摘要：接地网是电力系统安全运行的重要保证，其接地性能的优劣直接关系到人身安全和电气设备的正常运行。因接地网的导体埋在地下，对接地体的焊接、腐蚀和短路电动力作用等因素引发的接地导体变细甚至断裂，缺乏有效地监测手段。本文是运用物联网及芯片技术在强干扰背景下实现接地网无损检测技术，解决地下接地系统状态和故障预警等问题，提高电网安全稳定运行水平，具有较好的经济效果。
关键词：变电站；接地网；物联感知；监测研究
1.现状分析
接地网是电力系统安全运行的重要保证，其接地性能的优劣直接关系到人身安全和电气设备的安全运行，因而一直受到设计和生产运行部门的重视。构成接地网的导体埋在地下，因施工时焊接不良及漏焊、土壤腐蚀、接地短路电流电动力作用等原因，加之使用年限的增加，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，使接地网的电气性能降低、接地电阻增高，从而引起接地网本身局部电位差或电位异常的现象。在我国，由于大多数变电站的接地网材料是普通碳钢，腐蚀问题相对突出。因接地网腐蚀甚至断裂引起的电力系统事故时有发生，造成巨大的经济损失和不良的社会影响。
本研究是运用物联网及芯片技术在强干扰背景下实现接地网无损检测技术，提出新的检测方法，实现接地区域土壤电阻率、氧化还原电位，接地体的腐蚀速率、自腐蚀电位腐蚀电流、腐蚀量等参数，可监测接地网的腐蚀状态，并通过热稳定性评价计算出承载的故障电流，从而实现运行风险控制。
2.技术原理
土壤腐蚀监测是基于交流阻抗法实现的。交流阻抗测量是用一个小幅正弦波信号叠加到一个直流电位上，通过恒电位仪施加到被测体系，同步测量极化电位以及响应电流，再利用相关积分算法即可计算出被测电极体系的复数阻抗。交流阻抗测量的关键是必须保证极化电位与极化电流信号的无相差同步采样。电化学阻抗谱（EIS）实际上是测定不同频率w（f）的扰动信号X和响应信号Y的比值，得到不同频率下阻抗的实部Z1、虚部Z2、模值|Z|和相位角f，然后将这些量绘制成复数平面图或者Bode图曲线，就得到阻抗谱，最后根据腐蚀电极的等效电路，就可以通过阻抗解析得到电极反应参数。
工程上，一般不需要进行完整阻抗谱的测试，可以分别测量高、低两个频点fH和fL的阻抗值，二者的阻抗值分别对应于介质阻抗Rs和极化电阻Rp。由于交流阻抗可通过高频信号直接测量出电极表面由腐蚀产物覆盖引起的介质电阻Rs，因而可以补偿腐蚀产物覆盖造成的测量误差，所以更适合土壤体系的腐蚀监测。接地网运行风险预警是根据热稳定校验进行截面评估，从而校核该接地网的运行状态和预期寿命。
3.腐蚀监测装置
3.1主控电路
主控电路采用高性能微控制器、精密运放、高速AD/DA转换器和DDS信号发生器，采用交流阻抗和电流约束方法，将极化电流限制在预定的工作面积内。腐蚀监测装置具有双重极化电路，将采用高精度16bitAD转换器和交流激励信号，通过相关积分算法，可有效避免外部交直流干扰对腐蚀测量过程的影响。
腐蚀监测装置的系统电路由四个部分构成：一是交流阻抗测量电路，用于测量瞬时腐蚀速率；二是电流约束电路，用于将来自CE的电流约束在其投影面以下；第三是DC-DC电源系统，用于从控制室的高压直流转换为低压精密直流电源，给监测传感器供电；第四是通讯电路，采用Rs485通讯与控制室收发器实现实时通信，用于将指令或测量数据上下传送。
考虑到设备需要采用太阳能电池供电，并需要长期连续工作，这就要求设备具有较高的可靠性以及低功耗特性，于是在满足测量需求的模块之外，还必须增加一个实时时钟的模块用以作为系统可靠性的最后一道保障—定时复位。
下位机系统主要划分为以下几个模块：电源模块、MCU控制模块、时钟模块、测量模块、通信模块。
3.2加法电路
系统采用的是3.3V单电源，而测量原理是在正弦波信号的激励下进行的采样，于是必须将正弦信号叠加到一个合适的直流电平之上才能满足测量的需求。这个合适的直流电平就是测量电路开路情形下的开路电位的值。
