（高电压与绝缘技术专业论文）接地网电流分布及腐蚀与断点诊断的研究.pdf

武汉大学硕士学位论文 接地网电流分布及腐蚀与断点诊断的研究 摘要 接地网是发变电站的重要组成部分，本文对接地网主要做了 两个方面的研究。 第一方面是接地网电流分布的研究。本文首次提出了一种在 实验室测量接地网中电流分布的方法。用电量隔离传感器在实验水 池中测量接地网中的电流分布。通过对不同接地网的测量，得出一 系列实验数据，为研究地网中的电位分布及地网设计打下了基础。 第二方面是接地网腐蚀与断点诊断方面的研究。通过严谨的 理论分析，采用灵敏度分析法建立了故障诊断方程，将能量最低原 理及优化技术引入地网的故障诊断方程的求解中，解决了欠定方程 的求解问题，并编制了相应的诊断计算软件；通过大量的仿真计算 和模拟试验验证了该方法的正确性、可行性及实用性，其仿真计算 和模拟试验结果与预先假定的情况基本一致；同时对现场测试中可 能遇到的问题进行了讨论，并提出了消除干扰的有效措施。 关键词接地网电流分布电量隔离传感器灵敏度分析法 故障诊断方程仿真计算模拟试验 武汉大学硕士学位论文 接地网电流分布及腐蚀与断点诊断的研究 a b s t r a c t t h e g r o u n d i n gg r i d i sa ni m p o r t a n t p a r to f p o w e rp l a n t s a n d s u b s t a t i o n s t w op a r t so fr e s e a r c h e so nt h eg r o u n d i n gg r i da r ed i s c u s s e di n t h i sp a p e r o n ep a r ti st h er e s e a r c ho nt h ec u r r e n td i s t r i b u t i o no ft h eg r o u n d i n g g r i d am e t h o do fm e a s u r i n gc u r r e n td i s t r i b u t i o ni ng r o u n d i n gg r i d i nt h e l a b o r a t o r yi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r c u r r e n td i s t r i b u t i o ni ng r o u n d i n gg r i d i sm e a s u r e db yt h ei s o l a t e ds e n s o ro fe l e c t r i c i t yi n e x p e r i m e n t a lp 0 0 1 a s e r i e so fe x p e r i m e n t a ld a t aa r eo b t a i n e db ym e a s u r i n gd i f f e r e n tg r o u n d i n g g r i d s 。a n dt h eb a s ei s e s t a b l i s h e dt o a n a l y s ep o t e n t i a ld i s t r i b u t i o n i n g r o u n d i n gg r i da n dt od e s i g nt h eg r i d a n o t h e rp a r ti st h er e s e a r c ho nt h ec o r r o s i o na n dt h eb r o k e np o i n to f t h eg r o u n d i n gg r i d t h ef a i l u r ed i a g n o s i se q u a t i o nh a sb e e np u tu pt h r o u g h r i g o r o u st h e o r e t i c a la n a l y s i sa n du s i n gs e n s i t i v i t ya n a l y s i s m e a n w h i l e ，b y i n t r o d u c i n gt h el o w e s te n e r g yt h e o r ya n do p t i m i z a t i o nt e c h n i q u