（电气工程专业论文）接地网腐蚀的诊断方法的一种新方法.pdf

至些查兰! 堡堑! ! 兰堡笙茎_ ! ! i ! 墨 摘要 接地瑚对保征变电站安全运行年关重要，但其接地引线和均压导体常因施工 不当或土壤腐蚀使接地网不能满足接地性能要求，当系统发生接地故障时易扩大 事故并危及设备和人身安全。由于接地网埋发存地下，工程上只能根据接地网接 地电阻值变化或通过大面积开挖榆查按地网的腐蚀情况，这些方法带有极大盲同 性、工作量也极大，还影响电力系统的f 常运行。 本文根据故障诊断学原理、网络理论、矩阵理论成计算机算法，使用接地川 拓扑结构图及接地网引下线间的电阻测量值，建、l ：接地阀腐蚀诊断方程。存考虑 了多种影响因素，对模拟电阻网络单支路、多支路腐蚀和局部腐蚀等情况进行了 仿真计算，研究了接地网腐蚀程度诊断方法，测量节点的优化选择方法，现场实 验步骤及现场实验中连接引线电阻和接触电阻影响消除方法。并针对原采用 m a t l a b 软什求解接地网腐蚀珍断方程中诸多问题，采用v b 语言与m a t l a b 相结合 的方法重新编写了接地网腐蚀诊断方程求觯的程序，并建立了友好人机界面，从 而大大提高了输入、输出速度，向本方法工程实用化迈进了大步。 利用本论文研究成果剥l1 0 k v 典发和2 2 0 k v 邮亭变电站接地网进行了现场试 验。现场试验结果表明，本方法已初步满足工程实用化的要求。 关键词：接地刚，接地引线，故障，腐蚀诊断 重庆大学t 程坝l 学似隆文 甍文摘娶 a b s t r a c t t h eg r o u n dg r i di sv i t a lt 0e n s u r et h es a f eo p e r a t i o no fs u b s t a t i o n s b u tc o r r o s i o no f t h ew o u n dl e a d sa n dc o n d u c t o r so f t e nm a k e st h ep e r f o r m a n c ef a l ld o w n w h e nt h e g r o u n df a u l to c c u r si nt h es y s t e m ，t h eg r e a ts h o r tc u r r e n tw i l lb u r n o u tt h eg r i d ，s p r e a d t h ee m e r g e n c ya n dd a m a g et h ee q u i p m e n ta n ds t a f f b e c a u s et h eg r i di su n d e rg r o u n d ， l a r g e a r e ad i g g i n gi sa d o p t e dt od i s c o v e rt h ec o r r o s i o no ft h e 醉di nt h ee n g i n e e r i n g ， h o w e v e rt h el a r g e a r e ad i g g i n gm e t h o di sb l i n da n dw a s t e sl a r g ew o r kt i m ea n d i n f l u e n c e sr o u t i n eo p e r a t i o no ft h es y s t e m w eh a v es t u d i e dt h ec o r r o s i o nd i a g n o s i so f g r o u n dg r i d sf o r m e r l y ，b u tt h e r ei ss o m ep r o b l e mw h i c hh a v en e v e rb es o l v e da b o u tt h e d i a g n o s i sm e t h o di np r a c t i c e a c c o r d i n g t of a u l td i a g n o s i st h e o r y 、c i r c u i tp r i n c i p l ea n dm a t r i xt h e o r y , t h i sp a p e r i n 仃o d u c e st h em a t hm o d e la n de q u a t i o no ff a u l td i a g n o s i sm e t h o d a c c o r d i n gt ot h e d a r kd i a g n o s i sr u l e t h i sp a p e rm e a s u r e sr e s i s t a n c eo fd o w n i e a d 趣g r o u n dg r i da n d a p p l i e de q u a t i o ni n f a u l td i a g n o s i sa n da n a l y z e sc o r r o d i