具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：

一、接地网磁场检测法原理

请参阅图1，我国接地网由水平铺设在地下的镀锌钢导体和接地引下线组成。考虑到土壤的电阻率远远大于导体本身，因此将土壤视作绝缘介质。接地引下线是从地面可以接触接地网的唯一测量端口。因此可以将整个接地网视作一个多端口纯阻性电网络，其基本单元是各个导体的阻值。

在这样一个电网络中，接地引下线对应的节点称为可及节点，其余节点称为不可及节点。由电网络的特性可知，网络的端口电阻值是全部支路阻值的函数，因此通过在接地引下线之间测该网络的端口电阻值，可以反推支路电阻值。但是工程实际中，不可及节点一般来说是广泛存在的，因此列写的端口阻值诊断方程是欠定的。此时电网络的方法无法进一步精确求解支路电阻值，可及节点越少，诊断的可信度越低。

考虑到磁场的分布不受电路拓扑的制约，因此这种情况下，可以应用磁场检测法突破电网络方法所受到的制约。

磁场检测法的基本思路是在接地网上方区域的端口可及节点之间注入激励电流，使励磁电流尽可能地流经全部接地导体支路，此时在地表描绘激励磁场的磁感应强度分布情况，并与理论上的磁场磁感应强度分布进行比较，即可找出具体的病态支路。根据毕奥萨法尔定律，可得：

式中，B_ij是原接地网中的第j段导体在第i个地表点感应的磁感应强度矢量；μ为土壤中的磁导率；I_j为第j段导体中电流矢量；dl_j为导体中的电流微元；e_r为电流微元到第i个地表点的方向矢量；z_ij为第j段导体线元到第i个地表测量点的距离。那么第i个地表测量点的磁感应强度为所有b条导体感应出的磁感应强度向量和，即为：

式中，B_i为第i个地表测量点感应出的磁感应强度；M_ij为第j段导体电流在第i个地表测量点的磁感应强度算子。

请参阅图2，本发明经过大量模拟实验，将接地导体故障对地表磁场影响总结为：当接地导体发生故障时，主要影响与其激励电流方向相垂直的磁感应强度分量。即当沿X轴分布的接地导体P(平行于X轴的导体)故障、流经导体的电流大小I_s发生变化时，地表磁感应强度B_Y分量会出现较大变化。

根据上述接地导体故障对地表磁场影响规律，便可以通过大量测量接地网地表磁场，描绘出磁场分布图像。再与完好接地网地表计算磁场进行对比，从而判断接地网是否发生故障，并且确定故障接地导体的位置。请参阅图3，例如，在某接地网模型中，在接地网两端的接地引下线之间注入励磁电流，分别模拟支路R28出现腐蚀故障和断裂故障，测得的垂直于R28方向的磁感应强度。

二、变电站电磁干扰分析

上述的接地网磁场检测法原理清晰，检测结果较为直观，但是限制这一方法应用的主要因素是现场磁场测量的困难。实验室环境下的磁场检测一般可以采用特斯拉计来实现，这一类的特斯拉计一般都是配备三维霍尔探头来实现空间磁场的测量。但是，变电站现场电磁环境复杂，仅仅依赖特斯拉计的测量方法不具备信号选择性，因此会受到严重的干扰，难以测到应该测量的检测磁场。因此，为了完成可以有效采集磁场信号的硬件装置的设计，首先要分析变电站的电磁环境。

电力系统变电站中的电磁干扰按照来源可以分为一次系统产生的干扰和二次系统产生的干扰。一次侧产生的电磁干扰包括稳态电磁干扰和暂态电磁干扰，稳态干扰由工频50Hz的高电压、大电流产生，包括了广泛存在于设备附近范围的电场、磁场，频率为工频50Hz及其各个奇数倍的谐波；瞬态电磁干扰则主要由雷击、故障、开关动作瞬间的电压、电流的变化产生，成分复杂，一般都含有大量的高频干扰。而二次侧的设备产生的电磁干扰则以数千Hz的高频电磁场为主。

