一种变电站接地网缺陷诊断系统的制作方法

本实用新型涉及电力技术领域，具体而言，涉及一种变电站接地网缺陷诊断系统。

背景技术：

接地网在变电站的安全运行中起着非常重要的作用，它不仅为变电站内的各种电气设备提供一个公共的参考地，还能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。我国的接地网大多采用钢材质制作，随着使用年限的增长，多雨和沿海地区，易发生接地网导体的锈蚀或断裂，影响接地网的接地性能。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。此外，现有的接地网检测系统还具有电源输出电流小、输出信号频率范围窄、带负载能力差，激励信号模式单一，无法满足接地网复杂负载的工作条件的技术问题。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型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系统。

本实用新型采用的技术方案是：提供一种变电站接地网缺陷诊断系统，包括激励源系统和信号探测系统，所述激励源系统包括供电电源、函数信号发生器、功率放大电路、阻抗变换电路以及故障检测器，所述函数信号发生器、功率放大电路、阻抗变换电路和故障检测器依次连接，所述供电电源分别与所述函数信号发生器和阻抗变换电路相连接，所述故障检测器包括依次连接的信号接收器、信号放大器、滤波器、模数转换器、信号处理器、故障分析器、报警器和显示器，所述阻抗变换电路包括与所述函数信号发生器相连接的计时控制器和分别与所述供电电源、功率放大电路、计时控制器和接地网负载相连接的阻抗变换器。

在本实用新型所述的变电站接地网缺陷诊断系统中，所述函数信号发生器包括控制调节电路、信号发生电路和放大输出级，所述功率放大电路包括输入级、推动级、输出级和保护级，所述保护级分别与所述推动级和所述输出级连接，所述阻抗变换器包括初级线圈、次级线圈和铁芯，所述铁芯为环形的纳米晶材质的铁芯，所述初级线圈和所述次级线圈缠绕在所述铁芯上。

在本实用新型所述的变电站接地网缺陷诊断系统中，所述信号探测系统包括探测线圈、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。

在本实用新型所述的变电站接地网缺陷诊断系统中，所述探测线圈包括一体化结构的探测线圈框架、分别设置在所述探测线圈框架宽度两侧的探测线圈屏蔽板以及探测线圈导波管。

在本实用新型所述的变电站接地网缺陷诊断系统中，所述控制调节电路包括正弦信号控制调节电路和脉冲信号控制调节电路，所述信号发生电路包括正弦信号发生电路和脉冲信号发生电路，所述放大输出级包括正弦信号放大输出级和脉冲信号放大输出级，所述计时控制器与所述脉冲信号放大输出级相连接。

在本实用新型所述的变电站接地网缺陷诊断系统中，所述初级线圈与所述功率放大电路连接，所述次级线圈上设置有用于与所述接地网负载连接的N个抽头，所述N个抽头分别对应不同的初、次级线圈变比，其中，N为大于等于1的整数。

在本实用新型所述的变电站接地网缺陷诊断系统中，所述初级线圈的绕组线径为2.0mm，匝数为160；所述次级线圈上共设有四个抽头，所述次级线圈的绕组线径在第一个抽头处为3.7mm、在第二个抽头处为2.0mm、在第三个抽头和第四个抽头处为1.4mm，四个抽头处的匝数均为80。

在本实用新型所述的变电站接地网缺陷诊断系统中，所述铁芯的厚度为75mm、内径为180mm、外径为260mm。

在本实用新型所述的变电站接地网缺陷诊断系统中，所述计时控制器包括N个信号输入端和一时钟输入端，其中，所述N个信号输入端一一对应与所述N个抽头连接；所述时钟输入端与所述函数信号发生器相连接。