n ge x t e n t ，t h u s t h ec o r r o d e e x t e n ti sc o n c l u d e d s m a l lt y p er e s i s t a n c e n e tc o r r o s i o n ，s i n g l e b r a n c hc o r r o s i o n ， m u l t i p l e ，b r a n c hc o r r o s i o na n dp a r tc o r r o d ea r es t u d i e d ，t h ei n f r a c t i o no fm e a s u r er e s u l t a n de l e c t r o m a g n e t i cd i s t u r b a n c ec o n s i d e r e d ，t h e ns i m u l a t i o na c t s a sf o rb u g si nm a t l a b s i m u l a t i o n ，t h i sp a p e rr e w r i t e st h ep r o g r a mb yu s i n gv ba n dm a t l a b ，a n db u i l d s f r i e n d l yi n t e r f a c e ，t h u st h ev e t o c i t yo fi n p u ta n do u t p u ti sb e i n gg r e a t l yi m p r o v e da n d m e a s u r i n gm e t h o dm a k e sp r o g r e s si np r a c t i c e t e s t sa r ec a r r i e do n 趣d i a n f a | l o k vs u b s t a t i o na n dy o u t i n g2 2 0 k vs u b s t a t i o n 扔 p r o v et h ep r a c t i c a b i l i t ya n df e a s i b i l i t yo fd i a g n o s i sm e t h o di np r o j e c t t h et e s t s d e m o n s g a 把st h em e t h o dh a sn oo b v i o u ss h o r t a g ei np r a c t i c e 。 i n d e x t e r m s ：g r o u n d i n gg r i d d o w n l e a df a u l tc o r r o s i o nd i a g n o s e 啦庆大学工程硕士学位论文l 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出及研究意义 1 1 1 问题的提出 发、变电站的接地网是维护电力系统安伞门j 靠运行、保障运行人员和电气设 备安全的重要措施。发电厂、变电站内集中了许多重要的电7 i 设备，如发电机、 变压器、断路器、电压互感器、电流互感器、避雷器等，他们通过接地引下线与 接地网相连，利用接地网有强的接地作用和散流能力，来抑制电气设备的电位升 高，保证电气设备的安全运 j 。接地删导体常用5 6 0 6 5 0 r a m 的扁钢或直径为 2 0 m m 的圆钢水平铺设，排列成长孔行或者方孔行，埋入地下0 6 一o 8 m ，其面积 大体与发电厂和变电一的而积卡h 同，两水下接地地带的间距为3 1 0 m 。有时为r 要加强冲击电流的扩散通常在接地网上装设集中的垂直接地体，垂赢接地体般 为角钢或钢管，氏度约2 5 ，n 。1 1 6 1 构成接地网的导体埋设存地下，常凶施r = 时焊接不良、漏焊、土壤的腐蚀、 接圭| 墨短黪电浚电动力麴 睾髯等绿因，馒遗列均匿导体之阚或缓缝s l 线与均匿导俸 之问存在电气连接不良的故障点，使缓地网接地性能变坏。当系统发生接地短路 时，可能造成照电侮舅常嚣赢或分奄不均，躲绘运行久员安全带寒严重藏鼹辨， 还可能因反击或电缆皮环流值一次没备的绝缘遭到破坏，高压窜入控制室，引起 检测竣控制设备发生误动俘或挺动瑟扩夫事故，带束巨夫款经济损失秘社会影瞧。 出于接地问埋设在地下，常凶i 壤多年的严重腐蚀，接娥网均压导体或按地 引线变组或蛾裂，僮接地网接地性能变坏，。能发生接地鼓障。捌妇，1 9 9 4 年1 月l 网，四川华茬山发电厂冈变压器中性点接地不良，当系统发牛污闪时，造成变 压器、发电枧严重烧毁的重大枣故睁“，1 9 8 5 1 9 8 6 鼹年阕，潮j e 省溯袋、潜江、武 钢等3 个2 2 0 k v 变电站困接地不良使弧光接地事故扩大为全站停电和设备严羲损 坏事敞口”等。旦发生接地故障，将带来严重的危害，其表域主要如t ：i i 0 1 1 3 1 t 2 5 1 ( 1 ) 沿大地表面的危险电位梯度。 ( 2 ) 由于过电压上丹而造成的电力设备绝缘损坏。 ( 3 )电力系统的中性点的偏移。 ( 4 ) 电力继电保护装置误动。 ( i ) 通过管线和祗琏电路等装臀的高压转移。 ( 6 ) 电力没备机壳j i 的危险电压。 ( 7 ) 接氇俸闫戳的土壤风干。 从上面列举的情况以看出，如粜发电r 、变电站发生接地故障，将带柬巨 重庆人学j 。稃硕i “学位论文 1 绪论 大的经济损失和社会影响，特别是我四面临n 益紧张的i l j 电需求，电力系统规模 和容量的迅速增长，接地短路电流越来越大，对接地技术的要求越来越严格，4 i 但接地电阻值要低，而且均压效果必须良好，维护水平更要提高，则，发电j 、 变电站发生接地故障时，就会烧毁 乜气设备，造成惨重损失。 由于地网埋于地下的隐蔽性，工程上对地网接地性能蚶坏的检测只能通过接 地电阻的人小来f 1 1 j 接判断，但无法了解对地阀导体的腐蚀和断点情况，因为即使 地网导体出现腐蚀和断点，接地电阻仍【u 能正常。所以工程上一般都是在发现地 网接地电阻不合格或发_ 地网引起的事故后，通过大面积开挖查找接地阳导体断 点和腐蚀段，这种方法带有自目性、工作量极大，还影响电力系统的安全运行。 1 12 研究的意义 为此，本文研究一种新的地网渗断方法，能在不停电和小对地网丌挖的情况 下，通过测帚接地引线之m 的电阻，运用电路理论和数学方法，对地网导体的断 点和璃蚀进行检测，及时发现故障隐患，防止由于接地1 i 良造成的危害，对保障 电力系统安全可靠运行，保障设备和运行人员安令具有重要的实际意义。同时， 具有重要的理论意义和社会经济效益。 1 ，2 豳内外研究现状 融l 二接圭龟鲻埋设予地下，王程对接圭逄网接缝性能好蓼的捻渊一般暹过按逮 电阻的大小来问接判断，但无法了解对地网的腐蚀情况，针对这一特殊情况，俐 内铃诲多专家、学者对缝跚等效为纯电疆线性蛹终，将遗网故障诊颤这工程物 理问题，转化为电网络问题进行分析与研究，将屯网络理论知识1 ”l ”2 m “1 引有效地 应用予地网蛉媛障渗断中。故障渗颛聪论f 4 h ”鞍多，方法务异，如事中经嘲络、攒期 理论、专家系统、故障参数识别法、故障字觑发、验证法故障渗断等。 近几年，为了防止接地不良的事故，有些地方刈接地恻的瘸蚀朋燃点逮行y 一 些研究，主要集中在改造地网和如何防腐。目前对接地网的腐蚀研究t 要集中在 三个方面：一是研究发电厂、变电站住设计、安装、维护等方藤存在的主要阍题， 并提出应采取的措施：二是对接地阳藕蚀机理进行了探讨，对接地网腐蚀的影响 嗣素邈行了分析，并研究各种接地材料的腐蚀性能，分析几种接地网防腐蚀方法 的特点：二是对接地阏的腐蚀情况进行检测，实现对接地网免丌挖检赢。 通过查阅豳内外椒关文献，目酶对按地网的电气状况研究较少，有些地方对接 地丽的腐蚀跨断进行了一些研究，但嗣于工稃实际尚存在一些闯题，其体奶下： i 以往的测量方法刈测罨：端口的选择都较为卣日，正确的选择测量端口肖蕊方衄 的优点： a 优化测量：接地网发生腐蚀时，嚣端口的电阻和电压4 日埘变化值不同，选 重庆人学r 狴硕j “半伊论文 1 绪论 择哪些测量端口史有利于测量： b 便于诊断：选择哪些测蕈端口，更有利丁诊断。冈故障诊断方程对r 设障支 路附近的端1 ：3 的参数变化较为敏感。 2 故障的削据，即地叫导体的腐蚀情况和端l 】电阻变化的关系； 敞障诊断方平旱足以少数的测量点判断接地网的整体腐蚀情况，因此方程是欠 定方程，而且测量过程中不可避免存住院差，因此如何较好根据计算的结果判断 接地网的腐蚀情况，以便_ _ l = 程应用需要研究。 3 如何排除下扰： 变电站内的电磁干扰卜分强烈，而测帚的电压或电阻却很小。凶此，选择哪 螳测量设备和采取那种测量方案，才能削弱和消除干扰保证测量的高精度和高准 确度，是需要解决的难题。 4 参数输入繁琐： 由于接地网面积较大，它的拓扑结构节点、支蹄较多，以往都是靠手t 输入 节点连接情况和参数，生成关联矩阵和支路阻抗矩阵。这样不仅繁琐，而且容易 出错。 1 3 研究方法和内容 本文将针对接地网腐蚀诊断这一问题，j 找适当的方法建立数学模型，并运 用此方法进行仿真计算和剑现场试验，来解决t 程实际中的腐蚀珍断。具体研究 内容分以下几个方面： 一、数学模型的建立 接地例埋在地下，相当 。一个黑l 电了，我们知道它的拓扑结构和支路的标称值， 其上自许多通到地而上的接地引线，这样我们町以把它等效成多端口电路恻络， 通过测量运行多年后的接地删接地引线i u j 的电阻( 即网络的端口电阻) ，与腐蚀胁 的端1 2 电阻相比较，得出端口电阻变化量，再运用电路理论，一口建、z 端口电阻变 化量和支路导体电阻变化虽的数学方程。 二、诊断优化研究 本文将解决以往霾手工输入节点连接情况和参数，生成关联矩阵和支路黼抗 矩阵，繁琐、容易出错的情况。使用v b 语苦和m a t l a b 软件相结台的方法，编写 具有友簿入机界面、可视纯的输入界面，自动生成接地嘲拓扑结构瀚，并自动生 成接地网的关联矩阵和支路照抗矩阵，在诊断方稃的求解中提高求解速度。利用 编写静稃序，在考虑了诸多影桷因素，对不黼大小鲍模撅接魄嘲豹擘支路薅蚀、 多支路腐蚀和局部腐蚀进行仿真计算，总结和归纳出故障诊断的规则和规律，为 解决疆场实验| 1 蠢踅爨 共撞导。 