上述的电磁干扰信号中，工频干扰信号的幅值最大，其奇数次谐波的幅值随着频率的变大而快速减小。这些干扰信号只要电力系统正常稳定工作就会一直存在，而瞬态的干扰信号只在出现雷击、短路、过载、开关动作的瞬间大量出现，正常情况下幅值较小。

因此，对应的磁场检测装置应该满足：(1)要具备匹配励磁电源频率的能力；(2)要有非常强的抑制工频信号的能力；(3)要有一定的抑制高频信号干扰的能力；(4)系统的测量频率不应该改变接地导体的电网络模型。

请参阅图4、图5和图6，本发明的实施例，一种计及变电站现场电磁干扰状况的接地网磁场检测系统，包括励磁电源1、探测线圈2、前置放大电路3、50Hz工频陷波电路4、带通滤波器5、后置放大电路6、数据采集卡7和上位机8。

励磁电源1与接地网100相连，励磁电源1用于对接地网100注入激励电流，产生激励磁场；探测线圈2、前置放大电路3、50Hz工频陷波电路4、带通滤波器5、后置放大电路6、数据采集卡7和上位机8依次相连。探测线圈2、前置放大电路3、50Hz工频陷波电路4和带通滤波器5通过直流电源9供电，直流电源9和带通滤波器5之间设置有STM32微控制器10。

探测线圈2，用于接收激励磁场的磁场信号，并将该磁场信号传输给前置放大电路3；前置放大电路3，用于对接收的磁场信号进行放大处理，并将放大后的磁场信号传输给50Hz工频陷波电路4；50Hz工频陷波电路4，用于对经过前置放大电路处理的磁场信号加入50Hz工频陷波，将放大处理后的磁场信号中50Hz信号进行完全滤除处理，并将滤除处理后的磁场信号传输给带通滤波器5；带通滤波器5，用于对经过50Hz工频陷波电路处理的磁场信号进行滤波处理，并将处理后的磁场信号传输给后置放大电路6；后置放大电路6，用于对经过带通滤波器处理的磁场信号进行补偿放大，并将补偿放大后的磁场信号传输给数据采集卡7；数据采集卡7，用于将收集到的磁场信号通过USB接口传送到上位机8；上位机8用于实时观测磁场信号的波形、记录磁场信号数据并导出磁场信号数据。

本发明还提供了一种计及变电站现场电磁干扰状况的接地网磁场检测系统的检测方法，包括以下步骤：

S1，励磁电源对接地网上方区域的端口可及节点之间注入激励电流，产生激励磁场；

S2，探测线圈接收激励磁场的磁场信号，并将该磁场信号传输给前置放大电路；

S3，前置放大电路对接收的磁场信号进行放大处理，并将放大后的磁场信号传输给50Hz工频陷波电路；

S4，50Hz工频陷波电路对经过前置放大电路处理的磁场信号加入50Hz工频陷波，将放大处理后的磁场信号中50Hz信号进行完全滤除处理，并将滤除处理后的磁场信号传输给带通滤波器；

S5，带通滤波器对经过50Hz工频陷波电路处理的磁场信号进行滤波处理，并将处理后的磁场信号传输给后置放大电路；

S6，后置放大电路对经过带通滤波器处理的磁场信号进行补偿放大，并将补偿放大后的磁场信号传输给数据采集卡；

S7，数据采集卡将收集到的磁场信号通过USB接口传送到上位机；

S8，通过上位机实时观测磁场信号的波形、记录磁场信号数据并导出磁场信号数据

1.励磁电源的频率选择：

磁场检测环节的第一步是磁场的产生，磁场的激励由外接的励磁电源来实现。根据变电站电磁环境分析，励磁电源的选择原则包括：

(1)频率为异频，即激励频率避开变电站工频及其各个奇次谐波频率点，即50Hz、150Hz、250Hz、350Hz等等，以保证测量信号在各种频率的干扰信号中保持分辨率；

(2)能够输出特定频率下的稳定的交流电流，并能确保在安全、合理的范围内输出的电流能够在接地网上方的地面产生磁感应强度较强的磁场，必须能够穿透接地导体上方厚度达到0.5-2米的土壤、砂石等介质，以便于测量；

