（电气工程专业论文）变电站接地网腐蚀评估技术的实践.pdf

a b s t r a c t t h eg r o u n dd i s v i t a lt oe n s u 】r et 1 1 es a f 宅o p e r a c i o no fs u b s t a t i o n s b u tc o n - 0 s i o no f t t l eg r o u n dl e a d sa 1 1 dc o n d u c t o r so r e nm a k e st l l ep e r f o n n a n c ef a ud 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 l l es y s t e m ，t l l eg r e a ts h o r tc u n mw i l lb u r n o u tt h eg 打d ，s p r e a d t l l ee m e r g e n c ya i l dd 锄a g et h ee q u i p m e n ta 1 1 ds t a 正b e c a u s e 也e 嘶di su i l d e rg r o u n d ， l a 唱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 eg r i di nt i l e e n g i n e e r i n g h o 、v 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 d 、v a s t e sl a r g e 、v o r k t i m ea n di 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 n d i a g n o s i so fg r o u n dg r i d sf o 肌e r l y ，b mt 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 e s o l v e da b o u tt h ed i a 2 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 gt of a u l td i a g n o s i st h e o 巧，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 巧t h i s p 印e ri n t r 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 g t ot h ed a r kd i a g n o s i sm l e ，1 1 1 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 l e a di ng r o u n dg r i d a i l da p p l i e de q u a t i o ni nf a u l td i a g n o s i sa n da 1 1 a l y z e sc o 肿d i n ge x t e i l t ， t l l u st l l e c o i t o d ee 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 n 。o s i o n ， s i n g l e b r a n c h c o i t o s i o n ，m u l t i p l e b r a n c hc o n 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 矗a c t i o no f m e a s u r er e s u l ta 1 1 de l e c 仃o m a 弘e t i cd i s n j r b a l l 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 i l d m e a s 谢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 ni ng u t i a n2 2 0 k vs u b s t a t i o nt op r o v em ep r a c t i c a b i l i t ya l l d f 