三、现场试验 重庆人学r 程碗十学位论文 绍沦 对现场试验的测量步骤、测量方法进行j 探讨，通过仿真试验优化测最点， 解决以往对测量点选择的盲目性。最后，通过对1 l o k v 典发变电站和2 2 0 k v 邮亭变 电站进行试验，验证珲论的f 叮行性，总结存在的问题。 1 4 预期结果和意义 本文研究电力系统发、变电站的接地网的腐蚀诊断。将接地删等效为电阻性网 络；把接地引f 线作为可测节点；把接地网的腐蚀诊断问题，转化为根据端口测 量值确定| i ) 9 络内部参数的问题：通过理论分析、仿真计算和现场试验，建立一个 比较有效，用于接地网腐蚀诊断的 稗的实用方法。 本文完成后，将为电力系统发电厂、变电站提供个简单可靠的接地网珍断工 具，实现在不停电和4 i 对接地网大面积 挖的情况下，对接地网的腐蚀情况进行 检测，指导工程技术人员对接地网的丌挖，减少工作的卣目性和工作量，从而有 效保障电力系统的安全运行。 重庆人学 榉硕十学协论支 2 璀论基础 2 接地网腐蚀诊断方法 2 1 概述 本文研究的接地网腐蚀诊断方法，是将故障珍断理论、网络理论、计算机计算 方法结合起来，通过接地网拓扑结构图和灾际接地网引f 线之问电阻测量值，建 立故障诊断方程。由于诊断方成为欠定方程，在方程求解过干旱中采用了最小二乘 法，并采用故障参数议别法，通过初步判断结合再次诊断对接地网腐蚀状况进行 法断。 2 2 故障诊断理论 2 2 1 故障诊断理论基础 故障诊断的土要任务足：存已知网络的拓扑结构、输入激励信弓和故障下的 响应吲，求解故障c 件的物理位置和参数。通过诊断系统确定故障的部位与严重 程度，并对它们是哲继续运行，是否维修作出决策。同前故障诊断的有关理论和 技术较多，如系统参数辨识，模式识别 发，故障参数识别法，验证法故障渗断 优化技术等；其方法主要有：故障字典 神经网络、专家系统，模糊理论等。 从网络_ j ! 论的发展过程来看，网络理论主要经历了_ 二个阶段”。网络分析阶段、 网络综合阶段、故障诊断阶段，他们的特点见表2 1 表2 1 分析、综台l ，珍断的特点 t a b l e2 1t h ep e c u l i a r i t yo f t h ea n l y l i s i s s y n t h e s i sa n dd i a g n o s i s 类别已知i要求解 嘲络分析激励、网络响i 世唯一 网络综台激励、响府网络不唯一 网络诊断激励、拓扑、u 自廊元什倩要求唯一 上表2 1 是分析、综合与诊断i 者的关系，可以看出诊断通常是多解，j 程 要求解的结果是唯，而艾际上故障渗断方程j 常常是欠定和病态的，多解和无解 的情况是常有的。对1 二故障诊断方程的多解问题，一般采用多种激励的方法，即 在不同的激励下，故障参数保持不变的那一纽解为所求解。因为当改变激励端点、 测量端点或激励电流电压人小r j ，可得到更多的信息。在本文中，将采取改变激 励端点和测量端点的力法。 重庆大7 j 科碗十学位论文 故障诊断通常有二二个环节”： a 正确选用各种传感器及测量于段，检测或豁测被测刈缘的种种特性，采集各 种特性参数； b 对原始的杂乱信息加以分析处理( 数据处理) ，去除干扰，提取反映被测对 象运行状态中最敏感、最有效的特征参数。敝障特征的抽取方法一般有：信号处 理、模式识别、参数辫识： c 根掘提取的特矩参数，参照年门关的诊断规则进行识别、判断，从而对故障的 情况做出预测利判断。由于故障的特征和状态一般小是 对应，凶而要根据研 究结果与规律，建立定的珍惭规则和标准，应用于工程实践，最好是i 叮以量化 的标准。 22 2 故障参数识别法 实现在不停电和不刘地网外挖的情况下，刘地嘲的断点及腐蚀导体进行检测， 及时发现施工过程中遗留的或者运行过程巾各种原因造成的事故隐患，这个问题 实际上属于模拟系统的故障诊断问题，也即是无损伤检测问题。由于地网结构和 埋没方式的特殊性，采用x 射线和超声波检测法是不呵取的。 接地嗍设计、竣工后，由于其各段导体的长度、截瓯积、及材料的电阻率已 被确定，j f j 欧姆定律便可以计算出相应各段导体的电阻值，该值在忽略土壤温度 变化的情况下应该为恒定值，此值称为设计值或者标称值；当地网某段导体发生 断裂或者出现腐蚀时，其导电性能必然大大降低，电阻增大，此值称为实际值。 另一力而，由于各种电e 设备都何和地网相连接的接地引线，如果将地网看作一 个电阻性网络的“黑匣子”，那么接地引线就是这一“黑匣予”网络的；叮及节点， 也就是可测点，如果能够根据地网接地引线之间电压的测量值，应用适当的汁算 方法，求出地网各段导体的实际电阻值，并与设计值相比较( 同时考虑容差的影 响) ，根据其问的差异就可以判断地| 硐是否有断裂导体存在以及它们的位置或被腐 蚀的严重稃度，如果地| 叫某处导体的电阻明显升高，就说明该处导体发! e 了断裂 或者腐蚀；对于一个实际地网，如图2 1 所示的地网，有m 个可及节点，将其等 效为一个纯电阻性线性删络，将m 个可及肖点抽出，得如图2 2 所示的网络图， 这样就可以将地网的故障诊断问题转化为纯理论问题进行研究。 故障参数识别法4 】1 1 1 。