et ot h e f a i l u r ed i a g n o s i se q u a t i o no ft h eg r o u n d i n gg r i d ，t h ep r o b l e mo fm o r b i d e q u a t i o ns o l u t i o nh a sb e e ne f f e c t i v e l ys o l v e d a n dt h ec o r r e s p o n d i n g d i a g n o s i sc a l c u l a t i o ns o f t w a r eh a sb e e np r o g r a m m e d t h et h e o r ya n d m e t h o da r et e s t i f i e dt ob ec o r r e c t ，f e a s i b l ea n dp r a c t i c a lb ym e a n so fal o to f e m u l a t i o nc a l c u l a t i o na n da n a l o g o u se x p e r i m e n t s t h er e s u l t so fe m u l a t i o n c a l c u l a t i o na n da n a l o g o u se x p e r i m e n t sa r eb a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i t ht h e r e s u l t so fa s s u m p t i o ni na d v a n c e t h ep r o b l e m st h a tm a y a p p e a ro ns i t e h a v eb e e nd i s c u s s e da n dt h ee f f e c t i v em e a s u r e m e n t st oe l i m i n a t et h e i n t e r f e r e n c eh a v eb e e np u tf o r w a r d k e yw o r d s ：g r o u n d i n gg r i d c u r r e n td i s t r i b u t i o nt h ei s o l a t e d s e n s o ro fe l e c t r i c i t y s e n s i t i v i t ya n o l y s i s t h ef a i l u r ed i a g n o s i s e q u a t i o n e m u l a t i o nc a l c u l a t i o n a n a l o g o u se x p e r i m e n t s y 1 0 0 7 0 3 7 武汉大学电气工程学院 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的申请虽学位的论文是本人在导 师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标 注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者签名：失 正 1 到日期：2 0 醪年岁月日日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文大规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密囱，在 3 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：长正到 日期：力哆年岁月鲳日 导师签名：c ；l 分3 - , 日期m “年5 一月，日 武汉大学硕士学位论文 接地网电流分布及腐蚀与断点诊断的研究 第一章引言 1 1 课题的背景及意义 发、变电站的接地网是维护电力系统安全可靠运行、保障运行人员和电气设备安 全的重要措施。构成接地网的均压导体埋设在地下，常因施工时焊接不良、漏焊、土壤 的腐蚀、接地短路电流电动力作用等原因，导致地网导体及接地引线的腐蚀，甚至断裂， 使地网均压导体之间或接地引线与均压导体之闻存在电气连接不良的故障点。