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 sd e m o n s 衄t e st h em e t h o dh a u sn o o b v i o u ss h o n 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 i a u l td i a g n o s e 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 逝婆叁堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期：年月日签字同期： 年月日 致谢 本论文是在导师吴国忠教授、杜丽教授、俞培祥高工的精心指导和悉心关怀 下完成的。从论文的选题、开题报告、资料查找、现场试验、计算及结果的分析， 导师都给予了详细的指导和帮助，导师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉 献精神深深的影响着我，从导师身上，我学到了许多有益的知识和经验，相信有 这些知识和经验，我以后的工作做起来会更加得心应手，这将是我一生的财富， 我会在以后的工作中更加努力来回报社会。在此，我向导师致以最衷心的感谢和 深深的敬意。 另外，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的谢意! 特别是我的指导师兄邱凌博士、李为高工、熊茂斌高级技师等，感谢他们在学习、 生活中给了我很大的帮助。 最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授! 薛飞 2 0 0 8 年1 2 月 1 概述 1 _ 1 研究日的及意义 111 接地网在变电站安全运行中的作用 电力接地是发电、变电和送电系统安全运行的重要保障。接地将电力系统的 某点与大地相连，提供故障电流及雷电流的泄放通道，稳定电位，提供零电位参 考点，以保证电力系统运行人员及其他人员的人身安全。变电站的接地要求较高， 除利用自然接地体或各种人工接地体外，还要安装水平敷设的人工接地网，以降 低变电站内的接触电势和跨步电势，人工接地网边部的接地体应做成围绕设备区 的闭合一性，并在其中装设若干水平接地体作为均压带。 1 1 2 接地网腐蚀对接地性能的影响 随着电力系统的发展，接地短路电流不断增大，对接地网的安全可靠性提出 了很高要求。构成接地网的均压导体常固施土时焊接不良或土壤腐蚀等原固，使 地网均压导体之间或接地引线与均压导体之间存在电气违接不良的故障点，最严 重到造成变电站电气设备的“失地”。 接；附 图l1 电力系统接地引起事故的睬固 如图21 所示，若遇电力系统发生接地短路故障，将造成地网本身局部电位 差和地网电位异常升高，除给运行人员的人身安全带来威胁外，还可能因反击或 电缆皮环流使得二次设备的绝缘遭到破坏，高压窜入控制室，使监测或控制设备 发生误动或拒动而扩大事故，带来巨大的经济损失和不良的社会影响。 表1 1 广东省部分变电站接地网腐蚀调查 挖土 电压等级 投运备 名称检查接地网腐蚀情况 ( 2 2 0 k v )年代注 年代 棠下 0 12 圆钢腐蚀为4 ，1 2 4 扁钢 里 2 2 019 6 01 9 8 1 腐蚀为8 2 ，扁钢变脆，起层、粘 变电站 松散，局部断裂土 员村 巾12 圆钢腐蚀为4 ，1 2 4 扁 红 2 2 01 9 5 91 9 8 1钢腐蚀为1 0 眦2 ，扁钢变脆，断裂 粘 变电站 多处 土 茂名变 3 0 x4 扁钢断裂13 处，有些扁钢 热电厂 2 2 01 9 6 119 8 2 腐蚀达5 0 升压站 东墩 1 2x4 扁钢断裂1o 多处，有些扁 1 1 01 9 6 51 9 8 2 变电站钢腐蚀达8 0 斗山0 9 圆钢腐蚀为m 3 ，1 2 4 扁钢断 1 1o1 9 6 919 8 1 变电站裂多处 含 揭阳 沙 2 2 01 9 6 41 9 8 8 9 圆钢腐蚀为2 一3 变电站粘 土 惠阳2 0 3 扁钢腐蚀达7 0 ，扁钢局部 2 2 01 9 6 41 9 8 8 变电站为锯齿形，起层变脆，局部断裂 红 红星 2 2 01 9 6 71 9 8 73 0 x4 扁钢腐蚀达3 0 沙 变电站 土 2 表1 2 陕西省部分变电站电缆沟内接地体的腐蚀数据 变电站名原截面( 衄2 )运行年腐蚀率( 锄2 年)腐蚀状况 汉中东郊变 3 0 x41o 大于12多处断 周至变 4 0 4 1 5 大于1o 6 6多处断 洋县变 4 5 41 56 4 7严重腐蚀 茂陵变 2 5 41 7 大于5 6 8多处断 沣峪变 2 0 417 大于4 7多处断 杜峪变 2 5x41 9 大于5 2 6多处断 雁塔变 2 5 43 0 大于3 3多处断 1 1 3 由于接地网腐蚀问题引发的事故 表卜3 是我国一些接地网事故的记录，可以看出接地网的腐蚀问题相当突出。 