（电工理论与新技术专业论文）变电站接地网缺陷诊断方法和技术的研究.pdf

华北电力大学博士学位论文摘要 a b s t r a c t t h eg r o u n d i n gg r i d s o fs u b s t a t i o n sa r ei m p o r t a n tm e a s u r et ok e e ps t a b l eo p e r a t i o no f p o w e rs y s t e ma n ds a f e t yo fo p e r a t o r so rp o w e ra p p a r a t u s i t sg r o u n d i n gc a p a b i l i t yi sa l w a y s p a i dm u c ha t t e n t i o nb yc o r r e l a t e dd e p a r t m e n t s t h ep o w e rs y s t e ma c c i d e n t sc a u s e db y c o r r o s i o na n db r o k e np o i n tf a u l t so ft h eg r o u n d i n gg r i d sa r eo f t e nt a k e np l a c ea n de c o n o m i c a l l o s si sl a r g ei nc h i n aa n di n d i a h o wt od i a g n o s i st h ef a u l t sc o n d i t i o no fg r o u n d i n g 鲥d si sa v e r yi m p o r t a n tp r o b l e mr e m a i n e dt o b er e s o l v e d g r o u n d i n gg r i d sa r eb u r i e di ns o i l ，s oi t i s d i f f i c u l tt oa c q u i r et h e i ri n f o r m a t i o n ap r a c t i c a la n de f f e c t i v ed i a g n o s i sm e t h o da n d t e c h n o l o g yw i t h o u to p e n i n g 鲥d sa n ds t o p p i n go p e r a t i o n i sn e e d e d s u p p o r t e db yt h e s c i e n t i f i cf u n d sf o ro u t s t a n d i n gy o u n gs c i e n t i s t so fc h i n a ( n o 5 0 3 2 5 7 2 3 ) a n dt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 5 7 7 0 1 9 ) ，t h e m a i ni n n o v a t i v er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 an e wd i a g n o s i sm e t h o do ff a u l t so fs u b s t a t i o n s g r o u n d i n gg r i d si sp r e s e n t e d a n e x c i t i n gc u r r e n to fs i n ew a v ei si n j e c t e dd i r e c t l yi n t og r o u n d i n gg r i d sb yt w ol e a d w i r e s a n dt h e nt h ed i s t r i b i u t i o n so ft h es u r f a c em a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t i e sa r e m e a s u r e d a tl a s t ，t h ec o r r o s i o nc o n d i t i o n so rb r o k e np o i n t so ft h em e s hc o n d u c t o r s w i l lb ef o u n db ya n a l y z i n gt h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dc o m p a r i n gw i t ht h e r e s u l t so ft h en o r m a ls i m u l a t i o nc o m p u t a t i o n s t h ef e a s i b i l i t ya n dc o r r e c t n e s so ft h e d i