[发明专利]基于地表电位的变电站接地网腐蚀检测系统及方法

摘要

本发明涉及一种基于地表电位的变电站接地网腐蚀检测系统及方法，包括：一电流注入装置，其与接地网任一可及节点连接，向接地网注入异于工频的正弦交流电流，该交流电流通过接地网任一可及节点注入；一电位探针，其位于接地网导体地表正上方，用于测量导体地表正上方地表上的电位分布，检测地表的电位信号，并滤除工频干扰；一信号测试模块，其与电位探针连接，用于接收电位探针传输的电位信号，对其进行滤波与放大，并计算、存储对应于注入电流频率的电位分量；一分析显示终端，其与信号测试模块连接，用于接收信号测试模块传输的电位数据。与现有技术相比，本发明具有保障变电站安全稳定运行等优点。

主权项

1.一种基于地表电位的变电站接地网腐蚀检测系统的方法，其特征在于，所述的系统包括：一电流注入装置，其与接地网任一可及节点连接，向接地网注入异于工频的正弦交流电流，该交流电流通过接地网任一可及节点注入；一电位探针，其位于接地网导体地表正上方，用于测量导体正上方地表上的电位分布，检测地表的电位信号，并滤除工频干扰；一信号测试模块，其与电位探针连接，用于接收电位探针传输的电位信号，对其进行滤波与放大，并计算、存储对应于注入电流频率的电位分量；一分析显示终端，其与信号测试模块连接，用于接收信号测试模块传输的电位数据；所述的电流注入装置包括：一电流信号发生器，用于提供接地网的注入电流；一耦合变压器，其与电流信号发生器相连接，用于接收注入电流并输出与接地网阻抗相匹配的输入电流至接地网的可及节点；所述的方法包括以下步骤：(1)利用电流注入装置向接地网注入异于工频的正弦交流电流，使用电位探针测量变电站接地网导体上方地表的电位分布，将电位信号经信号测试模块进行滤波放大及计算后得到接地网地表电位实测数据，再将这些数据传输至分析显示终端，分析显示终端计算分析接地网地表电位数据，并绘制接地网导体上方地表电位分布曲线；(2)分析显示终端根据变电站接地网的拓扑结构与电流注入点，使用数值计算方法计算变电站接地网的地表电位；(3)分析显示终端将接地网导体上方地表电位的理论计算结果与实测结果进行比较；对同一接地导体，分别绘制该段导体上方理论计算结果的地表电位分布曲线与实测结果的地表电位分布曲线，若某导体存在连续测点的地表电位同时增大或减小，则认为该导体的地表电位分布发生改变；进而筛选出所有地表电位分布发生改变的导体段，观察导体段所在位置；若其中某些导体段互相连接形成设定区域，则认为以这些导体段为矩形边的区域内存在故障点，判定该区域为故障区域；对于故障区域内的接地导体，分别计算该段导体上方地表电位理论计算曲线与实测曲线的灰色绝对关联度指标，若某段导体地表电位曲线的灰色绝对关联度指标小于0.9，则认定该段导体存在明显的腐蚀故障；所述的变电站接地网地表电位计算具体如下：2a.将节点数目为m的接地网分为n段导体，计算这n段导体之间的互阻抗矩阵R，其中，矩阵元素R_ij表示i段导体和j段导体之间的互阻抗，其计算公式为：式中，σ_E为土壤电导率；ε₀为真空介电常数；ε_r为土壤相对介电常数；ε_E＝ε₀·ε_r为土壤介电常数；l_i与l_j分别为第i段及第j段导体长度；l_i'为第i段导体的镜像长度；D_i,j为将第i段与第j段导体之间的距离；D_i',j为将第i段导体镜像与第j段导体之间的距离；2b.使用T型等效电路分别表示这n段导体，即1段导体对应1个T型等效电路，所述的T型等效电路由第i段导体的自电感L、自电阻Z₀、第i段和第j段导体之间的互感M、第i段导体的对地电容C和对地电导G组成，其中i＝1,…,n，j＝1,…,n；经T型电路等效后，所述接地网共有m+n个节点及2n段导体；2c.计算接地网经T型等效电路等效后各段导体的关联矩阵A，其中，关联矩阵A的行对应于接地网经T型等效电路等效后的节点数目m+n，关联矩阵A的列对应于支路数目2n，关联矩阵A中的任意元素a_i,j的定义为：2d.计算经T型等效电路等效后具有m+n个节点和2n条支路的接地网的阻抗矩阵Z，其计算公式为：式中，M_i,j为接地网各支路经T型等效后的互感矩阵；k_i为经T型等效后第i段导体长度，其中i＝1,…,2n；h_i,j为第i段导体与第j段导体之间的距离；Z_0i为第i段导体的内阻抗；μ₀为土壤磁导率，并假设土壤和空气磁导率相同；μ＝μ₀μ_r为导体磁导率；μ_r为导体相对磁导率；ρ_c为导体电阻率；r₀为导体半径；I₀(γr₀)、I₁(γr₀)分别为零阶及一阶贝塞尔函数；2e.根据关联矩阵A和阻抗矩阵Z计算节点导纳矩阵，为Y_n+m＝AZ^‑1A^T；根据互阻抗矩阵R计算导纳矩阵，为G＝R^‑1；2f.计算接地网导体n段导体的中点电位和节点电位这可通过求解接地网数学模型的基本方程得到，所述的接地网数学模型的基本方程为：式中，G为n×n矩阵；为n个中点电位列向量；为m个节点列向量；为m个节点注入电流列向量；2g.计算接地网导体n段导体的泄漏电流分布，通过方程求得，其中，互阻抗矩阵R为n×n矩阵；为n维列向量，是每段导体上的漏电流向量；为n个中点电位列向量；2h.根据求得的接地网导体的漏电流分布使用叠加原理计算地面上任一点的电位分布，地面上任一点P处的电位计算公式为：式中，U_iP为第i段导体漏电流在点P形成的地表电位；ρ为土壤电阻率；z_p为第i段导体中点与点P间距离的极坐标表示；分别计算接地网每段导体漏电流在接地网地表面的电位，再将所有导体的计算结果进行叠加，从而得到接地网的地表电位分布计算结果。