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 串入控制室，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。 在腐蚀性土壤中，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 据国内外的调查表明，在腐蚀性较强的土壤中。地网金属导体的年腐蚀率可达2 0 l m ， 腐蚀性强的土壤可达3 4 m 腐蚀性极强的土壤可达8 o m m ，因此在这些地区地网腐蚀 已成为影响电力系统安全运行的重要因素。在我国，因地网腐蚀或发生断裂而引起的电 力系统的事故时有发生，每次事故都会发生巨大的经济损失。根据广东省中试所对地网 腐蚀情况的调查表明，1 9 8 1 1 9 8 5 年广东省将运行十年及以上的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 个接地网均有不同程度的腐蚀，其中运行1 6 年的东墩l l o k v 变电站接地网，1 2 4 的扁钢被腐蚀掉8 0 ，且有十多处已经断裂，运行2 1 年的平富岗 1 1 0 k v 变电站接地网中9 的圆钢被腐蚀成为细条状。 1 9 8 6 年广西合山电厂曾发生一起因刀闸污闪而引起接地线烧断，二次电缆端子排 烧坏，一台十万千瓦发电机损坏最后导致全厂停电的莺大事故。当时的天气是大雾， 并有蒙蒙细雨。事故时1 l o k v 开关站内# 1 5 7 1 刀闸a 相母线侧的支柱瓷瓶使a 相接地故 障。专家们分析认为，地网缺陷是使事故扩大的主要原因。合山电厂自1 # 机投入运行 以来进行了五期工程扩建。到事故发生时，第五期工程仍在施工中。地网也分五次扩 建，事故点的地网已运行1 6 年。根据事故后开挖调查，埋入地中的接地网带( 2 0 4 扁钢) 虽未见明显腐蚀，但设备引下线( 中1 2 或0 1 4 圆钢) 在地表下几十公分处腐蚀 严重，有的只剩7 5 m 直径。1 l o k v 电缆敷设的电缆支架的水平接地连线( 2 0 4 扁钢) 腐蚀严重，有的截面减少了一半，有的甚至减少了四分之三，仅剩下一动就断的残骸。 所以，当刀闸因污闪发生接地时( 由系统供给短路点电流，经计算为8 k a 左右) ，接地 茎婆查兰堡主主竺垒塞 垄些堕皇鎏坌塑墨壁壁皇堑皇兰墅箜婴壅 引下线立即被烧断。 1 9 8 5 1 9 8 6 年二年间湖北省胡集、潜江、武钢等三个2 2 0 k v 变电所因接地不良将变 电所内弧光短路事故扩大为全站停电和设备严重损坏事故；1 9 9 1 年浙江电网一个1 1 0 k v 变电所发生了3 5 k v 开关站接地短路，由于接地装置存在问题，使一次系统故障扩大到 二次系统，造成全所停电1 3 个小时，一、二次设备大量损坏。再如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，造成发电机、变压器 严重烧坏的恶性事故，损失十分严重。 1 9 9 5 年河南信阳地区电业局对6 所i l o k v 变电站和2 座发电厂的升压站的检查， 共发现i 0 0 多处设备接地与地网不通，或接地网之间相互不通。有的设备单元接地自成 体系，与周围设备的接地不通，有的l l o k v 变电站，1 l o k v 电压互感器、避雷器间隙， 3 5 k v 电压互感器、避雷器间隙，l o k v i i 段所有设各接地与地网都不通。这些设备的接 地从地表看不出问题，大多数还实施了设备的“双接地”，容易造成接地很好的假象。 在这样的情况下，当工频接地短路电流或雷电冲击电流流经电网时，可能因发热或电动 力使地网导体或接地引下线断裂，引起一次、二次设备事故和人体遭受电击的危险，还 会因事故造成巨大的经济损失。 接地网的故障已是电力系统安全运行的心腹大患，诊断接地网的断点及地网的腐 蚀情况已成为电力部门一项重大反事故措施。过去一般都是在发现接地电阻不合格或出 现事故后，通过开挖查找地网的电气连接故障点或腐蚀段，这种方法带来盲目性、工作 量大、速度慢，并且还受现场运行的限制。故发、变电站接地网腐蚀和断点的诊断理论 与方法的研究具有重大的现实意义。而测量接地网中的电流分布又为地网设计及研究地 网中的电位分布打下了基础。 1 2 国内外研究现状及趋势 随着电力系统的发展，接地短路电流不断增大，接地网的问题越来越突出。然而， 对于地网故障点的测量手段非常原始，在接地工程竣工后对施工中的地网漏焊和虚焊也 缺少有效的检查验收手段。