a g n o s i sm e t h o da n dt e c h n o l o g ya r et e s t e db ys i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n s 2 t h ee l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t si nd i f f e r e n ts u b s t a t i o n sa r em e a s u r e da n da n a l y z e d t h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c eo fw o r kf r e q u e n c ya n dt r a n s i e n tm a g n e t i cf i e l da r e m e a s u r e di nd i f f e r e n tp l a c e sn e a rt h et r a n s f o r m e r , c t , p ta n dm o t h e rl i n e si nllo k v , 2 2 0 k va n d5 0 0 k vs u b s t a t i o n s t h e c h a r a c t e r i s t i co fc o m p l e xe l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n ti sg i v e ni ns u b s t a t i o n 3 t h em e a s u r i n gs y s t e mo fe l e c t r o m a g n e u c i n d u c t i o n i n t e n s i t y i n c o m p l e x e l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n ti s d e s i g n e d t h em e a s u r i n ga v a i l a b i l i t y o f e l e c t r o m a g n e t i ci n d u c t i o ni n t e n s i t yi sc a r r i e do u tb yu s i n g t h e s et e c h n o l o g ym e a s u r e s o fa m p l i f i e r , n o t c h f i l t e ra n db a n d p a s sf i l t e r , a n ds oo n t h ea v a i l a b i l i t yo ft h e m e a s u r i n gs y s t e mi st e s t e db ye x p e r i m e n t sa n d i t si m m u n i t ya b i l i t y ，d i s t i n g u i s hr a t e a n dp r e c i s i o ns a t i s f yt h ed i a g n o s i sd e m a n d s 4 as p e c i a ls i n e w a v ee x c i t i n gs o u r c eo fd i f f e r e n tp o w e rf r e q u e n c ys y s t e mf o rt e s t i n g t h eg r o u n d i n gg r i d sf u n c t i o n sa n dd i a g n o s i n gf a u l t s i s d e s i g n e d b a s e do n t e c h n o l o g i e s o fl i n e a ra m p l i f y i n ga n di m p e d a n c et r a n s f o r m a t i o n ，t h ep r o b l e mo f 一些! ! 皇垄奎兰堡主兰垡笙奎塑至 - _ 。- _ - _ _ - _ _ _ _ l _ _ - l _ _ _ _ - - _ _ - - l - _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ 。_ - 。_ - 一一。 