张来福;杨虹;刘国强;李艳红
【摘 要】本文针对电力系统接地网腐蚀、断裂等故障的定位和定量评估问题,提出一种接地网脉冲电磁逆散射成像新方法,利用接地网及周围土壤介质电参数的综合差异性,实现变电设备接地网电性参数幅值图像重建,通过电参数异常反映接地网电参数及结构特性.本文分析了基于散射原理的接地网智能成像检测基本理论,设计并研制了接地网状态智能检测系统,进行了数值实验和接地网样本的测试实验.本文方法是窄脉冲发射、电磁检测、多次覆盖观测技术的结合,适合接地网浅层探测,成像分辨率高,它为接地网提供了一种新的检测方法.%This paper proposes an electrical parameter imaging method for grounding grid by pulsed electromagnetic inverse scattering,that aims at accurate positioning and quantitative evaluation of corrosion and breakpoint for pow-er system grounding grid. Based on the comprehensive electrical parameter diversity of grounding grid and soil,the new method intends to realize the image reconstruction of electrical parameter amplitude for grounding grid,the ab-normity can reflect the electrical parameter and structure of grounding grid,and t he basic theory of intelligent ima-ging detection for grounding grid based on scattering is analyzed in this paper. Intelligent imaging detection system for grounding grid is designed and developed. The numerical tests are carried out and the system has been tested. The combination of narrow pulse,inverse scattering imaging and multiple coverage observation can realize image re-construction of electrical parameter,and at the meanwhile,it is appropriate for imaging characteristics for the shal-low-depth and the demand of high-resolution of grounding grid, and that will provide a new detection method for grounding grid.
贝雷片
【期刊名称】《电工电能新技术》
民粹化
【年(卷),期】2018(037)002
【总页数】7页(P76-82)
北京农学院图书馆
【关键词】接地网;智能成像;逆散射;电参数
【作 者】张来福;杨虹;刘国强;李艳红
【作者单位】国网山西省电力公司电力科学研究院,山西 太原030001;国网山西省电力公司电力科学研究院,山西 太原030001;中国科学院电工研究所,北京100190;中国科学院大学,北京100049;中国科学院电工研究所,北京100190;中国科学院大学,北京100049
【正文语种】中 文
【中图分类】TM15;TM71
1 引言河南金蝉养殖
接地网在电力系统安全可靠运行方面起着重要的作用，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[1,2]，其接地性能一直受到生产运行部门的重视[3]。镀锌钢是目前国内变电站地网较为常用的接地导体材料，经过长时间的运行，在多雨和沿海地区，随着使用年限的增加，镀锌钢易发生腐蚀。按照土壤腐蚀性的强弱不同，接地导体在土壤中的年腐蚀率在2.0～8.0mm间不等[4]。除此之外，在施工过程当中地网的不良焊接、虚焊、漏焊以及来自土壤的腐蚀、接地短路电流的电动力作用等，都可引起接地网各均压带之间或接地引下线与均压带之间存在电气连接不良的故障点，这些故障点不可避免
论文要求地导致接地网的安全性能遭到严重破坏，原来经过精心设计的接地网由于结构被改变，不能为故障电流和雷电电流提供有效的泄流通道，人身安全和设备安全受到严重威胁。
为了实现在不停电和不开挖的情况下对接地网的故障进行诊断，国内学者已经开展了很多工作。近年来，故障诊断技术有很多新方法和相应的测量系统，研究理论也不断完善，基本形成了电网络分析法[5-11]、电磁场分析法[12-14]及电化学方法等。电网络分析法中，接地网局部腐蚀或断裂时地表电位差变化很小，接地网节点间电阻值没有明显变化，很难通过外部接地电阻、电位分布、接触电势等参数进行准确判断。电磁场分析法易受外界干扰，影响测量的准确性，进而影响腐蚀程度的判断。这两种方法主要针对小规模简单结构的接地网，当用于大规模复杂结构的接地网时有较大难度，而且无法获得电阻率图像，难以实现故障的定量评估和精确定位。传统的电化学测量方法也难以准确地测量接地网金属的腐蚀状态。
为解决接地网腐蚀、断点等故障的精确定位和定量评估问题，在变电站正常安全运行情况下，快速准确地获得反映接地网导通性能状态的高分辨率电特性参数图像意义重大。而传统的地球物理探测成像方法难以满足超浅层和高分辨率的要求[15,16]。