如果变电站发生接地故障，可能带来巨大的经济损失和社会影响，特别是我国面 临日益增长的用电需求，电力系统规模和容量的迅速扩大，接地短路电流越来越 大，对接地技术的要求越来越严格，不但接地电阻值要低，而且均压效果必须良 好，维护水平更要提高。 在腐蚀性较强的土壤、特别是在腐蚀性强的盐碱地中的地网，地网腐蚀特别 严重。根据国外的调查研究表明，在腐蚀性较强的土壤中，地网金属的年腐蚀率 可达2 o m m ，腐蚀性强的土壤中可达3 4 m m ，腐蚀性极强的土壤中可达8 o m m ，因 此在这些地区，地网腐蚀已构成影响电力系统安全运行的重要因素。广东省中试 所在接地网腐蚀调查情况调查报告中指出，1 9 8 1 1 9 8 5 年广东省将运行1o 年及以 上1 3 0 个3 5 2 2 0 k v 变电所进行挖土检查，发现有6 1 个接地网有不同程度的腐蚀。 其中运行1 6 年的变电站接地网扁钢被腐蚀掉8 0 ，且有十多处断裂；运行2 1 年的 变电站接地网圆钢被腐蚀为细条状。当系统发生接地短路时，可能造成地电位异 常升高或分布不均，除给运行人员安全带来严重威胁外，还可能因反击或电缆皮 环流使二次设备的绝缘遭到破坏，高压窜入控制窒，引起检测或控制设备发生误 动作或拒动而扩大事故，带来巨大的经济损失和社会影响。例如：1 9 9 4 年1 月1 日，四川华莹山发电厂因变压器中性点接地不良，当系统发生污闪时，造成变压 器、发电机严重烧毁的重大事故等。 表1 3 接地网事故历史记录表 事故发事故发生 事故引发原因事故引发后果 生时间地点 3 5 k v 带1 ，社2 电压互感器刀闸和 员文线黄、红相刀闸同时损坏， 短路电流烧坏了部分接地网， 接地装置不合格，员文线绿地电位升高，高电压窜入二次 1 9 8 1广东员村 相刀闸雷击闪络接地回路及操作系统，烧坏了电源 及保护盘，使保护和开关拒动， 进而使2 2 0 k v 变压器及，造成 大面积停电 设备引下线在地表下几十 厘米处腐蚀严重，有的仅剩 广西下西7 5 ；电缆支架的水平 烧坏二次电缆，端子排及二次 合山电厂连线腐蚀严重，a 相母线侧 1 9 8 6 设备，一台1 0 0 m w 发电机损 1 1 0 k v 开的支柱瓷瓶在雨雾中闪络， 关站造成弧光接地，a 相接地发 坏，造成全厂停电 展成两相短路，最后发展成 三相短路 湖北省胡 1 9 8 5 集等三个变电所内弧光短路事故扩大为 变电所接地不良 1 9 8 62 2 0k v 全站停电和设备严重损坏事故 变电所 浙江某一次系统事故扩大到二次系 接地装置存在问题，3 5 k v 1 9 9 111ok v统，造成全所停电1 3 个小时， 开关站接地短路 变电所一、二次设备大量损坏 四川华莹 变压器中性点接地不良，系变压器、发电机严重烧毁，损 1 9 9 4 山发电厂统发生污闪失严重 1 2 变电站接地网问题研究概况 目前，世界上普遍使用的地网导体材料是铜和钢两种。由于资源、经济等原 因，我国接地网设计根据电力行业标准d l t 6 2 卜1 9 9 7 交流电气装置的接地通 常使用普通碳钢或镀锌碳钢，发达国家接地网设计采用i e e es t d8 0 2 0 0 0 “i e e e g u i d ef o rs a f e t yi i l a cs u b s t a t i o n 掣o u i 】d i n g ”，铜材使用较为普遍，铜包钢通常用于 地下接地棒，特别是在偷窃行为成为一大问题的地方。当然，我国这两年也有逐 渐在采用铜做接地( 核电为国内最早采用) 的趋势，目前在国内电力系统接地网 已有使用铜材的案例。据文献统计，包括美国，欧洲等全球5 0 以上地区的接地 系统采用水平铜网加镀铜钢垂直接地棒，6 0 接地系统采用放热焊接方式作为接 地系统连接，其中包括非洲苏丹，乍得，亚洲缅甸，柬埔寨，南美的海地等国家。 1 2 1 国外研究概况 由于美国为代表许多国外发达国家使用铜材作为接地材料，铜的腐蚀轻微 得多，接地网的腐蚀问题并不象在我国这样突出，关于地网腐蚀程度检测方法和 检测仪器的文献报道很少。但在制订i e e es t d8 0 2 0 0 0 “i e e eg u i d ef o rs a f e t y 洫 a cs u b 贼i o ng r o u n d i n g ”前，该标准工作组曾经对包括美国、加拿大、澳大利亚、 瑞士、西班牙、法国、意大利、日本等国家做过一项调查，结果显示这些地区中 变电站设计中有5 主接地网及9 的垂直接地棒采用镀锌钢，证明铜材并不是 这些发达国家唯一考虑的接地材料。