一 i m p e d a n c em a t c h i n gb e t w e e n t h ep o w e ra m p l i f i e ra n dt h el o a do fg r o u n d i n gg r i di s s o l v e di nt h ec o n d i t i o n so fw i d e rf r e q u e n c yb a n da n dh e a v i e ro u t p u tc u r r e n t a t t h e s a m et i m e ，t h ew o r k i n gf r e q u e n c ya n do u t p u tc u r r e n tc a nb ea d j u s t e dc o n t i n u o u s l y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ea b i l i t i e s o f d r i v i n gl o a da n dc u r r e n to u t p u tc a ns a t i s f y t h ed e s i g nd e m a n d s t h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ss h o wt h a tt h ed e s i g no ft h e s o u e c ci sr e a s o n a b l ea n di tc a nb eu s e dt o c h e e kt h eg r o u n d i n gs y s t e mf u n c t i o na n de x a m i n et h ef a u l t 5 t h ef a u l t so fb r o k e np o i n ta n dc o r r o s i o na l es i m u l a t e db ye x p e r i m e n t si nat e s t i n g g r o u n d i n gg r i d t h ed i a g n o s i sm e t h o d a n dt e c h n o l o g ya r et e s t e da n da p p l i e di naf e w p r a c t i c a ls u b s t a t i o n s t h et e s t i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h i sd i a g n o s i si d e ai sf e a s i b l e ，t h i s d i a g n o s i sm e t h o di se f f e c t i v ea n d t h i sd i a g n o s i st e c h n o l o g yi sd e p e n d a b l e k e y w o r d s ：s u b s t a t i o n ，g r o u n d i n gg r i d s ，f a u l td i a g n o s i s ，e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t ， m e a s u r i n gs y s t e m 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文变电站接地网缺陷诊断方法和技术的 研究，是本人在华北电力大学攻读博士学位期间，在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。 签名：日期：412 量：! 竺 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复 制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学 术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 华北电力大学博士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章引言昴一早，i 苗 接地网是变电站安全运行的重要保证，其接地性能一直受到设计和生产运行部门的 重视。接地网在变电站安全运行中，不仅为变电站内各种电气设备提供一个公共的电位 参考地，在接地网遭受雷击或电力系统发生短路故障时，还能迅速排泄故障电流，并降 低变电站的地电位升。接地网接地性能的优劣直接关系到变电站内工作人员的人身安全 和各种电气设备的安全及正常运行u 。 变电站接地网的设计是保证大型接地网安全性能的前提，随着电力工业的发展和超 高压输电线路的建设以及城市电网改造的大规模进行，接地网在运行中，面临的安全问 题是造成接地网设计与实际安全运行的矛盾。影响变电站接地网安全问题的因素是多方 面的，既有站内的因素也有站外的因素。这些安全问题不仅包括传统的接地阻抗、地表 电位分布、跨步电压和接触电势等老问题，更有不断出现的更加复杂的新问题。 构成接地网的导体埋在地下，长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，可能导致接地网导体及接地引线的腐蚀，甚至断裂，使精心设计 的接地网的电气连接性能变坏、接地电阻增高。一旦电力系统出现接地短路故障，可能 引起接地网本身局部电位差或接地网电位异常增加的现象，这不仅会给运行人员带来危 险，也可能因为反击或电缆外皮环流破坏二次设备的绝缘能力，如果高压串入控制间， 极易造成检测和控制设备误动作、不动作而扩大事故，造成巨大的经济损失和社会影响。 