(3)考虑到当励磁频率过高的时候，接地导体之间的自感、互感以及对地的等效电容将不再可以忽略不计，为了不偏离导体电阻值检测这一初衷，励磁频率不宜过高。

综合以上分析，励磁电源1选用33220A型函数信号发生器，频率区间为300Hz～1kHz之间，并且避开了350Hz、450Hz、550Hz等工频的奇次谐波点。

2.信号调理电路设计：

磁场的接收探头采用特制的线圈来实现。考虑到密绕线圈的线圈耦合程度更高，漏感更小，且占用体积较小，因此，探测线圈采用密绕的平面矩形线圈，采用密绕的平面矩形线圈来实现磁场接收。根据法拉第电磁感应定律，探测线圈两端的感应电动势ε的大小与磁场的磁感应强度B的大小、探测线圈的匝数N以及探测线圈切割磁场的横截面积S的关系为：

其中，k为N与S的乘积；为磁通量；t为时间；B(t)为磁感应强度B大小随时间变化的函数。

探测线圈2接收到的初始信号一般较为微弱，因此有必要在探测线圈2后接入前置放大电路3。考虑到磁场检测高精度、低噪声的需求，前置放大电路3采用AD620放大电路来实现。整个系统的增益和R_G数值计算公式为：

其中，kΩ为电阻的单位；G为该前置放大电路的增益值；R_G为外接的可变电阻值。

考虑到变电站现场的电磁场干扰以工频50Hz的干扰最为显著，因此在回波接收环节加入50Hz工频陷波电路，对50Hz的信号进行完全滤除处理，是有效的、必要的。

再请参阅图5，50Hz工频陷波电路4采用双T型陷波电路，包括电容C₁、电容C₂、电容C₃、电阻R₁、电阻R₂、电阻R₃、电阻R₄、电阻R₅、运算放大器A₁和运算放大器A₂。

电容C₁的一端、电容C₂、电阻R₄、电阻R₃和电容C₁的另一端依次相连，电容C₁和电容C₂的相接端、电阻R₅、电容C₃以及电阻R₄和电阻R₃的相接端依次相连；电容C₂、电阻R₄的相接端与运算放大器A₂的正相输入端相连；运算放大器A₂的输出端、电阻R₁和电阻R₂的一端依次相连，运算放大器A₂的输出端和电阻R₁的相接端与运算放大器A₂的负相输入端相连，电阻R₂的另一端接地；电阻R₁和电阻R₂的相接端与运算放大器A₁的正相输入端相连，电阻R₅和电容C₃的相接端与所述运算放大器A₁的输出端相连后与所述运算放大器A₁的负相输入端相连；电容C₁和电容C₂的电容量相等，电容C₃的电容量为电容C₁的电容量的两倍；电阻R₃和电阻R₄的电阻值相等，电阻R₃的电阻值为电阻R₅的电阻值的两倍；电容C₁和电阻R₃的相接端构成所述50Hz工频陷波电路的输入端u_i，运算放大器A₂的输出端、电阻R₁和运算放大器A₂的负相输入端的相接端构成50Hz工频陷波电路的输出端u₀。

电容C₁、电容C₂、电阻R₅和运算放大器A₂构成二阶高通滤波电路，电阻R₃、电阻R₄、电容C₃和运算放大器A₂构成二阶低通滤波电路，二阶高通滤波电路和二阶低通滤波电路并联构成双T型带阻滤波电路，电阻R₁、电阻R₂和运算放大器A₁组成负反馈放大电路。双T型陷波电路的基本原理就是双T型带阻滤波器加上负反馈放大电路，将输入电压同时作用于低通滤波器和高通滤波器，再将两个电路的输出电压求和，就可以得到带阻滤波器。其中，低通滤波器的截止频率小于高通滤波器的截止频率，因此，电路的阻带为高通滤波器与低通滤波器的截止频率的差值。当带阻滤波器的阻带很窄时，被称为陷波滤波器。陷波滤波器的频率响应是要在消除50Hz信号频率点，其值等于零；而在其他频率处，其值要等于1。再加上电压控制负反馈，可以使输出起到与输入相反的作用，使双T型陷波电路的输出与目标的误差减小，系统趋于稳定。