电力系统现在了解地网腐蚀及断点的常用方法就是在停电抽 样开挖的办法往往带有很大的盲目和实际操作上的困难。而对引线故障的检查判断， 目前通常采用的办法是：维护人员用肉眼观察接地引线在地表部分的腐蚀情况，井用力 摇动接地引线以观察地表以下的浅层部分是否断裂，因为接地引线地表以上部分常常涂 有防锈层，采用这种方法根本无法判断引线防锈层内部的腐蚀状况和程度：再者，由于 接地引线大多是扁钢或圆钢这样的钢性材料，即使用力摇动也不能判断较深处的引线是 2 武汉大学硕士学位论文 接地网电流分布及腐蚀与断点诊断的研究 否断裂，这种方法对于接地引线地表以下的腐蚀情况也无能为力。当然。随着先进物理 技术的发展，超声波探伤和x 射线探伤开始应用于工程中。但是，x 射线和超声波只能 估计出被检测物的几何形状，当地网均压导体发生断裂或出现腐蚀的时候，它的几何形 状往往没有明显的变化，这将给电气连接点的判断带来困难。 当前国内外尚没有系统实用的地网电气连接故障点及腐蚀诊断方法。为了判断接 地网的运行状态，一般测量接地电阻，以判断整个接地网接地性能。我国的规程要求， 每2 - 3 年应对1 1 0 k y 以上变电站的接地网进行一次试验。试验项目和方法是： 1 用工频大电流法测工频接地电阻，电流为4 0 6 0 a ，这样可有效地克服地网杂散 电流的干扰，提高信噪比结果准确。 2 用工频大电流注入地网，测地网及其周边的电位分布。检查地下接地体的电位 分布，以及最大电位梯度。 3 用工频大电流测设备的接触电压，考核设备与地网的连接情况。 4 检查设备接地与地网的连通情况，方法是用欧姆表检查每台设备之间的接地引 下线间的直流电阻，如大于0 3q 就应引起注意。 用工频大电流法全面检查地网存在很多困难，一是要停电，二是要大电流源，三 是测量工作十分复杂，因此一般很少采用。另外这种方法只对存在断点的情况敏感，而 无法反映腐蚀情况。 用测量接地电阻的方法判断地网断点，其本身从原理上存在问题。当地网腐蚀或 存在断点时，地网的接地电阻基本上没有变化，因为接地电阻反映的是整个地网区域的 散流特性，只与整个地网面积大小有关系，而与局部变化基本上没有关系。另# f 目- p 使地 网由于严重腐蚀导致地网的解列由于两部分地网间的互电阻的作用，解列后测量得到 的接地电阻仍不会有较大的变化。在我国变电所事故调查中曾发现有4 个变电所，当发 生单相接地或两相接地故障时，麸烧毁控制电缆5 5 0 0 多米，实测变电站的接地电阻值 分别仅为0 2 4 、0 1 5 、0 1 5 5 和0 1 5o 。实际上，接地系统的总接地电阻与可能遭受 的最大冲击电流之间不存在简单关系，不能以单纯的接地电阻作为接地网的安全判据。 另外目前电力部门根据整个地网的接地电阻的变化来判断地网是否腐蚀也是不合 理的。除了上面的原因外，接地电阻受所处区域的土壤电阻率变化、测量方法、测量方 位的变化而有较大的变化，即测量得到的接地电阻变化不一定是由于地网腐蚀及断裂引 起的。从另一方面来说，即使地网的接地电阻能反映地网的腐蚀情况，但也没法准确定 位故障点。只好人工抽样开挖检查，或者大范围开挖检查，造成了成本昂贵、检测工作 武汉大学硕士学位论文 接地网电流分布及腐蚀与断点诊断的研究 量大等弊端。 电力系统迫切需要找到一种比较简便的了解地网断点及腐蚀的方法。鉴于以上， 完全有必要研究变电站地网故障诊断的理论和方法，开发地网腐蚀及断点的诊断系统。 力图实现在不停电和不对地网开挖的情况下，通过一定的测量、判断方法，及时发现事 故隐患。定位故障点，对地网的腐蚀和断点进行普查，为地网的及时维修和改造提供科 学而可靠的依据，防止由于地网故障而可能造成的危害，保障电力系统的安全、可靠运 行。这种方法简单、准确、不受现场运行条件的限制，实现在不停电和不开挖的情况下， 对地网的故障进行诊断。 过去，国外接地网均为铜导体，不存在腐蚀、断裂问题。由于铜地网造价太高， 北美及欧洲已开始采用镀锌钢做地网材料，但目前国外没有开展接地网腐蚀普查和诊断 的研究工作，也没有专门研究接地网故障诊断的参考文献。但有关电路的故障诊断的成 熟理论及可行算法可以借鉴，用于地网腐蚀及断点的诊断工作。算法中有代表性的主要 有美籍学者刘瑞文和他的合作者，他们提出了容差下的几种k 故障诊断法，k 节点故障 可测的拓扑条件等等。日本k y o t o 大学的t a k a oo z a w a 等对故障验证法和参数辨识法也 有较深入的研究，著有专著。国内诊断理论有代表性的有：清华大学的杨士元等提出了 快速k 故障诊断法：福州大学的张志涌、杨祖樱等提出了广义反投影法；西安交大的范 丽娟提出了小容差情况下k 故障诊断的门限估计方法，另外还有k 故障屏蔽法等新方法。 