在我国，因接地网腐蚀、发生断裂等缺陷引起的电力系统的事故时有发生，每次事故都 会造成巨大的经济损失。每次造成的直接经济损失都在几百万元至几千万元h 。7 1 。 在腐蚀性较强的土壤中，接地网金属的年腐蚀率可达2 0m m ，腐蚀性强的土壤中 可达3 4m m ，腐蚀性极强的土壤中可达8 0m i l l 。在这些地区，接地网腐蚀是影响电力 系统安全运行的重要因素。在实际工程中，对于接地网故障点的测量手段比较原始，常 根据地区的土壤腐蚀率，经验地估计接地网导体腐蚀程度，然后抽样挖开检查。这种方 法带有盲目性、工作量大、速度慢，并且还受到现场运行条件的限制，不能准确地判断 腐蚀程度和断点。同时，发变电站承担着国民生产和人民生活的重任，每次停电检修都 不可避免地带来许多经济损失，给实际操作带来困难。对于引线故障的检查判断，常采 用肉眼和摇动的方式进行判断，这种方法对于接地引线较深处的导体和接地网网格导体 的腐蚀情况是无效的阻】。 接地网的故障已是电力系统安全运行的重要隐患，查找接地网的断点及严重腐蚀段 已成为电力部门一项重大的预防事故措施。电力系统迫切需要找到一种简便、准确、不 受现场运行条件的限制，实现在不停电和不挖开的情况下，对接地网进行诊断的方法和 1 第一章引言 实用的检测系统。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 接地网接地性能计算和设计的研究进展 对电力系统接地技术的研究可以追溯到上个世纪初，伴随着电力工业的兴起和发 展，早在1 9 1 5 年f w e n n e r 就提出了土壤电阻率的测量方法，这种方法直到现在仍然被 广泛使用 9 - 1 1 。此后，不断有关于接地方面的文献发表n 2 叫刖，这些文献或者从电磁场理论 分析入手，或者从实验室模型测试入手，得到了简单接地网设计的经验公式和有指导意 义的结论，有些成果至今仍可用于简单接地网的设计。伴随着电子计算机的飞速发展， 数值计算方法日趋成熟，从二十世纪七十年代开始，使用数值计算方法设计安全性能优 越的接地网成为趋势。 国外对接地网的研究起步早、研究深入，在计算方法、计算软件和试验方法等方面 均取得很大进展。1 9 6 8 年，r f h a r r i n g t o i l 发表了关于矩量法的经典著作n 们，阐述了分 析细导体结构电磁场问题的方法。1 9 7 2 年，t h g i a o 首先提出了基于矩量法的接地网 接地性能分析方法，并分析了两层土壤对接地网的影响啪1 。此后n - 十世纪八十年代初， 陆续发表了大量分析接地网接地性能的论文乜卜剐a 在这些研究工作中，以加拿大f d a w a l i b i 及其领导的研究小组做的研究最为深入，他们不仅提出了分析接地网的新方 法，而且通过实验验证了其方法的有效性，并分析了大量影响接地网接地性能的因素。 他们的研究成果经过总结写成了美国电力科学研究院( e p 对e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c h i n s t i t u t e ) 的报告叫。但是，这个时期的研究工作还不能分析接地网的瞬态性能。 进入二十世纪八十年代中期，系统地分析接地网接地性能的方法逐步完善起来，分 析的问题也越来越全面口心】。此后f d a w a l i b i 研究组将其接地网分析方法逐渐完善，并 于1 9 8 6 年发表了完善的基于矩量法分析接地网的文献口引。该文献从电磁场理论的角度 建立了接地网的频域分析方法，考虑的问题比较全面。这个时期，对接地网的分析仍然 主要限于直流和工频情况，但已出现了有关接地网瞬态分析的论文h 州6 1 。 二十世纪九十年代以来，关于电力系统接地技术研究的文献大量涌现，这些文献从 不同角度使用不同方法对接地网进行了全面的分析h h 引。l d g r c e v 利用天线理论建立 了接地网的高频分析方法h l 6 。6 羽，并使用该方法分析了接地网的瞬态性能，同时还与实 测数据进行了对比。ed a w a l i b i 研究组总结了其前期的研究工作嘲1 ，对接地网进行了瞬 态分析。a eo t e r o 提出了分析接地网的电路模型口2 川，比较了该方法在接地网瞬态分 析中的有效性。时至今日，国际上在接地网接地性能分析的计算方法、计算软件和实验 方法等方面均取得了很大进展，不但有完善的接地分析软件包c d e g s 和t r a g s y s 口刀， 而且有变电站接地网安全设计的标准m 1 。使用这些研究成果，在变电站设计阶段即可以 2 华北电力大学博士学位论文 通过在对土壤电阻率进行大范围测试的基础上对土壤电阻率建模，并进行接地网的分析 与设计。而对于已投入运行的变电站接地网，特别是出现保护和自动化设备运行故障的 变电站接地网，可以通过测试和分析，找出可行而有效的补救措施。这些成果的工程应 用取得了显著的经济效益。 与国外相比，我国的研究和应用工作较晚。我国在变电站接地网接地性能方面的研 究工作也取得了较大进展p 蝴1 ，谢广润教授在接地技术方面的研究成果为我国的接地网 设计奠定了较好的基础。