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接地网腐蚀监测装置的信号激励由16bitD/A产生一定频率的正弦波信号，并通过运算放大器加载到腐蚀监测探头。信号输入端则采用高输入阻抗仪表放大器作电压跟随和前置电流放大器，电位、电流信号通道分别集成有二阶LPF低通滤波器，有效消除了工频干扰和环境噪声。该监测装置还采用自动电流量程和直流偏置补偿电路，具有较高的信噪比。
3.3交流阻抗测量电路
接地网腐蚀监测装置的系统电路可分为四个部分，一是交流阻抗测量电路，用于测量瞬时腐蚀速率；二是精密电阻探针测量电路，用于测量腐蚀余量或平均腐蚀速率；第三是DC-DC电源系统，给接地网设备供电；第四个是通讯电路，采用RS485通讯与无线收发器实现实时通信，用于将指令或测量数据上下传送。
该设备作为一种交流阻抗腐蚀监测装置，具有双极化电路的腐蚀监测装置，该装置将采用高精度16bitAD转换器和交流激励信号，通过相关积分算法，有效避免外部交直流干扰对腐蚀测量过程的影响。此外，在交流阻抗测试过程中，基于护环的小孔限流电极中的CE与GE电极始终处于相同的极化电位，但用于阻抗谱计算的极化电流仅取来自CE电极的电流，工作电极的面积则用CE在钢板上的投影面积来计算。
考虑到设备需要采用太阳能电池供电，需要长期连续工作，就要求设备具有较高的可靠性和低功耗特性，因此在满足测量需求的模块之外，必须增加一个实时时钟的模块用以作为系统可靠性的最后一道保障——定时复位。
下位机系统主要划分为以下几个模块：电源模块、MCU控制模块、时钟模块、测量模块和通信模块。
3.4监测系统构建
接地网腐蚀监测系统主要由三部分组成：1）四通道地网腐蚀监测装置（数据传输系统）；2）非接触式土壤腐蚀测量传感器；3）数据处理软件（接地网腐蚀在线监测软件）。
3.4.1监测网络搭建
本技术实现了无人值守下的腐蚀参数定时测量、数据上传服务器和数据分析汇总；采用GPRS/4G无线通讯，组建地网腐蚀中央监测系统。监控中心由服务器、客户端、数据库和监控服务软件组成，软件架构为B/S模式，支持客户端网络访问，使授权用户可从任一网络终端上访问腐蚀数据库，及时了解现场腐蚀状态。
3.4.2交互式网络软件开发
基于B/S模式开发了接地网腐蚀监测平台，用户通过客户端网络即可以访问服务器中的地网腐蚀监测数据。服务器内安装有基于WCF的软件，通过无线通讯网，可实现现场腐蚀监测装置的参数配置、数据读取、历史数据查询、报表统计和报警提示等功能。采用GPRS/4G无线传送原理，建立一套B/S模式网络化监控软件，实现用户在远端室内终端上即可随时随地查看现场腐蚀监测数据。
4.建设成效
1）基于交流导纳等腐蚀监测技术的接地网在线腐蚀监测装置，可在线测量土壤电阻率、接地网开路电位、腐蚀电流密度和腐蚀速率等参数；
2）基于GPRS/4G无线通讯，组建了地网腐蚀集中监测系统，可以实现定时采集接地网腐蚀与防护参数并实时上传到中央服务器；
3）集中监控系统可以实现随时了解各站点接地网的腐蚀状况和运行时间预警，一旦出现接地网故障预警，提示用户及时采取处理措施；
4）基于B/S网络访问模式，具有跨平台特性和易用性，使用任何桌面或移动终端浏览器均可以访问现场监测数据。此外，不同授权等级的用户可访问或修改不同的页面内容，提高了腐蚀监测网站的安全性；
5）在线监测网站还具有强大的可扩充性，用户可以方便地增添新监测点，从而为以后实现区域内变电站在线腐蚀监测打下良好基础。
通过解决这些实际问题，间接提高接地装置的安全可靠性，减小因接地装置故障或隐患而带来的事故扩大概率，节省大量资金。同时也提高接地装置的安全可靠性，减小了因接地装置故障或隐患而发生的停电事故。
参考文献：
[1]齐晓朋,马俊贵.变电站接地极电阻建模计算及特征分析[J].现代电子技术.2017(01)
[2]胡金,邵毅,戚乐,等.接地极选址方法研究[J].电力勘测设计.2018(S2)
论文作者:刘树森
论文发表刊物:《电力设备》2019年第12期
论文发表时间:2019/10/28
标签：阻抗论文; 测量论文; 电流论文; 电路论文; 装置论文; 电位论文; 模块论文; 《电力设备》2019年第12期论文;