作者特稿｜接地网腐蚀诊断的新思路：引入医学中的电阻抗成像技术

征稿｜第四届轨道交通电气与信息技术国际学术会议

招聘｜中国电工技术学会招聘学术期刊编辑

征稿｜中国电工技术学会电机与系统学报（英文季刊）

摘要

输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）、国网河南省电力公司电力科学研究院的研究人员李星、杨帆、余晓、董曼玲、姚德贵，在2019年第5期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“基于内源式电阻抗成像的接地网缺陷诊断逆问题研究”）指出，如何实现对接地网局部支路导体的腐蚀缺陷检测是电力部门一直致力于解决的问题。

该文研究了基于电阻抗成像（EIT）技术的接地网场域电阻率分布成像方法,并对接地网腐蚀缺陷进行诊断。首先针对接地网的开域场问题,建立其内源式电阻抗成像正、逆问题模型。其次对于其逆问题的病态性,提出一种基于改进正则化的牛顿-拉夫逊迭代方法对接地网的逆问题进行求解;针对接地网场域的大尺寸和土壤与扁钢电阻率的高对比度问题,提出土壤分离和分区成像的方法,提高了图像的分辨率。最后通过实验对接地网的腐蚀缺陷进行了电阻抗成像诊断,实验结果表明该方法能够对腐蚀缺陷进行准确定位,验证了该方法的正确性。

► DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180336  ◀

研究背景

接地网是变电站、发电厂等的重要组成部分，是电力系统安全和稳定运行的保障。接地网埋于地下，由于焊接不良、泄露电流原电池效应和土壤腐蚀等原因，接地网支路易发生腐蚀、断裂，从而降低接地性能，严重威胁人员和电力系统的安全。对于已经建设的老旧变电站，需要对接地网的腐蚀进行定位判断，从而指导开挖检修。

现有的基于磁场测量和电网路理论的接地网腐蚀诊断方法受到环境和理论算法的影响，其诊断效果还有待提高。为此，本文研究了生物医学电阻抗成像与接地网腐蚀诊断的异同，将电阻抗成像（EIT）引入到接地网的腐蚀诊断中，主要研究了成像中的逆问题及其解决办法，提高了成像质量，验证了该方法的可行性。

论文所解决的问题及意义

通过引入医学中的电阻抗成像技术对接地网的腐蚀诊断进行研究，在工程中为接地网的腐蚀诊断提出一种新的解决思路，发展了生物与电气领域的交叉应用；在理论上，研究成像问题的病态性，提高成像的分辨率与抗噪能力，有利于成像技术的进一步发展。

论文方法及创新点

（1）成像场域对比分析与建模

通过对比分析，考虑到接地网腐蚀诊断的问题可以转化为接地网场域的电阻率分布求解问题，因此与电阻抗成像技术具有相似性。同时，接地网场域存在大尺寸，电阻率高度比度等问题，会加重成像病态性。为了从物理建模上提高成像精度，分析了接地网场域的电流场分布，结合接地网支路与土壤的电阻率高对比度，提出了“土壤分离”的成像方法，建立起只含有支路网络的成像场域，在此模型上进行成像，大大提高了成像分辨率和腐蚀定位的精度。

（2）成像病态性研究与改进正则化

电阻抗成像是一个数学病态问题，在接地网成像中，由于其接地网场域的自身特性，其病态性更加严重。为了抑制接地网电阻抗成像的病态性，从病态性的产生根源上分析了不同正则化的处理效果。将现有的两种基本正则化方法与逆问题迭代求解过程中的解集相结合，提出一种改进正则化方法，对病态性算子的奇异值进行了不同程度的修正（如图1所示），降低了病态算子的矩阵条件数，提高了成像稳定性与成像精度。

图1 不同正则化下的病态奇异值

（3）成像方法完善与实施

接地网的成像激励注入与数据采集均来自于接地引下线，因此是一种“内源式”成像。为了提高成像的图像质量以满足工程需要，提出了将接地网有意识地分区，并在重点关注区域进行分区成像，该方法结合土壤分离成像，使图像质量大大提高。同时，针对实际中的接地网，可以有选择性的成像检测，提高了成像效率。实验室进行了电阻抗成像的接地网腐蚀诊断模拟实验，其成像结果如图2所示，从图像中可以清晰定位预置的腐蚀支路点，验证了该方法的可行性。

图2 接地网电阻抗成像腐蚀诊断结果

结论

提出了接地网的电阻抗成像方法：

• 在接地网的电阻抗成像逆问题中，该改进正则化方法对病态算子奇异值进行了有效的修正，降低了成像病态性，提高了成像分辨率；

• 土壤分离和分区成像提高了对腐蚀缺陷的定位准确度和诊断效率，能够对接地网支路的局部腐蚀进行定位和腐蚀程度判定。

引用本文

李星,杨帆,余晓,董曼玲,姚德贵. 基于内源式电阻抗成像的接地网缺陷诊断逆问题研究[J]. 电工技术学报, 2019, 34(5): 902-909.Li Xing, Yang Fan, Yu Xiao, Dong Manling, Yao Degui. Research on the Inverse Problem of Grounding Grid Fault Diagnosis Based on Inner-Source EIT. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(5): 902-909.

团队介绍

李星

博士，担任Asia-Pacific Journal of Electronic and Electrical Engineering期刊审稿专家。先后参与国家自然科学基金项目、工信部专项项目、国家电网项目等6项，现主要从事生物医电与电磁成像相关领域的研究。

杨帆

教授，博士生导师。中国电机工程学会理论电工专委会委员、《High Voltage》期刊Associate Editor、CIGRE电磁环境与保护工作组会员。研究方向为电磁热多物理场与电磁环境。出版著作2部，发表论文70余篇，其中SCI论文30余篇，国内授权发明专利30余项。

团队现有教授1名，博士后1名，博士/硕士研究生20余名。近五年先后承担承担国家973计划、国家自然基金、青年基金等项目10余项，其他省部级横向课题30余项。获国家电网科技进步奖1项，其他省部级奖项3项，在SCI/EI期刊发表论文30余篇，国家发明专利授权30余项。