本文针对上述方法的不足，结合接地网埋深浅、结构复杂以及尺寸小的特点，提出了一种新的检测方法——接地网状态智能成像检测新方法。本文方法基于散射原理[17-21]，结合接地网状态智能检测系统，利用接地网及周围土壤介质电参数的综合差异性，实现变电设备接地网电性参数图像重建，反映接地网电参数及结构特性。本文方法为电力系统接地网的检测提供了一个全新的思路，有望为接地网腐蚀和断点等状态评估提供更直观和精确的诊断。
2 接地网状态智能成像检测原理
人工接地极按接地极的布置方式可分为水平(或以水平接地极为主)和垂直接地极两类，按接地极的数目可分为单独接地极和复合接地极。水平埋设的接地极常采用40mm×4mm的扁钢或直径16mm的圆钢，可作放射形布置、成排布置或圆形布置。垂直埋设的接地极常采用直径为40～50mm的钢管或40mm×40mm×4m～50mm×50mm×5m的角钢。垂直接地极的长度以2.5m左右为宜。相邻钢管或角钢之间的距离不应超过3～5m，工程上，接地网埋深一般取0.8m或0.6m[22]。
接地网状态智能成像基本原理如图1所示。在已知地下介质电性参数、激励源参数的情况下，
可模拟接收机测量参数。采用脉冲激励源发射信号，在经过地下介质传播后，由接收机测量接收信号，最终实现从检测信号到接地网电参数的图像重建。
图1 接地网状态智能成像原理Fig.1 Principle of intelligent imaging for power system grounding grid
接地网状态智能成像检测系统包括高频脉冲发射系统、发射天线、电磁接收系统、多个接收天线组成的接收阵列以及电参数成像系统，如图2所示。
图2 接地网状态智能成像检测系统Fig.2 Intelligent imaging system of grounding grid
接地网状态智能成像检测系统置于接地网上方地面，高频脉冲电磁发射系统发射高频窄脉冲信号，将高频窄脉冲信号通过发射天线定向发送到地面下的接地网，高频窄脉冲信号经地下介质传播后，由多个接收天线组成的接收阵列接收包含接地网信息的信号。采用多次覆盖的观测方法以提高分辨率，由电磁接收系统完成信号的全波形采集，对采集的包含接地网信息的数据进行处理，最终采用电磁散射成像技术进行数据的解释，实现地下超浅层接地网及周围介质电参数的图像重建。
接地网非均匀散射体的散射图如图3所示。定义Einc(r)为入射场，即为假设不存在散射体时，激励源发射信号产生的场；E(r)为存在散射体时的总场；Esca(r)为散射场。
图3 非均匀散射体的散射Fig.3 Scattering of non-uniform scattering material
根据麦克斯韦方程组，可推导出总场的方程为：
(1)
式中，为位置r函数；kb为背景的波数，它可以是非均匀介质的波数，也可以是均匀背景的常数波数；ε(r)为实际的介电常数分布；σ(r)为实际的电导率分布；综合电参数O(r′)可代表电参数的异常。式(1)中积分部分为散射体中的感应电流源对电场的贡献，即为散射场，计为Esca(r)；为并矢格林函数，它是方程的解，其中为单位算子。
对于散射问题，由于发射源电流Js已知，Einc(r)已知，实际介电常数ε(r)和电导率分布σ(r)已知，即k2(r)已知，背景波数已知，O(r′)已知，已知，采用已知条件可求解散射场。散射场的求解过程中可采用波昂近似或里托夫近似来实现。
在逆散射问题中，我们由散射体外部所测到的散射场推断散射体的性质，这是一种非侵入式的检测方法。在实际问题中，可以测得入射场。当散射体存在时，可以测得总场，从总场减去入射场即得散射体存在时的散射场。宽频脉冲逆散射图像重建问题解决的是测量的散射场信号到电参数图像重建的过程。
对于逆散射问题，散射场Esca(r)已知，Einc(r)已知，背景值已知，可求，k2(r)为接地网电性参数，散射体内部E(r′)不可测，可通过近似来进行处理，最终求解k2(r)，即可求解出接地网及周围介质的O(r′)。
散射场Esca(r)包含散射体的信息，散射场表达为：
虻科(2)
设定目标函数其中Esca测(r)为实际测量到的散射场，Esca计算(r)为利用式(2)计算的散射场。
首先给定k2(r′)一个初始估计值，即给定初始值O(0)(r′)，代入式(2)，求得Esca计算(r)，进而可以求得ΔO(r′)。
令O(1)(r′)=O(0)(r′)+ΔO(r′)，代入式(2)，求得Esca计算(r)。
将上述迭代过程一直重复，直到2、‖[O(k+1)(r′)-O(k)(r′)]/O(k)(r′)‖2均为极小值，即在误差范围内为止。最终求得O(r′)。
在实际的接地网探测中，主要包含两种介质：土壤介质及接地网良导体介质，即成像区域中既有介电常数的变化，又有电导率的变化，材料和介质的差异性难以通过单纯的介电常数或电导率表征，需综合利用电参数的变化特性，利用电参数O(r′)综合特性来反映介质的异常，更加有意义。O(r′)包含实部和虚部，其也可用幅值A′和相角φ来表示。本文通过重建幅值A′来反映电参数异常，实现对接地网状态的检测。
3 接地网状态智能成像检测系统
脉冲电磁发射系统为本文的研究工作提供激励电流，配合发射天线，实现向地下接地网发射宽频脉冲磁场，为散射场的形成提供入射场条件。电磁接收系统配合接收天线阵列实现散射场数据的完整获取，天线参数及布置方式等因素是影响散射场数据完整获取的重要因素。数据解释与成像系统最终完成数据处理和接地网电参数的图像重建。本文研制的接地网状态智能成像检测系统原理如图4所示。
图4 接地网状态智能成像检测系统Fig.4 Intelligent imaging detection system of grounding grid
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