＝1.78×10^-7Ω·m，相对磁导率μ＝200；地网埋深0.8m，土壤分为两层，第一层电阻率为80Ω·m，厚度5m，第二层213Ω·m。从图9中A(50，50)点注入5A，频率260Hz的正弦波信号，从B(100，0)点抽出，图10是正常情况下，地表磁感应强度的仿真计算结果，在图9中点C(65，20)处人为设置一个1m的断口，同时在D(90，35)处锯开一个1mm断口，再次进行测量，图11示出了接地网出现缺陷后地表磁感应强度的分布情况。对于无缺陷的接地网，从图10可以发现，地表磁感应强度分量B_x的分布呈现出一定的规律性，除了电流注入与抽出点附近的B_x较大以外，沿X方向每根导体地表的B_x分布相对较均匀，沿Y方向呈波浪式起伏，一旦接地网局部导体发生腐蚀或断点，势必改变这种分布特征，这就为诊断提供了参考。在实际测量中，可以结合接地网上引导体的实际位置，选择适宜的上引导***置作为激励电流的注入和抽出点。图11表明当某段导体出现断点或腐蚀变细到一定程度时，该导体地表区域磁感应强度变化非常明显，根据磁感应强度与邻近区域的差异程度，就可以确定接地网网格导体的缺陷程度和位置。

本实用新型除应用于变电站接地网腐蚀等缺陷诊断外，还可以广泛应用于发电厂、大型建筑物、通讯塔等接地工程竣工后对漏焊和虚焊的有效检测手段，确保施工质量以及减少日常维护的盲目性。

图5中，仪表放大器的型号是：AD620，锁相放大器的型号是：ND201。

Claims

1、一种变电站接地网缺陷诊断装置，其特征是，它由探测信号发生部分和信号探测部分组成，所述探测信号发生部分为激励源(5)，激励源采用正弦波发生器，其信号输出端接于地网的两下引导体之间；所述信号探测部分包括探测线圈(L)、信号处理电路和采集分析***(C)，所述探测线圈(L)的信号输出端接信号处理电路的输入端，信号处理电路的输出端接采集分析***的输入端。

2、根据权利要求1所述变电站接地网缺陷诊断装置，其特征是，所述激励源(5)由依次连接的信号发生器、功率放大电路和阻抗变换器组成，所述阻抗变换器由环形纳米晶铁芯、原边线圈和具有多个抽头的副边线圈组成。

3、根据权利要求1或2所述变电站接地网缺陷诊断装置，其特征是，所述信号处理电路由仪表放大器(YF)、工频陷波器(XB)、带通滤波器(LB)以及锁相放大器(SXF)组成，所述仪表放大器(YF)的输入端接探测线圈(L)，输出端依次经工频陷波器(XB)、带通滤波器(LB)和锁相放大器(SXF)接采集分析***(C)，锁相放大器(SXF)的参考信号输入端S接激励参考信号输出端，带通滤波器(LB)的时钟信号输入端f_CLK接时钟脉冲发生器输出端。

4、根据权利要求3所述一种变电站接地网缺陷诊断装置，其特征是，所述工频陷波器(XB)由两个运算放大器、电阻、电容以及电位器(W)组成，两个运算放大器分别是第一运算放大器(F1)和第二运算放大器(F2)，均接成电压跟随器；电阻、电容接成陷波网络，其中，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)串联连接后接于仪表放大器(YF)的输入端与第一运算放大器(F1)的正向输入端之间，它们的串接点经第三电容(C3)接第二运算放大器(F2)的输出端；第一电容(C1)、第二电容(C2)串联连接后也接于仪表放大器(YF)的输入端与第一运算放大器(F1)的正向输入端之间，它们的串接点经第三电阻(R3)接第二运算放大器(F2)的输出端；第一运算放大器(F1)的输出信号经电位器(W)分压后接第二运算放大器(F2)的正向输入端，第一运算放大器(F1)的输出端接带通滤波器(LB)的信号输入端。。

5、根据权利要求3所述变电站接地网缺陷诊断装置，其特征是，所述带通滤波器(LB)采用LTC1068/50，LTC1068/50接成8阶滤波器，其信号输入端INVA接工频陷波器(XB)的输出端，时钟信号输入端f_CLK接脉冲信号发生器的输出端，其BDP和HPD/HD端的输出信号接锁相放大器(SXF)的输入端。