这些方法都在不同程度上对k 故障诊断法进行了改进和提高，但这些仍是理论上的研 究。 1 3 论文的工作 论文主要包括两方面的工作：一，关于接地网电流分布的测量；二，关于接地网 腐蚀和断点的诊断理论与方法。 第一部分介绍了一种测量接地网中电流分布的实验室方法。用电量隔离传感器在 实验水池中测量接地网中的电流分布。通过对不同接地网的测量，得出一系列实验数据， 并与理论计算结果进行比较，得出接地网中电流分布的一般规律。 第二部分对接地网腐蚀和断点的诊断理论进行了分析研究，即根据工程实际问题， 建立相应的物理、数学模型，选择适当的计算方法，编制相应的计算软件：并进行模拟 试验以验证上述理论和方法的正确性，在模拟的地网中人为设置已知的故障点和腐蚀点 作为检测目标。以进一步验证该方法的可行性及实用性。 4 武汉大学硕士学位论文 接地网电流分布及腐蚀与断点诊断的研究 第二章接地网电流分布的测量 随着用电负荷的不断增加，电力系统的容量也在不断增大，这样，接地网的尺寸 也越来越大，因此分析接地网中的电流分布就显得很有必要。本次实验测量了单根垂直 接地体、十字形接地网、水平接地网及复合接地网( 带垂直接地体) 中的电流分布，并 将实验数据与理论计算结果进行了比较，对接地网中的电流分布规律有了一定的了解， 为地网设计及研究地网中的电位分布打下了基础。 模拟实验方法及模拟电介质的使用有着相当长的历史。科学技术的发展，也使接 地模拟技术得以不断完善。早在德国的k o c h 在一盆形电解池内进行了方孔地网的模拟 试验。考虑单层土壤结构，并以水作为模拟介质。该实验不仅奠定了接地模拟实验的基 础，而且也为后来美国的安全导则提供了重要数据。 从模拟实验的发展历史来看，实验大多数是在长方形、方形和半球形的池内进行。 最常用的介质为水。本次实验就是在长方形的实验水池中进行的。 2 1 模拟实验 接地模拟实验通常都用具有一定电阻率的电解液( 例如自来水或稀食盐溶液) 作 为媒质，因为在电解液中可以比较容易地测量电位分布，这种模拟装置称为电解槽。电 解槽的槽壁通常是由绝缘物制成的，考虑到在电解槽中，电流流动的方向受到槽壁的影 响因而电解槽应尽可能做得大一些。一般应使地网模型的中心到槽壁的距离大于地网 模型对角线的5 倍，电解槽宜做成长方形，以便设置回流电极r i l l 。为了完善接地技术， 提高实验精度，我们决定在1 0 m x 5 r e x 2 5 m 的长方形池内进行接地网中电流分布的模拟 实验。池的四壁用瓷砖拼砌表面用绝缘漆涂刷。池的上方横一铁架行车，行车移动， 可载实验人员到达池内的任何地方。池的底面铺一层铝板，由此沿池边向上引一条导电 线 1 3 1 0 在接地网中，地网接地体本身的阻抗会引起地网电位分布不均匀。接地电阻可以 看成是接地网导体的电阻与接地网相对于无限远处的无限大电极间大地土壤的电阻的 串联，一般情况下前者远近小于后者，故接地网导体电阻r 。所引起的压降以及导体电阻 对接地网接地电阻的影响是可以忽略的。同时工频条件下电感和电容的影响也是可以 忽略的。本次实验的目的就是在忽略接地体本身阻抗的前提下，得出接地网中的电流的 散流规律。 由于实际中分析地网电流的不方便，本文采用了一种实验室模拟的方法来分析实 5 武汉大学硕士学位论文 接地网电流分布及腐蚀与断点诊断的研究 际地网中的电流分布。由于注入到接地体中的电流在沿导体轴向流动的同时会向水中泄 漏，为了测量出水中接地网周围的电流分布，考虑到水中的具体情况，我们采用了可移 动式的穿心式电量隔离传感器来测量水中接地网的电流分布。实验电路图如图2 1 1 。 图中的接地体分别采用了单根垂直接地体、十字形接地网、水平接地网及复合接地网( 带 垂直接地体) 等4 种接地体进行实验。此次实验是在工频条件下进行的，各个元件的参 数选择如下： 1 调压器为2 2 0 v 调压器( 0 - 2 2 0 v 可调) ： 2 限流电阻r 为两个2 0 0 0 、1 0 w 的电阻并联而成，每个电阻能承受的最大电流约 为0 2 3 6 a ，故并联后可通过约0 4 7 2 a 的电流。 3 数字电压表为通用的数字万用表； 4 隔离变压器有2 1 0 、2 2 0 、2 3 0 v 三档输出，本次实验选择2 2 0 v 输出。 5 电量隔离传感器采用w b 系列电量隔离传感器，其型号为：w b l 4 1 2 d 1 0 5 a ( 0 4 ) 5 v ，由于此传感器不能防水，此次实验是采用环氧树脂密封绝缘的。 6 水的电导率为3 8 x1 0 - 2 s i n 。 