本实用新型通过设置能够产生正弦激励信号和脉冲激励信号的信号激励源，以及在信号激励源和接地网之间的激励信号传输线路上设置阻抗变换电路，对信号激励源的内阻抗与所述接地网的负载阻抗进行匹配，解决了现有技术中，接地网检测电源输出电流小、输出信号频率范围窄、带负载能力差，激励信号模式单一，无法满足接地网复杂负载的工作条件的技术问题，实现了接地网检测电源能够根据实际应用需求提供两种模式的激励信号，并且输出的激励信号的电流在适宜的电流范围内可调、信号频率在适宜的频率范围内可调，带负载能力强、能够满足接地网复杂负载的工作条件的技术效果；本申请中的激励源系统通过对现有线性功率放大器的改进和阻抗变换器的设计，在较宽频带内，保证足够电流输出能力的条件下，解决了功率放大器与接地网负载匹配的问题，能够适应不同的负载，实现了频率和电流的连续可调节，具备正弦波和占空比可调的脉冲信号两种工作方式，可根据测量需要，通过阻抗变换器变比的选择，获得较高的输出电压或激励电流信号，使用方便，用途广泛，可以满足变电站接地网接地性能检测和故障诊断的多种需要；阻抗变换电路中的计时控制器还设置有用于一一对应与所述多个抽头连接的多个信号输入端，计时控制器能够选择控制导通一对处于连接关系的所述抽头和所述信号输入端，实现了可根据接地网负载的不同选择合适初、次级线圈变比的抽头与所述接地网连接，从而使信号激励源的内阻抗与所述接地网的负载阻抗匹配；通过故障检测器可以使本系统更直接、更主动的检测电流变化，当电流值超过正常电流时可及时发出报警，便于及时处理；信号探测系统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，通过与激励信号频率的配合，能够有效抑制现场的电磁干扰，拨开主要干扰频点，使测量精度和分辨率能够满足缺陷诊断要求。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型实施例的框线结构示意图；

图2是本实用新型实施例中阻抗变换电路内部模块结构框图；

图3是本实用新型实施例中阻抗变换器和负载的等效电路图；

图4是本实用新型实施例中阻抗变换器磁芯几何参数图；

图5是本实用新型实施例中阻抗变换器的电气原理图；

图6是本实用新型实施例中计时控制器的工作原理示意图；

图7是本实用新型实施例中的信号探测系统的电气原理图；

图8是本实用新型实施例中的故障检测器的框线结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型实施例的工作原理为：当需要对一接地网进行检测时，首先通过激励源系统向接地网注入激励信号，以使所述接地网基于所述激励信号产生电磁感应信号，之后探测该电磁感应信号并对其进行分析处理，便能确定接地网是否存在腐蚀或断点等缺陷。本实施例提供的变电站接地网缺陷诊断系统包括激励源系统和信号探测系统，如图1所示，所述激励源系统包括供电电源1、函数信号发生器2、功率放大电路3、阻抗变换电路、故障检测器以及接地网负载，其中函数信号发生器2、功率放大电路3、阻抗变换电路和故障检测器依次连接，供电电源1分别与函数信号发生器2、阻抗变换电路相连，用于为函数信号发生器2、阻抗变换电路供电。所述阻抗变换电路包括与函数信号发生器2连接的计时控制器5和分别与供电电源1、功率放大电路3、计时控制器5、故障检测器和接地网负载连接的阻抗变换器4。所述计时控制器5能够在函数信号发生器2的激励作用下对阻抗变换器4的输出进行控制，以使所述阻抗变换电路对函数信号发生器2的内阻抗与接地网的负载阻抗进行匹配，从而使得函数信号发生器2通过所述阻抗变换电路向接地网注入匹配功率的激励信号。函数信号发生器2包括控制调节电路21、信号发生电路22和放大输出级23，控制调节电路21包括正弦信号控制调节电路和脉冲信号控制调节电路信号发生电路22包括正弦信号发生电路和脉冲信号发生电路，放大输出级23包括正弦信号放大输出级和脉冲信号放大输出级。其中，正弦信号控制调节电路用于供工作人员进行信号频率调节，并将调节指令发送于正弦信号发生电路；正弦信号发生电路基于所述频率指令产生相应频率的初始正弦信号；正弦信号放大输出级用于对初始正弦信号进行放大处理获得所述正弦波信号。可见，正弦信号控制调节电路、正弦信号发生电路和正弦信号放大输出级用于产生正弦波信号和进行信号频率调节；在进行信号频率调节时，应注意正弦波形不能失真。同理，脉冲信号控制调节电路用于供工作人员进行信号脉冲宽度调节，并将调节指令发送于脉冲信号发生电路；脉冲信号发生电路基于所述脉冲宽度指令产生相应脉冲宽度的初始脉冲信号；脉冲信号放大输出级用于对初始脉冲信号进行放大处理获得所述脉冲信号。可见，脉冲信号控制调节电路、脉冲信号发生电路和脉冲信号放大输出级用于产生脉冲信号和进行信号脉冲宽度调节，本实施例中的计时控制器5与脉冲信号放大输出级相连接。功率放大电路3包括输入级31、推动级32、输出级33和保护级34，保护级34分别与推动级32和输出级33连接。功率放大电路3主要用于信号的功率放大和输出驱动电流。在实施例中进行接地网缺陷诊断时，功率放大电路3的设计原则为：(1)工作频率在10Hz～50kHz的频带内；(2)输出信号频率和输出电流能方便地连续调节；(3)在保证输出信号具有足够驱动电流的条件下，自身能够连续工作。针对上述要求，本实施例中采用线性功率放大技术，功率放大电路3电路包括输入级31、推动级32、输出级33和保护级34，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，晶体管的型号为2SC5200和2SA1943。具体的，输入级31用于接收来自正弦信号发生器和/或脉冲信号发生器输出的初级激励信号，并依次送入推动级32、输出级33进行处理，并最终获得正弦激励信号或脉冲激励信号；其中，输入级31作用是抑制电路的零点漂移和温度漂移，并使功率放大电路3静态时的输出电压为零，从而保证电路稳定、可靠的工作；推动级32的作用是为输出级33提供足够的驱动电流；输出级33的作用是向负载提供信号功率；保护级34分别与推动级32和输出级33连接，作用是在推动级32和输出级33对初级激励信号进行放大处理时，保护电路不被烧毁。在现有技术中，对于输入级31、推动级32、输出级33和保护级34电路的工作原理和设计方法较为成熟(参考文献：谢沅清.晶体管低频电路，人民邮电出版社，1981:275-295)，在此不再赘述。

