专利名称：一种变电站接地网缺陷诊断装置的制作方法
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。
技术背景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 供一个公共的参考地，在系统故障和雷电防护时还能迅速排泄故障电流并降 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，m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。也有釆用 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，激励源釆用正弦波发生器，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、信号处理电路和釆集 分析系统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 的输出端接釆集分析系统的输入端。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P且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圏组成。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接采集分析系统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fcM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Fl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Fl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Cl、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釆用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fcu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体位置和程度。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；釆 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。
以下结合附图对本实用新型作进一步详述。 图l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为诊断用激励源系统原理结构示意图；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系统，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、釆集分析系统，Fl、 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，G、初级线圏分布电容，C2、次级线 圈分布电容折合至初级的值，il、初级线圈的铜阻，r2、次级线圈铜阻折合至初级 值，A、初级线圈的漏感，4、次级线圏漏感折合至初级值，A、激励电感，<、 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)釆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釆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0.2~10Q，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，本实用新型釆用线性功率放大 技术，其电路包括输入级、推动级和输出级，末级输出釆用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。阻抗变换器磁芯釆用环形纳米晶铁芯，阻抗变换器釆用四种变比2:1、 1:1、 2: 3和h 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趺落，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~lkHz，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/cu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(W),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，首先利用探测线圏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，利用数据釆集系统将测 量结果存入计算机，工频陷波电路对50Hz的陷波深度应达到50ciB，带通滤波电路 在±擺z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系统的中心频率，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。釆用本实用新型诊断系统在模拟地网和多个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ll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 / = 1.78xl(T7Q'm,相对磁导率// = 200;地网埋深0. 8m, 土壤分为两层，第一 层电阻率为80Q.m,厚度5m,第二层213Q.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lm的断口，同时在D (90, 35 )处锯开一个lmm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 应强度分量及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及较大以 外，沿X方向每根导体地表的及分布相对较均句，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，选择适宜的上引导体位置作 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，该导傳: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虛焊的有效检测手段，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。
权利要求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系统(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系统的输入端。
2、 根据权利要求l所述变电站接地网缺陷诊断装置，其特征是，所述'Ei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)接釆集分析系统(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foK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(Fl)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(Fl)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(Fl)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(Fl)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)釆用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foK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。
专利摘要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系统，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系统的输入端。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。
文档编号G01R31/08GK201138368SQ20072013842
公开日2008年10月22日 申请日期2007年12月28日 优先权日2007年12月28日
发明者洋 刘, 翔 崔 申请人:华北电力大学