1 9 1 是根掘网络已知的拓扑结构及标称参数、输入激励和 输m 响应，估计( 识别) 出网络中所有的参数( 或参数增量) ，最后依照每个参数 的允许容差以确定嘲络中的故障儿件。这实质上是一种参数辨识技术，且不受地 网拓扑结构和可及节点位置的影响，本论文主要讨论故障参数识别法在接地网腐 蚀和断点诊断中的应用。 垩鏖叁堂! ：型塑堂堡堡塞 ! 些堡笙堕 ，1 4 3 -一 。2 5 v 】 v l v 3 v 1 幽2l 有m 个可及节点的地网j 纠幽2 2 地网等效的线性网络 f i g2lt h eg r o u n d i n gg r i do fm r e a c h a b l e f i g 22t h ee q u i v a l e n tl i n e a rn e tno fg r o u n d i n gg r i d n o d e s 2 3 故障诊断方程 以上介绍了故障诊断的基本理论和方法，这些为介绍故障渗断方程打下，基 础，1 、面介绍接地嘲腐蚀诊断模型建立的基本思想和理论基础。 2 3 1 基本思想 埤在地下的接地网的水平均压导体彼此相连构成电路网络，忽略i 壤凶素的 影响，接地网町以霸成纯电阻网络。地网竣工之后山于各段导体的长度、截师 积和电阻率已确定，可得h 它们的原始电阻值；当接地嘲运行多年后某些导体出 现腐蚀或者发牛断裂时，此时的支路电阻与原始值相比变人。这样就得到两个拓 扑结构相一j ，支路电阻4 i 同的电| j 网络。当两个网络上加相同的恒定直流源刚， 会得到刈j j v 的两组端口电阻值。其中原网络的端口电阻值，因拓扑结构，支路电 阻已知，可以根据电网络计算得剑：而腐蚀后接地网的端口电阻值，因变电站电 7 i 设备都有和接地网相连接的按地引线，可以通过接地引线测量腐蚀后接地冈的 端u 电阻值。这样就可以得到端l 变化值，再应用适当的数学方法，r q 以从端u 电阻变化值推出接地嗍支路的电阻变化值，从而判断地刚腐蚀及断点情况。 2 32 基本网络理论 由电j 叫络分析原理”1 ”1 18 1 可知，一个网络n 的许多重要特性主要决定丁网 络的拓扑结构，如网络的关联矩阵、树和割集等概念都依赖于网络的拓扑结构， 而与网络巾的元件的特性和类型无关。伴随脚络的概念正是借助于特勒根定理研 究两个具有相同结构的网络之间的关系。因此伴随网络的概念在元件参数的灵敏 度分析巾茜先得到了应f i 。而网络的故障诊断通常也是在故障冗什不改变网络原 结构的条件f 研究参数的变化情况，因此利用特勒根定理和伴随网络的概念来求 解网络的故障也是很自然的。伴随删络法的基本思想也是求解被测网络中的元件 参数，所不同的是，伴随网络法不是去解元什的实际参数，而是去求解元件参数 的偏差量。因为在敞障诊断中判断一个元件是台有敝障只要看他的参数偏离正常 值的大小就町以了。 一、伴随网络 若牛h 对一个例络n ( 小限j ：线性州络) 有一个网络，其中 a = a ( a 是关联* e i w - ) e = y ：( k 是史路导纳矩阵) 剥j 瓤于e 处e = 0 ( e 为电爪源) ； 对应于，。处，。= 0 ( ，。为电流源) 。 则称网络是网络的伴随网络。 如果网络n 是由纯导纳元件组成( 既山r ，l ，c 组成) ，m 0 k 是一个对角阵， 所以有 疙= y ；= k 同理，支路阻抗矩阵的关系为 之= z ：= 乙 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 二、特勒根定理 对一个具有n + 1 个h 点和自条支路的m 络，特勒根定理有两种表现形式：在仔 一瞬删所有支路吸收功率的代数和为零，即： i ) 功率守恒 6 u 。，。= 0 ( 2 3 ) i i 式( 2 3 ) 中，u 。代表支路的电三，。代表支路k 的电流，u 。，。代表支路女的 电功率，则u 。以= 0 代表了该电路的功率。特勒根定理的表现形式一所陈述的 一i 正是大家所熟悉的功率i 于恒。 功率守恒成立的前提条件是，u 。支路电压满足由该电路的拓扑结构所决定的 k v l 约束，。支路电流满足由该电路的拓扑结构所决定的k c l 约束，同时，支路 电压与支路电流还要满足该吏路k 的支路方稃。 2 ) 似功率守恒 设具有相同拓扑结构的电路n 和对，且对应的支路和节点取相同的编弓，对 应支路的参考方向相同，则有： 6 d + ，+ = 0 。j 1 t = 0 女：j ( 2 4 ) ( 2 5 ) 眼庆大学_ f 稃硕士学协沦文 式中，t 、疗。分别为电网络心的支路电流和支蹄电压，。、u 。分别为电嘲络n 的 支路电流矛u 支路电压。 由上式可以清楚地看剑：特勒根定理的表现形式中的两个等式不再具有支路 功率的物理含义，但式中各项具有功率的量荆，很多教材中将此等，称之“似功 率i 于恒”以区别于功率守恒。 2 。3 3 故障诊断方程 实际变电站的接地网比较复杂，为方便数据的输入和数学方程的建：，本文对 接地网做以_ f 处理和假设： ( 1 ) 不考虑按地网的自然接地体，如白来水管，配电装置构架基础，引入到配屯 装置构架上的架空避雷线、电缆支架及电缆的金腾外皮等。 ( 2 ) 假没测量的接地引线与接地网的连接点都是在接地恻水平支路的节点上。 