由于在现有技术中，线性放大器通常的负载范围为(4～16)Ω，而在接地网检测的工程实际中，接地网的负载有时仅零点几欧姆，后者小，功放会烧坏，后者大，功放输出功率受限，因此，线性放大器不能直接驱动这样的负载；同时线性放大器连续输出较大工作电流的能力也是有限的，会受到体积和电路设计的制约。针对上述问题，本实施例中的阻抗变换器4包括初级线圈、次级线圈和铁芯，铁芯为环形的纳米晶材质的铁芯，初级线圈和次级线圈缠绕在铁芯上。初级线圈与功率放大电路3连接，次级线圈上设置有用于与接地网负载连接的N个抽头，N个抽头分别对应不同的初、次级线圈变比，所述初、次级线圈变比是指初级线圈的匝数和次级线圈的匝数的比值；其中，N为大于等于1的整数。

进一步地，如图2所示，计时控制器5包括N个信号输入端(201-1～201-N)和一时钟输入端CLK；其中，所述N个信号输入端(201-1～201-N)一一对应与所述N个抽头(202-21～202-2N)连接；所述时钟输入端CLK与函数信号发生器2的脉冲信号输出端连接。在本实施例中N取值为4，在阻抗变换器4的次级线圈202-2上有4个抽头(202-21～202-24)，分别与计时控制器5的4个信号输入端(201-1～201-4)一一对应连接。

下面依据电路理论，对阻抗变换器4进行设计。因负载比晶体管输出阻抗小很多，设功率输出级33的输出电流为一简谐波，用一个电流源作为其等效电路，将阻抗变换器4的所有参数均折合至变换器的初级值，则阻抗变换器4和负载的等效电路如图3所示。

图3中，C1为初级线圈分布电容，C'2＝C2/n²为次级线圈分布电容折合至初级的值，r1为初级线圈的铜阻，r'2＝n²r2为次级线圈铜阻折合至初级值，L1为初级线圈的漏感，L'2＝n²L2为次级线圈漏感折合至初级值，L0为激励电感，R'L＝n²RL为次级负载电阻折合至初级值，n＝N1/N2为初级和次级的变比。在中频段，分布电容和激励电感视为开路，漏感视为短路，此时功率放大器负载的总阻抗为：