华北电力大学在变电站接地网接地性能的频域电磁场数值计算 方面取得了较完整的研究成果。文献 8 0 提出了基于复镜像法的恒定电场中多层水平分 层土壤的格林函数及其对土壤参数偏导数的快速算法和对该格林函数待定系数以及高 频下半无限大导电媒质中广义索末菲积分待定系数进行了采样的自适应方法。建立了基 于土壤电阻率测量数据的多层水平分层土壤电阻率快速建模方法。为使用电磁场数值计 算方法快速分析变电站接地网在工频和高频时的接地性能奠定了理论基础。提出了基于 矩量法和电路理论的分别以接地导体漏电流为未知量并忽略导体间互感影响和以接地 导体轴向电流为未知量并计及导体间互感影响的两种接地网工频电磁场数值计算方法， 并将前一种方法进一步扩展到可以计算垂直分层土壤中的接地网、连有绝缘电缆的接地 网以及输电线路及铁塔附近三维工频电场。这两种方法使用的未知量少，分析的情况比 较全面，不仅可以分析接地网的工频接地性能，用于分析1 m h z 以内接地网的接地性能 都是有效的，并通过数值计算和实验对比证明了，1 m h z 以内分析接地网时可以忽略接地 导体之间的互感，前一种方法可以满足工程设计的需要。提出了基于矩量法的接地网高 频电磁场数值计算方法。该方法使用的未知量较少，可以分析1 m h z 以上接地网的接地 性能。基于快速傅立时变换，可以分析雷击时接地网的瞬态性能。另外，基于上述计算 方法，开发了变电站接地网频域电磁场数值计算软件包，并利用该软件包对大量工程问 题进行了计算和分析，获得了大量有工程价值的结果，并被工程部门采用。文献 8 1 提 出了水平或垂直任意分层的土壤中格林函数的递推算法，并借助于l i p s i t c h 积分和 p r o n y 法对点电流源产生的电位，同时利用递推算法推导了半球形任意分层土壤的格林 函数，并利用笫类修正勒让德函数和p r o n y 法对点电流源产生的电位进行计算。这种 方法避免了任意土壤分层中格林函数的复杂推导过程，为应用矩量法计算任意分层土壤 中接地网的接地性能奠定了理论基础。提出了分析含有有限体积的参数不同的材料的水 平分层土壤中的接地网接地性能的方法，该方法基于矩量法和边界元法，以接地网的漏 电流和有限体积的材料表面的面电荷为变量，可以用于任意分块形状的多层水平分层土 壤的接地网接地性能分析。基于上述方法，开发了计算变电站内的工频和瞬态电场分布 的计算软件。文献 8 2 结合三峡5 0 0 k v 输变电工程，在国内首次研究了保护下放后接地 网接地性能问题。研究了分层土壤电阻率的建模方法。基于变电站土壤电阻率的大范围 测量结果，应用电磁场数值计算方法建立了分层土壤电阻率模型，以准确地等效实际土 3 第一章引言 壤电阻率。应用矩量法研究了变电站接地网接地性能计算的电磁场数值计算方法。可以 准确地计算变电站接地网的接地阻抗、地表电位分布、接触电压和跨步电压，可以应用 于大型接地网的设计和接地性能分析。对雷击变电站接地网导致保护小室产生不均匀分 布的瞬态地电位升进行了大量分析和计算。深入研究了保护小室接地网与变电站接地网 的连接方式，将电磁场数值计算方法与我国现行接地规程中给出的经验公式在土壤电阻 率、工频接地阻抗、最大接触电压、地表电位分布和冲击接地电阻、雷击接地网产生的 瞬态地电位升等方面进行了比较分析。 从国内外的研究现状看，在电力系统接地网接地肿i l - 七厶匕i = j v , 计算和设计的研究方面，已较 为成熟，现有的软件基本上可以满足接地网接地性能分析和设计的工程需要。 1 2 2 接地网缺陷诊断方法和技术的研究进展 接地网缺陷常因施工时漏焊、脱焊、腐蚀以及接地电流电动力等因素引起，通常造 成接地引下线虚接、断开以及引线和水平均压导体变细或断裂等缺陷。在我国南方多雨 和东部沿海地区，腐蚀是引发接地体缺陷的主要原因。接地体腐蚀环境主要分为大气腐 蚀和土壤腐蚀两种，接地引下线和电缆沟内的均压带，易发生大气腐蚀；各种垂直和水 平接地体易发生土壤腐蚀。接地装置易发生腐蚀的部位主要是：设备接地引下线及其连 接螺丝、各焊接头、电缆沟内的均压带和水平接地体。接地体的腐蚀原因大致可分为以 下几种情况：土壤腐蚀性强，在偏酸性土壤、风化石土壤和砂石土壤中，最易发生析氢 腐蚀和吸氧腐蚀；接地体采用再生钢材，由于杂质超标，在地下易发生电偶电池腐蚀； 使用了腐蚀性较强的降阻剂，特别是一些化学降阻剂，由于含有大量的无机盐类，加速 了接地体的电化学腐蚀。另外，由于施工原因所致，接地体埋深不够，上层土壤含氧率 较高，吸氧腐蚀快；用砂子、碎石和建筑垃圾作回填土；焊接头存在虚焊、假焊现象， 对焊接头没有做防腐处理；对接地引下线没采取过渡防腐措施，没有刷防腐漆等原因都 是引起接地网缺陷的诱因。 对于金属腐蚀的探测，在地球物理探测方面常采用以下方法：自然电场法，该方法 测量金属管道腐蚀过程中产生的自然电位以确定腐蚀段，由于误差大，现已被淘汰，为 了提高测量效率，又出现了利用金属管道作为传输信号的电位自动测量方法，但未得到 广泛应用。在工程实际中，应用较多的是三极电极系统，配合桥式电路测量装置，以消 除工业游散电流的干扰，这种方法用于网格状结构的接地网探测是困难的。电阻率法， 测量土壤电阻率一般采用对称四极法，然后依据测量结果，经验地判断接地网的腐蚀程 度，此种方法可以作为诊断参考，不能准确地判断接地体的缺陷，特别是水平网格状均 压导体的缺陷情况。