数 字 万 用 表 图2 - 1 1 实验电路图 6 i v 武汉大学硕士学位论文 接地网电流分布及腐蚀与断点诊断的研究 2 2 关于各种接地体接地电阻与电流分布的测量 水深2 4 4 米，水池深( 2 4 4 + 0 2 4 5 ) 米，水的电导率为3 8 1 0 s m ，所用接地体 材料直径均为o - - 2 2 m m ，r ，= 2 0 0 q ，安培表的内阻为r = 3 1 0 。以下接地电阻的测量 时，电压表是放在电流表之后的。 2 2 1 单根垂直接地体 一、经验公式( 冲击电流) 由于注入到接地体中的电流在沿导体轴向流动的同时会向水中泄漏，故当给垂直 接地体通有电流时，在y - 深处由电流互感器可测出电流i - ；在y ，深处可测出电流i z ， i - 与i 。之差即为在y - 与y z 之间的电流衰减量，再根据这些数据进行理论分析，可以得 出垂直接地体周围的电流分布。 接地体上的电流分布就是当电流加于接地体上后，接地体上各处电流的最大值沿 接地体长度方向所呈现出的一种规律。长垂直接地体的电流分布“5 可按下面的经验公 式计算： r ，、一手o 。6 ，8 。( 1 + 3 l 。6 h 型：。一尹，1 y ，( 0 ) 犷一 武汉大学硕士学位论文 接地网电流分布及腐蚀与断点诊断的研究 接地体上的电压回路总电流 长度l ( e r a )接地电阻值( q )平均值( q ) ( v )( m a ) 1 1 5 2 0 5 7 7 1 7 33 05 7 5 2 2 64 05 6 5 l = 4 9 c m 5 6 8 3 3 96 05 6 5 4 5 08 05 6 ，3 5 6 。4 1 0 05 6 。4 o 9 52 04 7 7 1 _ 8 84 04 7 1 l = 6 2 7 c r n 2 8 06 04 6 74 6 8 3 6 98 04 6 1 4 6 2 1 0 04 6 2 2 单根垂直接地体工频下的电流分布 电流从0 点注入。对单根垂直接地体，分别测量了当注入电流为2 0 m a 、4 0 m a 、6 0 m a 、 8 0 m a 、1 0 0 m a 时6 个不同深度处的电流值，电流值随深度呈线性递减，分布基本上是均 匀的。实验数据如表2 _ 2 一卜2 所示。表中深度的单位为c i l l ，电流的单位为i 口a ，测量的单 根垂直接地体的长度为6 2 7 厘米。 表2 2 1 2 单根垂直接地体中的电流分布 度 电流 01 02 03 04 05 0 2 01 9 91 5 81 2 79 8 46 5 03 6 7 4 03 9 83 3 o2 6 92 0 81 4 18 2 5 6 0 5 9 7 5 0 14 0 83 l - 82 1 91 2 8 8 07 9 66 7 05 4 94 2 72 9 61 7 5 1 0 09 9 78 4 36 8 65 3 63 7 42 2 3 通过理论计算得到的单根垂直接地体电流随深度衰减曲线如图2 - 2 - 1 - 2 所示。 武汉大学硕士学位论文 接地网电流分布及腐蚀与断点诊断的研究 暑 v 蓑 兰 耋 士 摹概t 直接照伸毫琬硅攫度童蕞曲吐 口2 a4 a5 o 在木中的摄鹰c ， 图2 2 一卜2 注入电流为8 0 m a 时深度与电流的曲线 在以上6 个不同深度处的电流理论计算值分别为8 0 0 m a 、6 7 1 m a 、5 5 0 m a 、4 2 9 m a 、 3 0 5 m a 、1 7 7 m a 。与图3 中用圆点表示的测量值与理论计算值的误差均在3 以内。 2 2 2 十字形接地网 十字形接地网是两根长5 0 c m 的铜丝垂直交叉焊成的，其直径为由_ 2 2 r n m ，其示 意图如图2 2 2 1 所示。 图2 - 2 - 2 1 十字形接地网 一、十字形接地网接地电阻的测量 实验数据如表2 - 2 2 一l 所示。 表2 2 2 1 十字形接地网的接地电阻测量值 接地体上的电压回路总电流 ( v )( r a a ) 接地电阻值( q )平均值( q ) 1 2 12 06 0 5 2 2 84 05 7 0 3 2 5 6 05 4 25 5 6 4 2 78 05 3 4 5 3 11 0 05 3 1 9 n”扣”曲o 武汉大学硕士学位论文 接地网电流分布及腐蚀与断点诊断的研究 二、十字形接地网工频下的电流分布 电游【从中心0 点注入，对十字形接地网分别测量了当注入电流为4 0 m a 、6 0 m a 、8 0 m a 时图中各点处的电流值，实验数据如表2 - 2 2 2 所示。