RO＝r1+r'2+R'L (1)

阻抗变换器4的转换效率为：

式中ηT为转换效率，一般取0.9，依据(2)式可以设计变比。低频段，分布电容依然视为开路，漏感视为短路，依据电路理论可列出：

下限频率取为：

当负载及下限频率确定时，激励电感L0可由(4)式求得。

阻抗变换器4磁芯采用环形纳米晶铁芯，如图4所示，其饱和磁感应强度Bs大于1.24T，有效磁导率达10⁵，依据经验公式可计算铁芯截面积,S＝0.2PLfl(cm²),式中PL为阻抗变换器4向负载输出的功率，fl为下限频率；初级线圈匝数l0为激励电感，lc为铁芯磁路平均长度，S为磁芯截面积。

阻抗变换器4的电原理图如图5所示，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。在本实施例中，初级线圈的绕组线径为2.0mm(即图中所示)，匝数为160(即图中所示160T)，输入电流为30A；次级线圈上共设有四个抽头，次级线圈的绕组线径在第一个抽头处为3.7mm(即图中所示)、在第二个抽头处为2.0mm(即图中所示)、在第三个抽头和第四个抽头处为1.4mm(即图中所示)，四个抽头处的匝数均为80(即图中所示80T)，输出电流为60A。铁芯的厚度为75mm、内径为180mm、外径为260mm。具体的，当选择第一个抽头作为阻抗变阻器的输出端时，初、次级线圈变比为2:1；当选择第二个抽头作为阻抗变阻器的输出端时，初、次级线圈变比为1:1；当选择第三个抽头作为阻抗变阻器的输出端时，初、次级线圈变比为2:3；当选择第四个抽头作为阻抗变阻器的输出端时，初、次级线圈变比为1:2。

功率放大电路3的输出端连接阻抗变换器4的初级绕组(即初级线圈)，根据测量需要，选择合适的次级绕组，即选择合适的次级线圈的抽头作为输出端，如果需要输出较高的激励电压信号，则选择2:3或1:2的初、次级线圈变比，如果需要输出较高的激励电流信号，则选择2:1或1:1的初、次级线圈变比。具体的，当测量接地网电位信号时，需要向接地网注入高压小电流的激励信号，则选择1:2的初、次级线圈变比，当测量接地网磁场信号时，需要向接地网注入低压大电流的激励信号，则选择2:1的初、次级线圈变比。

可见，在本实施例中，通过初级线圈的设计，在较宽频带内，满足功率放大器的负载要求；通过使次级线圈采用多抽头输出，实现了利用改变初、次级线圈变比的方法，根据测量的实际需要，提升输出电流或电压，以获得所需的激励信号；磁芯(即铁芯)材质的选择，能保证在工作频带内，较大工作电流的情况下，具有较好的转换效率。

进一步，请参考图6，计时控制器5可通过现场可编程逻辑门阵列FPGA来实现，选择FPGA的四个通用输入输出端口(GPIO_1～GPIO_4)作为信号输入端，分别与次级线圈202-2的四个抽头(202-21～202-24)一一对应连接，FPGA的时钟输入端口F_clk与函数信号发生器2的脉冲信号放大输出级的输出端相连，另外选择FPGA的一通用输入输出端口GPIO_5作为信号输出端，用于与接地网负载连接。可通过简单的程序控制FPGA的信号输出端口GPIO_5输出所述四个输入端口(GPIO_1～GPIO_4)中的一个输入端口接收的激励信号。函数信号发生器2的正弦信号发生电路和脉冲信号发生电路产生初级激励信号，并输出至功率放大电路3进行功率放大处理后输出至阻抗变换电路的阻抗变化器4的初级线圈202-1，并通过次级线圈202-2的四个抽头(202-21～202-24)输出至FPGA中，以使FPGA基于对时钟脉冲信号的计数判断，依次输出来自四个抽头(202-21～202-24)的激励信号至接地网。由于功率放大电路3的负载会受到实际所接的接地网阻抗的影响，通过4种初、次级线圈变比可以使功率放大电路3总负载有4种选择，能够最大限度的实现阻抗匹配，即可根据接地网负载的不同选择合适初、次级线圈变比的抽头与所述接地网连接，从而使信号激励源的内阻抗与所述接地网的负载阻抗匹配；但实际中也很难实现完全匹配，但在一定范围内，能满足接地网测试所需即可；当然，也可以根据实际需要添加其它初、次级线圈变比的绕组，并接上外引接头与计时控制器5的输入端口相连。