幽23 接地网模型 f i g2 3t h em o d e lo fg r o u n d i n gg r i d 如图2 3 是经简化的接地网。假设接地网冉n + 1 个节点，6 条支路，m 条拔地 引线，忽略土壤因素的影响，可以将接地网看成f 邑黼网络。 ( 1 ) 原网络端口电隅的求得 簸设在该网络的第f ，端l | 加上一个电流源，其电流德为j 。，定义： a 一选定一个参考符点，网络的关联矩阵： e 一支路导缡矩阵： t 一诲点导纳矩阵； ，。一为支路电流矩阵； u 。一为节点电压列向爨； j 。一为摹点静电流源期向量( j # 激獭接点蠡勺电流值为o ) ； 根据电流原理： 二= a x 致x a l ( 2 ，6 ) 肓火联矩阵a 表示的k c l 和k v l 方 ；早为 聍庆大学r 稃硕十学何论文 a i = 0 u 。= a 7 u 。 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 可以得到 匕u 。= ，。 ( 2 9 ) 从而得到端u 电阻r ： r u = u i n ( 2 1 0 ) 由电路原理可知，对任意一 r 端网络，如果能已知网络的结构和支路的电阻，以 及激励情况，那么，根据节点分析法，就可求出端口电阻。但对于故障诊断来说， 是山r ，求接地网的支路的电阻rt 可以看出它是电路计算的逆问题。 ( 2 ) 故障诊断力程 山特勒根定理可以推导山网络j v 的故障方程。 n 1 ) ( a ) 线肚网络 ( a ) l i n e a r n e t n ( t 丘) ( b ) 网络n 的伴随l 蜘络府 ( b ) t h ea d j o i n tn e t 齑o fn e tn 幽24 线性网络及其伴随网络 f i g24l i n e a rn e tna n d i t sa d j o i n t n e t 对 设网络i v 及其伴随删络膏都m 个别j 、t 的可及端口p ( i = 1 m ) ，内部柯b 条 支路( 见图2 4 ) 。在州个端口施加( 或称约束) ，应用特勒根似功率定理i q 得 吃，“= o ( 2 1 1 ) i = i 6 + “ k ，五，= o ( 2 1 2 ) 将二式相减，并将端口支路部分移到方程的右边得 h ( 乇一吃，。) ：一羔( 乞一吃，。) ( 2 13 ) 分别用k ，l b ，匕和，表示网络中内部支路利端i _ 】史路的电压向量和电流向量， 相j 、立地吃，丘，吃和t 分别表示网络巾对应的电爪向量和电流向量，则上式呵改 o 兰塑塑窭塑生生兰旦坠 ! 堡丝兰型 。，譬k 一努厶= ( 鬈匕一哆，) ( 2 1 4 ) 亨：黟擎警罗璧誓z 掣巴各支熬赢s 电流商量变为k 鹕，乏：， + k ，+ ，。带入( 2 + l3 ) 捋 。 。6 一 ( k 牛矗k ) 譬f 气+ 馘) = 露( + 矗圪) 一哆( ? ，。) j ( 2 15 ) 厂玎式( 2 t 4 ) 碱去式( 2 】0 ) 得 7 i 吃嘭。( 秘啄一鬈钙) ( 2 i 6 ) 忽略土壤闪素的影响，可以将接地网看成一l 乜阻网络，则 z b = 咒 铳+ k = ( 愿+ 慧) ( 屯十他) ( 2 ，i7 ) k2 氓( 十虬) + 民虬 ( 2 1 8 ) 曙= ( 怠五) 7 = 克b 7 j b r 将式( 2 1 8 ) 和( 2 1 9 ) 代入式( 2 j6 ) j j i ：、警ih + 出b 1 + r u 出。一程砭出b = _ 砭v p q 出p ) 利用伴随网络膏和原网络之间的关系可得 吃= 群 ，i j 进一步简化得到 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ， 露皑( 厶+ 她) = 一( 譬匕哆q ) f 2 2 1 ) 兮 k b - - r h t ib j a ) a w = o 冀“p 一吃p 、 可得： 妇田m 。， ，? 世= ” (222)o o - - m嚣掣故障黧兰，竺和原网络，的渊u黝叫佩电流龇，。稚为激0 励，则出，= ，这样就可得 ”o ”川似 w = 此时网络的支路电阻向量由吃变为民7 c 匕 ( 2 2 3 ) 即： 吃= r 网络的端口电f 且向量局变为最，即： r 。 所以有 r p r ， 心p = 一豳，l 、 ( 2 2 4j 翌丛叁堂王型堡! 堂竺丝茎三里兰：j 塑 将式( 2 2 d ) 和式( 2 2 3 ) 代入式( 2 ：2 ) 得： 露r ( ， + ，自) = r e a r p i o 醵，= a r 3 ( 1 h + 出。瞬i 。 0 2 - 2 5 j 如果对故障刚络n 十_ 和原恻络n 的m 个端l j 故q 次激励，可以得到g 个形如式 ( 2 2 5 ) 所示的方程，然后将这9 个方程联立起来，就可以得到端口电阻变化值和 支路巾阻变化值的关系： 监。= 战豫o ib 、十b j io a b ：= r 致( ，。：+ a i b ： i 5 ，。 敞n = r b 飘ib 3 十h o 僻i n 1 2 2 6 ) f一7 厶r 。