在图2 2 2 1 中，e 、f 、g 、h 分别为a o 、b o 、c o 、d 0 的中点。 表2 2 2 - 2 十字形接地网中的电流分布( 单位：m a ) 置 a o b oc od o 者流 a eo bfocgodho 4 9 r a a1 4 55 2 0 8 1 9 1 2 85 6 29 4 2l - 3 5 5 5 28 4 81 9 2 5 8 6 8 8 4 6 0 m a1 5 0 9 3 0 1 3 81 1 29 6 51 3 81 2 89 5 2 1 3 4 1 6 89 ，3 41 3 5 8 0 n 认1 4 31 2 71 8 21 - 2 81 2 51 8 41 1 5 61 2 61 8 11 8 21 2 81 7 8 2 2 3 水平接地网 一、水平接地网接地电阻的测量 水平接地网是3 0 0 3 0 0 n m l 2 的方形地网，均压带是3 3 根水平接地体组成的，即 有4 个网孔，电流是从中心0 点注入。测得的接地电阻值如表2 2 3 一l 所示。 表2 2 3 一i 十字形接地网的接地电阻测量值 接地体上的电压 ( v ) 回路总电流( i r a )接地电阻值( q )平均值( o ) 0 8 5 32 04 2 7 1 6 24 04 0 5 2 4 3 6 04 0 。54 0 8 3 2 28 04 0 3 4 0 21 0 04 0 2 二、水平接地网工频下的电流分布 电流从地网边角a 点注入( 最不对称，最不易散流) 。对水平接地网分别测量了当 注入电流为4 0 m a 、6 0 l l l a 、8 0 m a 时各导体段中的电流值，如图2 - 2 3 1 、2 - 2 3 2 、2 - 2 3 3 所示( 单位为l i i a ) 。注：图中所标的电流值都是该段导体中间处流过的电流值。 1 0 型查兰堡主堂堡丝塞 苎垫婴皇塑坌塑墨壁壁皇堑皇兰堑塑里塞 4 0 图2 2 3 1 注入电流为4 0 m r 时各部分的电流分布 6 0 图2 - 2 3 2 注入电流为6 0 m r 时各部分的电流分布 图2 - 2 3 3 注入电流为8 0 m a 时各部分的电流分布 2 2 4 复合接地网 一、接地电阻的测量 1 带4 根垂直接地体的复合接地网 复合接地网是3 0 0x3 0 0 n n u 2 的方形地网，均压带为3 3 根水平接地体、4 根垂直 接地体的复合接地网，有4 个网孔。垂直接地体长5 0 c m ，接地导体是直径中- - 2 2 n u n 的 武汉大学硕士学位论文 揍地网电流分布及腐蚀与断点诊断的研究 铜丝焊成的。 i ) 电流从地网边角a 点注入时的接地电阻值如表2 - 2 - 4 一i 所示。 表2 2 - 4 1 带4 根垂直接地体的复合接地网接地电阻测量值 接地体上的电压回路总电流 接地电阻值( q )平均值( q ) ( v )( m a ) 0 5 5 52 02 7 8 1 0 44 02 6 o 1 。4 8 76 02 4 82 5 2 1 9 “8 02 4 1 2 3 41 0 02 3 4 2 ) 电流从地网中心o 点注入时的接地电阻值如表2 2 4 2 所示。 表2 2 4 2 带4 根垂直接地体的复合接地网接地电阻测量值 接地体上的电压回路总电流 ( v )( m a ) 接地电阻值( q )平均值( q ) 0 5 3 0 2 0 2 6 5 1 0 i 4 02 5 _ 3 i 4 56 02 4 22 4 5 1 8 98 02 3 6 2 3 21 0 0 2 3 2 2 带5 根垂直接地体的复合接地网 复合接地网是3 0 0 3 0 0 m m 2 的方形地网，均压带为3 3 根水平接地体、5 根垂直 接地体的复合接地网，有4 个网孔。垂直接地体氏5 0 c m ，接地导体是直径巾；2 2 m m 的 铜丝焊成的。 电流是从边角a 点注入。接地电阻值如表2 - 2 4 3 所示。 表2 - 2 - 4 - 3 带5 根垂直接地体的复合接地网接地电阻测量值 l 接地体上的电压( v )回路总电流( i n a )接地电阻值( o ) i1 7 18 0 2 1 4 3 带9 根垂直接地体的复合接地网 复合接地网是3 0 0 x 3 0 0 r a m = 的方形地网，均压带为3 3 根水平接地体、9 根垂 直接地体的复合接地网，有4 个网孔。垂直接地体长5 0 c m ，接地导体是直径由= 2 2 n u n 的铜丝焊成的。 电流是从边角a 点注入。