最后标准指出钢可以用作地网导体和接地 棒，但要注意钢的腐蚀。不过该标准并没有提供钢接地网设计的具体信息，只是 提出使用一种电镀或抗腐蚀的钢并结合阴极保护是典型的钢接地系统。 美国丹佛科罗拉多州立大学的p a n k 勾k s e n 等根据美国国家标准局1 2 年中 对4 4 种不同土壤腐蚀的试验数据，得到了钢在土壤中腐蚀速度y ( m i l s y r ) 与土壤电阻率x l ( q c m ) 、p h 值x 2 、含水量x 3 ( ) 和含气率x 4 ( ) 关系 估算公式为：y = 3 3 6 - 9 6 3 ( 1 0 巧) ( x 1 ) + o 2 9 ( x 2 ) + o 0 3 4 ( x 3 ) + o 0 1 2 ( x 4 ) 。并指出变电 站钢接地网防腐设计使用阴极保护的方法，包括牺牲阳极和强制电流法。 印度电力工程协会会长v n m a j l o h a r 通过近十年印度钢接地网的设计经验， 指出考虑钢的腐蚀问题后，使用钢作为接地材料而非铜是经济可行的。 注( 1 ) ：“m i i s y r ”：密耳每年，lm 1 = l l o o oi n c h = o 0 2 5 4 m m - 5 一 v n m a n o h a r 同时建议，因为阴极保护带来电偶腐蚀等诸多问题，对钢的防腐蚀 不推荐使用这种方法，而是考虑加大接地体截面的方法。 采用电磁场方法对接地网问题的研究始于1 9 1 5 年，f w e n n e r 提出土壤电阻 率的测量方法【1 训。并且，随着计算机的广泛应用，基于电磁场理论【5 8 】或试验模 拟【9 4 0 】进行接地网研究取得显著成果，并为接地网设计提供理论依据。1 9 6 9 年， h s t e i n b i g l e r 提出电磁场数值计算的模拟电荷法。1 9 6 8 年，r f h r r i n 垂o n 发表了矩 量法的经典著作【l l 】，开始着力于解决复杂情况下的接地问题计算。1 9 7 2 年， t h g i a o 开展了两层土壤模型的接地网性能研究【12 1 。加拿大的f d a w a l i b i 及其研 究小组在影响接地网性能的因素方面进行了深入研究【1 3 圳】，并开发出 c d e g s ( c u n e n td i s t r i b “o n ，e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d sg r o u n d i n ga i l ds o i ls t m c t u r e a n a l y s i s ) 软件。由于该软件的理论计算方法是基于准静态条件得出，在较高频率 或高频时不再适用。以l g r c e v 为代表的德国专家采用基于传输线模型的时域分 析【2 5 】、有限时域差分陋1 9 1 、基于天线理论求取接地网高频性能阻3 l j 等分析方法进 行了接地网在高频电流入地时的电网暂态性能分析【2 2 之6 1 。 1 2 2 国内研究概况 我国接地体土壤腐蚀研究起步较晚，土壤腐蚀问题最初只在石油天然气行业 受到重视，研究也较多。其他行业的材料防腐设计实际使用中一般都是参照原石 油部、邮电部等行业标准及国外( 主要是德国) 的标准进行评价。 目前国内电力部门对接地网腐蚀研究只停留在表观上，没有针对土壤和接地 网本身联合起来进行深入研究。变电站设计时，较多关注的是接地电阻是否合格， 接触电势和跨步电势是否满足要求等，钢接地网腐蚀问题欠缺考虑。电力接地网 由于腐蚀而产生一序列电力事故后，这一问题才在电力系统得到关注。 原国家电力公司2 0 0 0 年关于防止电力生产重大事故的二十五项重点要 求，防止接地网事故，接地装置腐蚀比较严重的枢纽变电所宜采用铜质材料的 接地网。 芜湖供电公司2 0 0 4 年对位于皖南地区的火龙岗变电所的接地网进行了开挖 检查，发现地网有断裂、开脱，腐蚀问题严重后，联合安徽电力科学研究院对接 地网腐蚀问题进行研究，最后采用电化学阴极保护的原理进行防腐设计。 相比较于国外，国内采用电磁场方法对接地网性能问题的研究方兴未艾。文 献【3 2 3 4 】采用边界元法对接地网的性能进行了分析。文献【3 5 3 7 】在基于矩量法 的基础上研究了变电站空间电磁场分布和变电站的频域计算方法。文献【3 8 4 0 】 详细分析了在雨季、冰冻季节等各种气候条件下的变电站接地网数值计算分析， 并提出了考虑季节因素的地网设计方案，均取得良好效果。 