= 战i ：。ub 。+ a i b 。j 1 i ：io j ( 2 2 6 ) 就是伴随网络法故障方程。该方程的解是r ，如果支路i 有故障， 则足中的i 个分量必为非0 ，若支路，没有故障，则托中的，个分量必为0 。 2 4 方程计算方法和解的讨论 2 41 计算方法 从前面的说明可以看出席是一个已知网络，则露，巧为已知。l b 也町以从网络 n 稽也。放式t 2 。2 6 ) 中可以看l 屯，方程缝藏j ：欠定饕线性方程，无法壹接求簿。 考虑到这样一个事实，即网络n 中真i f 故障史路的参数卜随激励变化而变化，而 伪媛簿淹激瘵不藤纛异。因我灭要援索盘臻中具有摆瓣值熬支漆帮为酸障支荽羲。 解欠定非线性方程，有非线性方程组牛坝型方法、梯度法、非线性最小一：乘 闻题熊迭找法簿方法。考虑到迭代过程夔收敛性翱效枣，最小二乘阀题款迭代法 有着良好的收敛性和搜索故障效率，冈此本义引入最小j ：乘迭代方法。首先，令 篮。0 ，方程缓变黢线性方程缝，根m 方程组欠定，毳爝优化方法求缮，这 样就球出r ( o ) 和聪( o ) ，接着用膨( o ) 汁算出a 。( 1 ) ；然后用，( 1 ) 计算( 1 ) 。 重复上盘熬谴饕，壹烈满足要求，缮到最后载诗舞结爨。 2 4 2 详细步骤 下蟊是整个计算过程的详绌步鹱： ( i ) 从设计圈得到梭地瑚的拓扑结构和计算出各支跺电阻怒，然后根据电路原 理计算出，选取一些测量节点组求出理论节点问电瞰取。、( s = 1 m ) ； ( 2 ) 测量一些臻日电阻蜀。，计算嫡口电阻变纯值a 吩。，) = 弼。，一舀。；赋端口 电阻i m 餐变化使a r = 一a ( 33 令= o ； ( 4 ) 用方程组( 2 2 6 ) 结合优化方法计算出删。( s ) ( 仁0 , 1 、r l ，t 足迭代次 重庆犬1 学i 。群颂十学f 论文 数) ；然后计算出“：r + r “： c 5 ) 如果f 1 而且l r “一r “”i s ，那么停止迭代汁算，认为聪“为最后结 果，( g 为设定的常数) ：否则继续下一步； ( 6 ) 用碍“计算乇9 “；重复第，1 步。 因为方程组( 2 2 6 ) 巾未知量的总个数足6 ，要得到这些变量的精确值，方程 数的个数应为6 ，但6 的数值很大，在工程上要完成这些多次的测量不可能。为了 得到较好的精确值，需要用剑最优化技术旧“： ，( 酬“，监凡。喇“) = ( 蕊一峨) 2 ( 2 2 7 ) j = l s f 0 尺：“q ”+ r ( k = 1 , 2 、b ) 这些就是理论上的求解过程，本文将选用计算机算法来完成求解。m a t l a b 足美困m a t h w o r k s 公司自2 0 世纪8 0 年代中期推出的数学软件，具有优秀的数值汁算 能力和卓越的数据可视化能力，能较好的解决了方程纽的欠定问题。根据m a t l a b 的多种方法的验证，本文根据卜碡i 求解的步骤，选用m a t l a b 6 o 中的非负最小二乘 法，编写汁算程序。下面的所有计算程序，包括仿真计算、故障诊断图都是在m a t l a b 上运行或得至0 的。 2 5 关联矩阵的生成 由上可知，输入接地网的关联矩阵a 和支路阻抗矩阵z 是此方法的必要工作， 以往的输入方法为：首先，对地网拓扑结构节点、支路编号；其次，输入各节点、 支路的连接情况和参数：最后0 1 成关联矩阵和支路阻抗矩阵。 以邮亭2 2 0 k v 变电站为例，此接地网拓扑结构有2 6 0 个节点，4 8 5 条史路，返 将使输入丁作异常繁琐而且极易出错，掘粗略统计，手_ 输入此规模接地刚拓扑 结构关联矩阵的时间大约为4 、5 个小时以上而日需要复查，效率极低。 本文利用v b 语言编写了接地网拓扑结构生成程序，力求提高输入关联矩阵工 作的效率。本程序的基本思想是：考虑接地网络大体呈标准的网格形，先生成标 准的矩形网格，再根据实际地网拓扑结构对节点和支路进行修改，得到最终图形。 现以邮亭2 2 0 k v 大型史电站为例对本程序简介如卜： 一、髓陆界面( 如图2 j ) ： 至盎奎堂三堡堡主堂垡堡奎 一三里i 垒! 墨堕 当前站点输入变电站名称，系统将自动对某一变电站地网的地网导体情况进行 记录，动态的记录每根导体的腐蚀情况，便于将多次测量结果比较。另设计了登 陆用户和口令栏，便于保密。 二、生成标准矩形网络： 如图2 6 为添加标准矩形网络的输入界面：将实际中可能并不规则的接地网拓 扑结构看成标准形状，暂时忽略缺角、凸出等不规则情况。邮亭2 2 0 k v 变电站1 9 行、1 4 列，故将1 9 、1 4 分别录入横向节点数目、纵向节点数目。起始点坐标可以 任意确定，对生成结果和计算结果并无影响。阻值设置一栏中利用地网导体的分 布规律，将每一行各个支路的电阻和每一列各个支路的电阻分别录入，使得本录 入程序不仅适用于等问距布置的地网结构，对不等间距布置的地网，通过支路阻 值的变化，也可以有效的表示出来。 输入完毕并运行后，得到如图2 7 的标准拓扑结构，为一1 9 1 4 的标准矩形 网格。生成图形的同时，对每个节点、每条支路都进行了编号。 