充电法和极化阻抗法，用于管道涂层的破损点测量较为有效，但不 适合接地网的诊断。瞬变电磁法，是通过给管道施加激励脉冲，利用正常金属及其腐蚀 后电导率和磁导率的变化，测量电磁参数进行诊断的一种方法，这种探测思想对于变电 4 华北电力大学博士学位论文 站接地网的诊断具有一定的参考价值跚。在地质勘探方面，探地雷达技术广泛应用于工 程场地勘察、隧道质量检测、地面质量检测、地下埋设物与考古探察等领域。由于一般 的接地网导体尺度较小，这项技术的分辨率有限，再加上成本较高等原因，用于接地网 的缺陷诊断也具有局限性嘲1 。 在接地网导体腐蚀与防护方面，国外从上世纪八十年代已开展了大量研究工作 阳制。分析了铜材质和炭钢材质的优缺点，从土壤电阻率、流通电流、电势分布和极化 电流几个方面分析了接地网导体腐蚀率和腐蚀形式，讨论了阴极保护、腐蚀、涂层处理 和材料选择及反腐措施。文献 9 2 计算了接地网地表面的电场和磁场，拟探索接地网的 缺陷诊断新方法，但没有进行深入的研究和实际应用。 在国内，从上个世纪末有关电力系统接地网腐蚀诊断的研究工作大量开展起来 陋删。基本诊断思路在于，应用电网络理论和矩阵理论建立故障诊断方程，应用能量最 低原理和优化技术等理论，结合多激励法，解决了欠定方程的求解问题，讨论了可及节 点数量变化对诊断结果的影响嗍。最有代表性的工作，是清华大学开发了变电站接地网 腐蚀及断点诊断的测量系统，其特征在于，采用直流电源外接于接地网的两接地引线间， 对接地网施加大的直流电流；测量接地网两接地引线间的电压及测量回路的电流，继而 得到两接地引线间的输入端电阻或转移阻抗；根据接地网拓扑结构及所有接地引线位置 确定的测量方案，需要测量所要求的接地引线间的输入端电阻及转移电阻：将测量结果 及接地网的拓扑结构输入诊断软件，由诊断软件分析得到各段导体的电阻值；将分析得 到的各段地网导体的电阻值与假设地网完好时计算分析得到的设计电阻值进行比较，判 断该段地网的导体是否断裂及腐蚀的程度呻1 。文献 i 0 1 根据电路和故障诊断原理，将接 地网看成纯电阻网络，利用实际接地网的拓扑结构和接地引线间电阻的测量数据，依据 特勒根定理建立接地网的腐蚀诊断方程，通过求解诊断方程得到接地网支路导体的变化 值，进而判断接地网的腐蚀程度。 文献 1 0 2 采用在可及节点中轮换电流源激励的位置和每处激励时多处测量节点电 压的方法，充分利用了可及节点并显著增加了方程的个数，建立了反映各种激励条件下 支路电阻变化量与可及节点电压变换量之间的非线性关系的增广故障诊断方程，方程的 求解采用迭代的方法逐步用线性方程来逼近非线性方程，采用优化方法求出迭代中的线 性方程的最小二乘意义的最优解。根据归一化增广故障诊断方程中行向量间的距离得出 独立方程的个数，并以此作为对测试方法进行定量评价的依据，讨论了电压的测量误差 对支路电阻诊断结果的影响。文献 1 0 4 提出了线性迭代模型和非线性的计算模型。针 对线性和非线性模型在实际计算中的特点，在实用系统中综合利用了这两种数学模型。 对接地网故障诊断问题从数学意义上进行了分析，明确了影响故障诊断准确性的因素。 上述方法的工程实现，都以测量接地网两引线间的电阻或阻抗为基础。然而，当接 地网局部存在断点、断裂缺陷时，由于两部分接地网间的互电阻的作用，接地网网格导 5 第一章引言 体两个可及节点间的电阻值往往没有明显变化。再者，这种诊断方法会受到可触及下引 导体具体位置和数量的限制，其测量的精度、检测效率和实用性是有限的，用于工程实 际仍不方便。 判断接地网的安全性能，传统方法常采用测量接地电阻、土壤电阻率、跨部电压和 接触电势等试验方法。但仅通过这些测量，往往并不能准确评判接地网的接地性能，故 障时接地网能否承受雷击和故障电流泻放造成的冲击，也不能因此准确判断。针对传统 接地电阻测试方法的不足，文献 1 0 7 提出了低电压大电流法，即直接通过下引线，注入 较大电流进行通断和通流能力测试，这种方法对于局部接地网或单段导体是有效的，但 检测效率低，若对整个接地网进行测试，则工作量太大。 文献 1 0 8 1 通过测量接地网地表面的电位差进行接地网性能的分析和故障诊断。但 对于变电站接地网这种网格状结构，当接地网导体出现局部小断口或腐蚀变细后，地表 面电位变化并不明显，通过测量地表面电位差寻找接地网网格导体的缺陷也是困难的。 从国内外现有文献看，诊断方法大多停留在理论分析上，真正用于工程实际的诊断 系统并不多见。电力系统迫切需要一种在不挖开接地网，不影响系统正常运行的条件下， 实现变电站接地网缺陷诊断的实用、有效的诊断方法和技术。 1 3 本文的主要工作 本文为提高变电站接地网缺陷诊断的效率和精度，提出一种新的诊断方法。在现有 理论计算方法和接地网分析软件的基础上，计算激励电流在地表面激发的磁感应强度， 分析了土壤结构对地表面磁感应强度的影响：通过接地网的两下引导体直接注入和抽出 异频的正弦波激励电流，基于电磁感应原理测量地表面磁感应强度分布，诊断网格导体 腐蚀变细和断点缺陷；结合变电站实际的电磁干扰环境，设计了磁感应强度测量系统和 异频激励源系统。为了检验本文诊断方法的正确性和检测系统的有效性、可靠性，进行 了大量的实验研究。