刘 洋

(华北电力大学数理学院,河北保定071003)

1 引 言

在电力系统中,接地网是变电站安全运行的重要保证,对保护站内工作人员的人身安全和各种电气设备的正常运行至关重要,其接地性能一直受到生产运行部门的重视.接地网的工频接地参数和设计问题受到广泛关注[1-8].然而,对于钢质材料的接地网,在我国多雨和沿海地区,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,破坏接地网的原有结构,降低接地网的接地性能,当系统遭受雷击或发生短路故障时可能造成事故扩大,危及设备和工作人员的人身安全.近年来,查找接地网的缺陷部位成为电力部门一项重大的反事故措施.在对年限较久的变电站接地网进行诊断时,有时会遇到接地网图纸数据丢失,或出现接地网实际结构与图纸存在较大误差的情况.本文通过磁场检测方法,研究在没有接地网图纸的情况下,如何准确判定地下接地网的位置和结构的方法,及通过测量地表面磁感应强度的分布,如何确定接地网结构的具体步骤.利用电磁学的基本原理,研究接地网结构的判断方法,使得物理知识的学习灵活扎实,使学生对物理的兴趣得以培养,科学探索方法得以引导.

2 基本原理和判断方法

2.1 基本原理

接地网通常埋于地下0.6～1 m,采用网格状结构,如图1所示.

图1 激励电流的注入

由于接地网埋于地下,常常在不挖开的情况下,通过无损检测的方法诊断断裂部位[9-12].图1中,首先通过地表与接地网的引线直接注入激励电流,然后用探测线圈探测地表的磁场.为了研究方便,以图2所示的模型为例分析其诊断原理.在图2中,当点 E(10,0)处注入激励电流,并从点F(10,30)处抽出时,忽略土壤漏电流的影响,依据电路和网络理论,利用基尔霍夫节点或环路电流定律可以求得各段网格导体中的支路电流和流向[13].

式中左侧是一个系数矩阵,Ilk为各支路电流,Isk为激励电流.

根据毕奥-萨法尔定律,任一支路电流在地表场点激发的磁感应强度可按下式计算

图2 接地网模型

式中Blk为支路电流在地表场点激发的磁感应强度,r为激励元电流源点与地表场点间的位置矢量.再利用矢量的叠加与分解原理即可以获得地表任一场点的总磁感应强度及其分量.

诊断方法的基本思路是通过对变电站接地网的2根上引线向接地网直接注入异频正弦波电流,基于电磁感应原理,利用磁感应强度测量系统检测接地网导体支路电流在地表面上激发的磁感应强度,依据磁感应强度的分布特征和变化规律确定接地网结构和网格导体的缺陷状态.

2.2 仿真计算

为了判定接地网的结构和缺陷,通过仿真计算来说明具体的判断方法和原理.直接应用课题组开发的接地网接地性能分析软件[11],对所述诊断方法进行可行性分析和可靠性检验.图3为计算分析模型,假设 x,y方向分别有11根接地导体,每根导体长100 m、直径12 mm.计算时将每根导体分为10段、每段10 m,接地导体电阻率为1.78×10-7Ω·m,相对磁导率为200,接地网埋深0.8 m;土壤水平分为2层,第一层厚5 m,土壤电阻率为8 0Ω·m,第二层土壤电阻率为200Ω·m.

图3 接地网仿真计算模型

仿真计算如下进行,首先从图3中 P(50,0)点处注入10 A,380 Hz的正弦波电流,从 Q(50,100)点抽出.计算结果以地表面上沿 x=40 m和y=60 m两个方向的磁感应强度分量Bx的分布为例,如图4所示.

从图4结果看,Bx分布具有一定的规律性:1)靠近电流注入与抽出点的地表邻近区域,Bx的值较大;2)垂直于 PQ段导体电流方向的导体地表面Bx分布呈现波浪式变化,且每根导体上方对应出现一个峰值;3)平行于 PQ段导体电流方向的导体地表面Bx的变化较平缓,正常情况下,一般不存在突变和明显跌落的现象.

图4 磁感强度分量Bx的分布

2.3 判断接地网结构的判据和步骤

在接地网图纸未知的情况下,通过地表面磁感应强度分量的有限测量,依据垂直于接地网导体电流方向,每个峰值下方将有1根导体存在的规律,寻找接地网的结构.向接地网注入电流后,分别沿 x和y方向测量接地网地表面磁感应强度的分布,并记下每个方向上出现峰值的位置,根据分布规律可以反推出地下接地网有无导体以及导体的走向,从而确立接地网的结构.判断方法按以下4个步骤进行:

1)利用地表面已有的下引导体线,向接地网注入电流.

2)以电流注入点为原点构建直角坐标系.

3)分别沿 x和y方向测量地表面磁感应强度,并同时记录出现峰值的位置坐标.

4)依据测量结果,根据峰值坐标反推接地网结构,并绘制出接地网结构图.

3 接地网结构判断实验

为了检验判断接地网结构方法的有效性,进行如下实验.实验是在华北电力大学二校区试验接地网上进行的.通过现有2根上引导体注入300 Hz正弦波电流,地表回流线长度100 m.调整电流源的输出电流和接收测量系统的增益,观察输出波形,在能够分辨信号且不失真的情况下,实施测量.以电流注入点为原点,建立坐标系如图5所示.分别随机按图5中 x=10 m,x=25 m和 y=10 m,y=20 m处,利用测量小车装载的测量系统,在接地网地表面进行磁感应强度分量的测量,同时记录位置坐标.由于垂直于导体支路电流方向上的地表面磁感应强度较强,测量中主要针对这一分量进行测量,测量得到的 x和y位置坐标及磁感应强度分量值如图6所示.

图5 按注入点建立的坐标系

因为地表面每个磁感应强度分量峰值对应埋入地下的1条接地网导体,根据图6(a)可判断,在图5坐标系中,对应 y=0,6,12,18,24,30 m处存在沿 y方向分布的接地网导体.根据图6(b)可以判断,在图5坐标系中,对应 x=0,6,12,18,24,30 m处存在沿 x方向分布的接地网导体.据此,可以在图5中,以原点 O(0,0)为起点,分别绘出沿 x和y方向的导体线,可得到如图7(a)所示的接地网结构图.为了验证判断结果的正确性,把判断出的接地网结构与实际铺设情况进行比较.接地网实际铺设情况如图7(b)所示,二者基本相符,证实了通过测量地表面磁感应强度的分布推断接地网结构的方法是可行的.

图7 接地网结构

4 结束语

为使学生更好地理解和掌握电磁学的有关概念和规律,体现如何应用物理理论来分析和解决工程问题,把实际问题抽象成物理模型,利用物理原理进行分析研究.教学科研相结合,通过变电站接地网结构判断实验,提高了学生的学习兴趣,激发了他们的求知欲,符合综合素质培养的教学原则.

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