1 4 重庆大学工程硕士学位论文 2 理论基础 三、最终拓扑结构的生成 图2 7 标准拓扑结构 f i g2 7s t a n d a r dt o p o l o g y 图2 8 编辑界面 f i g2 8e d i ti n t e r f a c e 在生成标准拓扑结构后需根据实际地网结构进行编辑。图2 8 为编辑界面， 以删除节点3 为例，在当前节点号中录入3 ，单击删除节点即可将与节点3 支路连 接的三条支路2 、5 、6 删除。对实际地网中各个需要编辑的部分分别进行编辑就 可以得到如图3 5 的实际地网图( 部分) 。 重庆大学工程硕士学位论文 ! 望笙墨型 一一 图2 9 最终拓扑结构 f i g2 9t h e f i n a lt o p o l o g y 另外本程序还包括检测及分析报告和告警及操作记录两部分，均比原方法形 象，更便于与历史记录的比较。 运用v b 语言编写的输入界面程序比较原手工输入有很大的优越性。首先，输 入方便。以邮亭2 2 0 k v 变电站为例，对2 6 0 个节点、4 8 5 条支路进行编号及其连接 关系的输入需要4 、5 小时以上。此程序实现了自动编号，在生成拓扑结构的同时 节点编号、支路编号自动生成。大大减少了阻抗矩阵的输入量，手工输入将4 8 5 条支路的阻抗全部输入，而程序仅需1 9 + 1 4 = 3 3 个支路的阻抗就可以准确表示不同 布置结构的地网，整个输入工作仅需要几分钟时间即可完成。其次，程序形象、 准确。程序生成地网拓扑图，一切编辑和修改都在拓扑图上进行，关联矩阵和支 路阻抗矩阵根据修改自动变化，直观而且准确。原手工输入需对关联矩阵进行多 次复查才可应用，效率很低。最后，v b 为一种编译程序，有很高的效率和保密性， m r f l a b 是一种解释语言，计算速度慢。本程序易于功能扩展、延伸，有友好的人 机界面，便于将来与硬件管理接口的设计。 2 6 本章小结 本章的内容主要包括两部分，第一部分是故障诊断理论，这些理论是接地网故 障诊断方法的基础：第二部分是建立数学模型，建立故障诊断方程并讨论相应的 数学方法，为以后的仿真计算和现场实验探索提供理论基础。 根据故障诊断的基本知识，本文通过测量接地引线间的端口电阻作为诊断的 测量数据。由网络理论可知，己知的拓扑结构与标称参数，输入激励和输出响应， 1 6 重庆人学j 二程硕士学位论文2 理论基础 则可估计出网络所有的参数( 或参数增量) ，确定网络中的故障元件。在本文中， 通过改变激励端点( 测量端点) 的方法，来确定故障支路，最终腐蚀支路的位置 和电阻增大倍数保持不变的那一组解为所求解。 重庆火学上群硕士学位论文3 仿真计算 3 接地网腐蚀诊断优化研究 3 1 概述 在第二章中已经阐述了接地网腐蚀诊断的基本方法，本章的工作是用上述理 论与方法对地网的多种故障情况进行仿真计算，对接地网腐蚀诊断测量端口进行 优化研究。 应用前面提出的地网腐蚀和断点诊断的方法，对地网的单支路断裂及腐蚀、 多支路断裂及腐蚀、地网的局部性腐蚀等多种故障情况进行仿真计算，并用图表 综合分析诊断结果，总结诊断方法的规则和规律。 3 2 荤支路腐蚀诊断情况 荜支鼹篷溪寤 盎或辑裂静仿真诗舅过程是逶逯毒簪完据圭| 奎溺豹蘩一段连接导 体人为截断，分别接入不同阻值的电阻，模拟地网导体不同程度腐蚀和断裂情况。 下覆以一4 x 4 小型弱络为甥寒分褥单交路崮臻叛裂及瘸蚀酵静诊蕻l 主濑，强鹜3 。l 所示的地网。 出予网终豹支鼹耪节点较多，为方埂理簿，本文一敷先黠瞬终载支鼹窝节点 编号做一个总体说明，如图3 1 ：在诊断时则只标出测爆节点和诊断出的故障支路 艨褒豹经翟，熟圈3 ，2 中“一”麝示；渗鼗出戆鼓障信惠包瑟数黪支路瓣位萋移 其电阻相对于标称电阻增大的倍数，本文中用两个图来表示，故障支路的位置用 “x ”在网络氍标出；壤丈毂镶鼗爱揆坐标是支路序号、缀坐褥是电隧增大睡数 的图形表示。 2 l 2 22 3 2 4 ； 8 掩 2 t 2 8 z ， q 圆1 0 1 1o 1 2 i i 3 2誊； 群 la o 1 4 1 5 1 6 l l 3 8 秘 17 1 8 19国2 d 翻3 i ，j 、搿嗣络的谶接图 f i g3 ，1t h ed i a g r a mo fm i n i a t u r en e t w o r k 淄3 ，1 是小型网络的连接潮，共有2 5 个节点，4 0 祭支路，支路电黼取为l n 重庆大学工氍硕士学位论文 3 仿真计算 节点和支路的序号如图3 】示。生成关联矩阵时，选取节点2 j 为参考节点。 如图3 2 假设第2 8 支路发生腐蚀，支路电阻变为1 1 q ，电隰增大0 1 倍。 运用诊断理论得出诊断故障点和故障值，与设定值比较来验证此方法的可靠性。 _ r 2 b 一 图32 文路2 8 腻蚀 f i g3 2t h e2 8 t hb r a n c hd i a g n o s i s 诊断过程如下表3 1 所示，表中“测量节点”一栏表示的是测量时所选取的 节点对，如1 一l l 表示的是测量节点l 和节点】1 两节点之间的电阻；“诊断结果 ( 支路) ”一栏表示的是选取测量前面的测量点时的计算结果目u 诊断出的故障支 路号。