实验和现场检测结果表明所提出的方法简便、有效，诊断系统能满 足测试需要，可以用于工程实际。本文共分七章，各章的具体内容如下： 第一章分析总结了国内外在接地网接地性能计算和设计方面的研究成果，对国内外 接地网缺陷诊断方法和技术的历史和现状进行了综述，指出了在我国进行变电站接地网 缺陷诊断方法和技术研究的必要性和紧迫性。 第二章提出了通过变电站接地网的两根上引导体，直接注入异频的正弦波激励电 流，基于电磁感应原理，利用探测线圈检测激励电流在地表面激发的磁感应强度，依据 磁感应强度的分布特征诊断接地网网格导体的缺陷状态的诊断方法。并对诊断技术路线 的可行性进行了仿真计算。 第三章围绕检测诊断的技术方案，测量了1 1 0k v 、2 2 0k v 和5 0 0k v 变电站内变 6 华北电力大学博士学位论文 压器、c t 、p t 及母线等不同场所的工频电磁干扰水平和瞬态电磁环境的干扰频率范围， 分析了检测所面临的复杂电磁环境特征。 第四章设计开发了复杂电磁环境下磁感应强度的测量系统，综合利用仪表运算放 大、工频陷波和带通中心频率可调的滤波等技术措施，实现了在变电站复杂电磁环境下 磁感应强度的有效测量。通过实验验证了系统的有效性，其抗干扰能力、分辨率和精度 均能满足诊断需要。 第五章设计开发了异频的激励源系统，针对变电站接地网接地性能检测和缺陷诊断 的需要，设计了专用的异频正弦波激励源系统。基于线性放大和阻抗变换技术，在较宽 的频带内和较大输出电流的情况下，实现了频率和输出电流的连续调节，解决了功率放 大器和接地网负载之间的阻抗匹配问题。通过实验检验了激励源系统的频率特性、带负 载能力和输出电流能力符合设计要求。通过诊断实验，检验了该系统能够满足变电站接 地网缺陷诊断和接地性能检测等工程实际的需要。 第六章分别利用试验接地网模拟断点和腐蚀变细缺陷进行了实验研究，并通过在实 际变电站接地网的检测应用，验证了本文诊断思路的可行性、诊断方法的有效性和检测 系统的可靠性。 。 第七章对本文的研究工作做了全面的总结，阐明了作者的主要研究成果，指出了尚 有待进一步研究的问题。 图i - i 为本文的结构框图，图中标出了章与章之间的相互联系。 7 第一章引言 剧1 1 术立结构框图 华北电力大学博士学位论文 第二章变电站接地网缺陷诊断方法 接地网缺陷通常是接地引下线虚接、断开以及水平均压导体变细或断裂等缺陷。为 提高变电站接地网缺陷故障诊断的效率和精度，本章提出了一种新的诊断方法。通过接 地网的两下引导体直接注入和抽出异频的正弦波激励电流，基于电磁感应原理测量地表 面磁感应强度分布，依据地表面磁感应强度在正常情况下和故障时分布的特征，诊断网 格导体变细和断点等缺陷故障。通过仿真计算，研究激励电流频率对地表面磁感应强度 的影响，研究地表面磁感应强度的分布特征，分析土壤结构对地表面磁感应强度的影响， 分析接地网断点和腐蚀变细等缺陷引起地表面磁感应强度的变化特征，确定了最佳的电 流注入与抽出方式，确立诊断的技术方案。 2 1 仿真计算软件 课题组张波博士基于矩量法和电路理论，以接地导体漏电流为未知量并忽略导体间 互感的影响，开发了变电站接地网频域电磁场数值计算软件包。该软件包可以分析土壤 结构、接地网接地性能和输电铁塔附近三维电场分布，在分析接地性能时，土壤分层最 多为1 0 层，分析最大频率为1 m h z ，接地导体最多为1 0 0 0 根，计算时，导体的总分段 数最大为3 5 0 0 段。输出中可以显示各频率点下的接地阻抗、各段导体上的轴向电流、 漏电流、中点电位值、任意平面上的电位分布、各方向的电场分布、磁感应强度分布以 及跨步电压和接触电势。另外，齐磊博士基于有限元方法，采用一维细线导体单元和三 维六面体土壤单元相结合，对软件包进行了进一步完善，扩展了频率分析范围。利用该 软件包对大量工程问题进行计算和分析，大量有工程价值的结果已被工程部门采用，通 过与国际知名c d e g s 软件包的比较，其有效性已经得到充分验证口呻1 。 2 2 仿真计算 2 2 1 计算模型i 以图2 1 所示的接地网模型为例，x 、y 方向分别有1 1 根接地导体，每根导体长1 0 0 m 、直径为2 0m i l l 、分为1 0 段，每段为1 0m ：接地导体电阻率为1 7 8 x 1 0 吖q m ；相对 磁导率为2 0 0 ；接地网埋深为0 8m ，假设土壤分为1 层，土壤电阻率取8 0f l m 。 2 2 2 激励电流频率对地表面磁感应强度的影响 为确定诊断对激励信号频率和电流的要求，就要研究信号频率和电流对地表面磁感 应强度的影响。在图2 1 中从接地体p ( 5 3 ，0 ) 处注入电流强度为1 0 a 的正弦波信号，从 接地体q ( 5 0 ，9 4 ) 处抽出，以图2 1 中f ( 5 0 ，5 6 ) 处地表x 方向的磁感应强度b ，为例， 该处地表磁感应强度与输入信号频率关系的计算结果如图2 2 所示。由于信号频率对接 9 第二章变电站接地网缺陷诊断方法 地网导体和土壤阻抗的影响，考虑到不同频率的信号在土壤中的衰减差异不同，从图 2 2 的计算结果看，在2 k h z 以内的频段内磁感应强度较强，约为2 0 0 - , 2 5 0n t ，而几千 赫兹以上时，磁感应强度下降较快，实际测量时可在2 0 - - - , 2 0 0 0h z 的频率范围内选择信 号工作频率。 