如图7所示，所述信号探测系统包括探测线圈L、信号处理电路和采集分析系统C，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C的输入端。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，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接激励参考信号输出端，带通滤波器LB的时钟信号输入端fCLK接时钟脉冲发生器输出端。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L将地表磁感应强度信号转变为感应电压信号，本实施例中的探测线圈L包括一体化结构的探测线圈框架、分别设置在所述探测线圈框架宽度两侧的探测线圈屏蔽板以及探测线圈导波管；通过一体化结构的探测线圈框架可以减小因拼接缝隙导致的信号信号泄露情况；通过设置在所述探测线圈框架宽度两侧的探测线圈屏蔽板可以提高线圈的屏蔽效果，方便探测线圈的安装，提高生产效率。接着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，利用数据采集系统C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系统的中心频率，便可以有效的提取到有用信号。

本实施例还设有故障检测器，通过故障检测器可以使本系统更直接、更主动的检测电流变化，当电流值超过正常电流时可及时发出报警，便于及时处理。如图8所示，该故障检测器包括信号接收器61、信号放大器62、滤波器63、模数转换器64、信号处理器65、故障分析器66、报警器67和显示器68。所述信号接收器61，用于接收和采集阻抗变换器4的输出电压或激励电流信号，并将该信号与标准信号比较获得比较信号；所述信号放大器66，与信号接收器61连接，用于放大所接收的比较信号；所述滤波器63，与信号放大器66连接，用于对放大后的比较信号进行滤波处理；所述模数转换器64，与滤波器63连接，用于将滤波后的比较信号转换为数字信号；所述信号处理器65，与模数转换器64连接，用于对数字化比较信号进行信号处理；所述故障分析器66，与信号处理器65连接，用于对信号处理结果进行分析，获得故障分析结果；所述报警器67，用于根据该故障分析结果进行声光报警；所述显示器68，用于显示故障分析结果信息。通过故障检测器可尽快地发现潜伏性故障，是保证电力设备安全运行和正常维护的主要手段。

本申请实施例通过设置能够产生正弦激励信号和脉冲激励信号的信号激励源，以及在信号激励源和接地网之间的激励信号传输线路上设置阻抗变换电路，对信号激励源的内阻抗与所述接地网的负载阻抗进行匹配，解决了现有技术中，接地网检测电源输出电流小、输出信号频率范围窄、带负载能力差，激励信号模式单一，无法满足接地网复杂负载的工作条件的技术问题，实现了接地网检测电源能够根据实际应用需求提供两种模式的激励信号，并且输出的激励信号的电流在适宜的电流范围内可调、信号频率在适宜的频率范围内可调，带负载能力强、能够满足接地网复杂负载的工作条件的技术效果。本实施例中的激励源系统通过对现有线性功率放大器的改进和阻抗变换器的设计，在较宽频带内，保证足够电流输出能力的条件下，解决了功率放大器与接地网负载匹配的问题，能够适应不同的负载，实现了频率和电流的连续可调节，具备正弦波和占空比可调的脉冲信号两种工作方式，可根据测量需要，通过阻抗变换器变比的选择，获得较高的输出电压或激励电流信号，使用方便，用途广泛，可以满足变电站接地网接地性能检测和故障诊断的多种需要；通过故障检测器可以使本系统更直接、更主动的检测电流变化，当电流值超过正常电流时可及时发出报警，便于及时处理；信号探测系统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，通过与激励信号频率的配合，能够有效抑制现场的电磁干扰，拨开主要干扰频点，使测量精度和分辨率能够满足缺陷诊断要求。

以上结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。