目前国内外发电厂、变电站接地网测量系统的测量主要包括接地电阻、电气 连通性、接触电势、跨步电势等，并且已生产出了测量发电厂、变电站接地网系 统的专用仪器，如澳大利亚红相电力设备公司和维多利亚电力公司联合开发的 8 0 0 0 型接地网测量系统。但目前这些接地网测量系统都只侧重于测量接地网系 统工作的有效性和安全性，无法对地网的腐蚀程度进行测量和评价。 1 2 3 国内相关标准 我国电力行业标准d l t6 2 卜1 9 9 7 交流电气装置的接地该标准由电力工 业部科学技术司提出，电力工业部绝缘配合标准化技术委员会归口，电力工业部 电力科学研究院高压研究所起草，国家经济贸易委员会公布。 此标准对接地装置的防腐蚀设计应符合下列要求： 计及腐蚀影响后，接地装置的设计使用年限，应与地面工程的设计使用年限 相当。 接地装置的防腐蚀设计，宜按当地的腐蚀数据进行。 在腐蚀严重地区，敷设在电缆沟中的接地线和敷设在屋内或地面上的接地 线，宜采用热镀锌，对埋入地下的接地极宜采取适合当地条件的防腐蚀措施。接 地线与接地极或接地极之间的焊接点，应涂防腐材料。 我国国家标准g b 5 0 1 6 9 1 9 9 2 电气装置安装工程接地装置施工及验收规 范，该标准由能源部电力建设研究所主编，武汉高压研究所j 、化工部施工技 术研究所参加编写。此标准关于金属材料的规定就是大中型发电厂、1 1 0 k v 及以 上的变电站或腐蚀性较强的场所的接地装置采用热镀锌钢材。 最新发布的电力行业标准d l t5 3 9 4 2 0 0 7 电力工程地下金属构筑物防腐 技术导则，由中南电力设计院主编，中国船舶重工集团公司第七二五研究所和 海洋化工研究院参编，国家发展与改革委员会发布。该标准主要参考我国石油天 然气行业标准，提出了土壤腐蚀性的评价和防腐蚀方法。 注( 2 ) ：现为国网电力科学研究院 土壤腐蚀性应采用检测金属材料在土壤中的腐蚀电流密度和平均腐蚀速率 判定，碳钢平均腐蚀速率与土壤腐蚀性的关系见表1 4 。对于一般地区的土壤， 土壤的腐蚀性应采用土壤电阻率进行判定，土壤电阻率与土壤的腐蚀性的关系见 表1 5 。为当土壤存在微生物腐蚀时，其腐蚀性应采用土壤氧化还原电位进行判 定，氧化还原电位与土壤腐蚀性关系见表1 6 ，土壤腐蚀性还应采用土壤p h 值 判定，土壤p h 值与土壤腐蚀性的关系见表1 7 。 表1 4 碳钢平均腐蚀速率与土壤腐蚀性 土壤腐蚀性极弱 较弱 弱中强 腐蚀电流密度( p c m 2 ) 9 平均腐蚀速率( d m 2 。a ) 7 表1 5 土壤电阻率与土壤腐蚀性 土壤腐蚀性 弱 中等 强 土壤电阻率( q m ) 5 02o 5 0 4 0 02 0 0 4 0 010 0 2 0 0 1o o 表1 7 土壤p h 值与土壤腐蚀性 土壤腐蚀性 弱 中 强 土壤p h 值 6 5 8 54 5 6 5 10 0 1 0 0 0 1 0 0难以确定 中国石油学会石油腐蚀与防护组编辑出版的第一集石油腐蚀与防护学术论 文选集( 吴沟，1 9 8 2 ) ，第二集石油管道腐蚀与防护初步研究( 叶炳等，1 9 8 5 ) ， 分别论述了国外土壤腐蚀性的单项指标和综合指标的评价方法 表2 2 土壤电阻率与土壤腐蚀性评价标准 国家土壤腐蚀性与土壤电阻率( q m ) 1 0 0 电阻率 1 0 0 0 10 0 0 美国( 1 ) 中等至严 腐蚀性可能严重轻腐蚀可能不腐蚀 重 电阻率 1o o 美国( 2 ) 腐蚀性十分高有腐蚀性无腐蚀 电阻率 2 5 电阻率 3 0 法国 腐蚀性 极高 高中等 低 电阻率 o 一9 9 2 32 3 5 05 0 1 0 0 10 0 英国 腐蚀性严重重 中等 轻微弱 电阻率 1o o 前苏联电阻率 5 0 土壤腐蚀性 极 高稍高中等低 表2 3 土壤电阻率与土壤腐蚀性 土壤电阻率( q m )土壤腐蚀性 o 2 5 5 很强 5 2 0 相当强 2 0 一2 0 0 中等 2 0 0 小 2 2 表2 4 土壤p h 与土壤腐蚀性 土壤p h土壤腐蚀性 4 0较低的恒定的腐蚀速度 表2 7 土壤氧化还原电位与土壤腐蚀性 土壤氧化还原电位( m v ) ( p h = 7 对标准氢电极)土壤腐蚀性 4 0 0 不腐蚀 2 3 表2 8 钢材对地电位与土壤腐蚀性 腐蚀性程度钢对地电位最小值( 对饱和硫酸铜电极，- v ) 强 o 5 5 较强 0 4 5 一o 5 5 中等 o 3 0 o 4 5 轻微 0 15 0 3 0 极轻微 6 失重率( ) o o 7o 7 1 31 3 2 0 2 0 4 o 4 o 表2 1 0 电极极化电流密度与土壤腐蚀性 土壤