b h q k n f m ao p 1 0 5 0 1 0 0 工，m 图2 1 接地网仿真计算模型i 图2 - 2 信号频率对磁感应强度的影响 地表面磁感应强度是依据毕奥一萨法尔定律计算得到的，因其与激励电流强度近似 为线性关系，注入电流大，则信噪比高，易检测，但同时对激励源也有更高的要求。为 实现地表面磁感应强度的有效检测，应根据现场接地网的实际大小和磁感应强度测量系 统的灵敏度选择适宜的激励电流，根据我们的实验经验，一般2 一- - 5 0 a 的电流可满足检 测需要。 1 0 华北电力大学博士学位论文 2 2 3 土壤结构对地表磁感应强度的影响 为了分析地表磁感应强度随土壤结构性质不同而变化的规律，假设在图2 1 中从接 地体p ( 5 3 ，0 ) 处注入l oa 、4 1 0i - i z 的正弦波信号，从接地体q ( 5 0 ，9 4 ) 处抽出，按表 2 1 中的4 种土壤模型进行仿真计算。以地表面x 方向磁感应强度分量b x 在x - - 0 一5 5 r r i ， y - - 5 5m 的区域分布为例，计算结果如图2 3 所示。计算发现4 种模型下地表磁感应强 度的最大相对差值约为4 ，从图2 3 中可看出，当直接从接地体注入和抽出电流时， 由于接地导体的电阻率远小于土壤的电阻率，土壤结构对地表磁感应强度的影响并不明 显。 若从接地网外的点( 5 0 ，5 0 0 ) 处的土壤抽出电流，在土壤模型下两种电流抽出方式 的对比结果示于图2 _ 4 。可以发现，从接地体直接抽出电流比从远处土壤抽出时，地表 场点被激发的磁感应强度均大一倍以上，所以为便于诊断和检测，选择直接从接地网导 体注入和抽出电流的方式。 表2 - 1 土壤结构参数 编号层数电阻率( q m )厚度m 1l0 0 0 c o i 2 15 0 2 110 0 05 25 0 l5 05 i v 2l0 0 0 0 0 2 2 4 地表面磁感应强度的分布特征 为研究诊断方法的可行性，本节分析地表面磁感应强度的分布特征。仍然在图2 1 中p 点和q 点注入和抽出1 0 a 、4 1 0 h z 的正弦波信号。以x = 4 0m ，y = 4 0 - - , 7 0m 的地表 面磁感应强度的分量为例，图2 5 是地表磁感应强度的计算结果，图中b ”b y 、b ：分 别表示磁感应强度沿3 个直角坐标方向的分量。可以发现，垂直于电流方向的地表磁感 应强度分量较大，约为i 0 0n t ，所以实际检测时测量该方向的磁感应强度分量为宜。 第二章变电站接地网缺陷诊断方法 击 图2 3 不同土壤结构下磁感应强度的比较 图2 _ 4 电流抽出点在接地体和远处土壤时的比较 图2 5 地表磁感应强度分量的比较 x 方向地表磁感应强度b 】【的分布在整个分析区域的仿真计算结果如图2 - 6 ( a ) 所 1 2 华北电力人学博士学位论文 示，( b ) 、( c ) 分别示出了b y 和b ：的分布情况。地表【面上在x = 4 0 m ，y = 0 1 0 0 m 和y - - 6 0 m x = 0 1 0 0m 两个区域b 。的局部分布示于图2 7 。 5 。0 ： 苫2 。o l 。0 0 a ) b ，的分布情况 b )b 。的分布f 自况 第二章变电站接地网鹱陷诊断方法 3 。 12 0 0 盏 1 。 0 5 。0 电4 0 。 i3 0 0 2 0 0 1 。 ( c ) b ：的分布隋况 图2 - 6 地表面磁感应强度分市情况 口1 02 0 3 0 05 07 口 9 0 1 0 0 0 1 0 4 0 7 0 9 01 0 0 v ，m 图2 - 7b 。的局部分布情况 从2 - 6 和图2 7 可以看出，b ，和b 。的分布规律较差，b 。分布具有定的规律性 ( 1 ) 靠近电流注入与抽出点的地表邻近区域，b ，的值较大： ( 2 ) 沿垂直于注入与抽出电流方向的导体地表b ，分布呈现波浪式变化，且每根 导体上方出现一个峰值； ( 3 ) 沿注入与抽出电流方向的导体地表b ，的变化较平缓，正常情况下，般不 存在突变和明显跌落的现象。 一旦接地网局部导体发生严重腐蚀变细或断点故障，由于导体支路电流的变化，势 必造成地表磁感应强度在邻近区域的变化或跌落，从而改变了上述分椰特征，这就为诊 华北电力_ a 学博士学位论文 断提供了参考。 通过上述分析，采用矩形探测线圈测量地表磁感应强度的分布。通过改变几次激励 电流注入与抽出点的位置，例如图2 1 中的g 、1 4 点，i 、k 点等，图2 8 是沿边缘导体注 八和抽出电流时，地表面磁感应强度卧分量的分布情批。类似地可以对整个接地网进行 分片或分条诊断。考虑到现场上引导体的实际位置，为便于诊断，选择激励电流的注入 与抽出点时，应尽量靠近某根导体的两端点。 图2 - 8 沿边缘导体注入拙出电流时b 。的分布情况 2 25 导体缺陷状态对地表面磁感应强度的影响 为研究当接地网导体因腐蚀等原因导致局部变细或出现断点缺陷后，引起地嵌磁 感应强度怎样变化，为实际诊断提供依据，作3 种假殴 ( 1 ) 图2 1 中m ( 5 0 ，j 0 ) 与n ( 5 0 ，6 0 ) 之间的这段导体，