磁场信号经过50Hz工频陷波电路4处理，工频50Hz信号已经被几乎滤除完毕，但是对于其余频率的干扰信号目前还没做任何抑制处理。由于变电站除了工频以外的谐波干扰信号成分复杂，但是幅值较弱，因此，设计一个中心频率可以调节(中心频率即为励磁电源的频率)的带通滤波器5是十分必要的。考虑到现场测量的复杂性以及对信噪比的高要求，带通滤波器5采用性能较好的LTC1068型数字电容滤波芯片来实现。该芯片设计出的带通滤波电路的中心频率有外接的时钟信号来控制。

再请参阅图6，将带通滤波器5的中心频率整定为1000Hz，可以测得滤波电路的频率响应曲线。

最后，为了补偿磁场信号在上述环节的能量流失，在带通滤波器5后连接一个LM358放大电路作为后置放大电路6。该后置放大电路6同样是高信噪比、放大幅值可调的设计。

3.信号记录与显示：

考虑到现场测量与数据记录、处理的便捷性，数据采集卡7和采用型号为TLA CTE-7104的虚拟示波器，将收集到的磁场信号通过USB接口传送到上位机8PC端，配合相应的上位机ChengTecTool(数模混合口袋仪器)软件即可实现实时观测磁场信号的波形、记录磁场信号数据并导出磁场信号数据。

本发明的计及变电站现场电磁干扰状况的接地网磁场检测系统，完成了整个磁场检测硬件电路的设计，它具备较强的抗电磁干扰能力，能够在电磁环境复杂的变电站有效采集到测量所需的磁场信号。

本发明还提出一种计及变电站现场电磁干扰状况的接地网磁场检测方法，并给出了硬件设计方案。磁场检测法检测接地网故障时暂态干扰来自于开关动作或二次设备，以高频分量为主，通过分析变电站现场稳态电磁干扰以工频干扰及其奇数次谐波分量得出磁场检测法中暂态干扰信号。通过选取合适频率的励磁电源，匹配以合适的陷波、带通、放大电路，可以实现能够在变电站现场测到有效数据的磁场检测硬件设计，能有效克服电磁干扰对磁场检测法的影响，实现更高精度的故障诊断。

本发明在磁场检测法的基础上，将变电站现场的电磁干扰分布情况进行了分析，设计并制作了可以接收特定频率的反演磁场、可以抑制干扰电磁场的磁场检测装置，打通了磁场检测法在现场实际应用的一层壁垒。首先对接地网进行建模分析，研究了磁场检测法的基本原理，分析了其在理论上的优越性以及在应用层面面临的最大问题，即变电站现场电磁干扰严重，传统的磁场检测设备无法有效工作的问题。其次，分析了变电站现场电磁场干扰的产生原因、分布特点与带来的影响，根据其特点得到对硬件检测装置的设计要求。随后，根据上述的设计要求，设计并制作了整个计及变电站现场电磁干扰状况的接地网磁场检测系统，包括选取合适的励磁电源、设计合适的信号接收与调理电路、显示电路等等。最后，利用接地网模型进行了实验，验证了整个检测方法和系统的有效性、准确性。

本发明的计及变电站现场电磁干扰状况的接地网磁场检测系统及其检测方法，还可以考虑泄漏电流、激励源频率对导体阻抗的影响来进行接地网地表磁场计算，在保证诊断精度的同时大幅减少测量点数量是该方法发展的关键所在。

综上所述，本发明的计及变电站现场电磁干扰状况的接地网磁场检测系统及其检测方法，通过分析变电站现场稳态电磁干扰以工频干扰及其奇数次谐波分量得出磁场检测法中暂态干扰信号，通过选取合适频率的励磁电源，匹配以合适的陷波、带通、放大电路，可以实现能够在变电站现场测到有效数据的磁场检测系统，能有效克服电磁干扰对磁场检测法的影响，实现更高精度的故障诊断。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。