接地电阻值如表2 2 4 4 所示。 1 2 武汉大学硕士学位论文 接地网电流分布及腐蚀与断点诊断的研究 表2 2 4 4 带9 根垂直接地体的复合接地网接地电阻测量值 f 接地体上的电压( v )回路总电流( m a )接地电阻值( q ) l5 7 8 01 9 6 二、电流分布的测量 电流从地网边角a 点注入( 最不对称、最不易散流) 。分别测量了带4 根、5 根及 9 根垂直接地体三种形式的复合接地网。对每种接地网都测量了当注入电流为4 0 m a 、 6 0 m a 、8 0 m a 时各导体段中的电流值，图2 2 4 1 、图2 2 4 - 2 、图2 - 2 - 4 - 3 显示了这三 种接地网当注入电流为8 0 m a 时地网中对称部分的电流值( 单位为i l l a ) 。注：图中水平部 分的电流值是该段导体中间处流过的电流值；垂直部分的电流值为垂直接地体在深度为 o c m 时的电流值。这三种复合接地网的接地电阻分别为2 5 2 0 、2 1 4 q 、1 9 6 q 。 c 图2 2 4 1 带4 根垂直接地体的接地网的电流分布 c 1 2 3 图2 2 4 2 带5 根垂直接地体的接地网的电流分布 1 3 o 9 茎、汉奎兰堡圭堂竺堡苎 量垫壁皇鎏坌查墨壁垫兰堑皇堡堑箜翌壅 c 9 0 2 0 4 图2 2 4 - 3 带9 根垂直接地体的接地网的电流分布 从以上三图可以看出，由于垂直接地体的长度比较长( 5 0 c m ) ，故电流主要是从垂 直接地体散流的，雨在水平部分散流只占一小部分( 误差说明：由于传感器本身有近 l m a 的误差，地网中的电流都是用它来测的，而总电流( 8 0 m a ) 是用毫安表来测量的， 故用传感器测得的电流值有近1 j i l a 的误差，这些误差均在5 以内，属于实验允许范围) 。 2 3 实验结果分析 通过计算接地电阻的计算程序计算出来的单根垂直接地体、十字形接地网、水平 接地网及复合接地网( 带垂直接地体) 的接地电阻值分别为：4 4 6 q 、5 5 0 q 、4 2 7 q 、2 4 2 q 、2 0 5 0 、1 8 8 q 。其误差分别为：4 9 3 、1 0 9 、0 9 4 、4 1 3 、4 3 9 、 4 2 6 。误差均在实验所容许的范围内进一步验证了本次实验数据的有效性。 通过几种接地网的比较，在相同条件下，接地电阻大小关系为：单根垂直接地体 十字形接地网 水平接地网 复合接地网；散流效果是复合接地网最好单根垂直接地体 最差。对于复合接地网，由于垂直接地体的长度比较长( 5 0 c m ) ，故电流主要是从垂直 接地体散流的，而在水平部分散流只占- - 4 部分。但是当复合接地网带较多垂直接地体 时，垂直接地体之间就会产生屏蔽效应，散流效果相对减弱。故为了加强散流效果和节 约钢材，垂直接地体应该适宜( 在实际工程中，垂直极的相对深度都较小，一般不起作 用) 。 关于水平接地网和复合接地网电流注入点的说明： 在工频条件下，接地网可以近似的看成是一个等位体，因此从哪一点注入影响不 是很大。我们特意从地网边角入地，是想知道，在频率提高的情况下( 如频率提高4 0 0 倍) ，在注入点和其对角点之间有没有电位差，以便用小的地网来模拟实际地网( 在实 1 4 武汉大学硕士学位论文 接地网电流分布及腐蚀与断点诊断的研究 际接地网缩小的前提下，通过提高电源频率的方法来达到模拟实际接地网的目的) 。故 我们做的电流分布的实验大都是从地网边角注入的，在工频时也是一样。 产生误差的原因主要有以下两方面： 客观原因： 仪表产生的误差，包括电量隔离传感器、毫安表、调压器、数字万用表、 隔离变压器等。 接地网本身导体电阻产生的误差。本次实验中这个电阻是忽略的。 主观原因： 实验人员操作上产生的误差。如移动传感器的深度等。 接地网制作时产生的误差。如焊接时焊点较大，水平网不够水平等。 2 4 频率特性分析 为了分析大型接地网中电流分布，在实际接地网缩小的前提下，可以通过提高电 源频率的方法来达到模拟实际接地网的目的。在大型接地网中，由于尺寸的加大，电感 的作用就不容忽视，从而导致接地网中的电位分布不均匀，这种情况在地网的两端表现 的尤为突出，极端情况下，当电流从一角注入时，在它与它的对角之间将有明显的电位 差。 理论依据i ：电场的模拟实验方法有两种，一种是几何模拟，即将原来的电场只是 在几何上按比例加以放大或缩小；另一种是数学模拟，即模拟只是在数学方程的解上同 原来的电场相似。接地计算中广泛采用的是几何模拟法。本次模拟实验也采用此法。 电场几何模拟的理论根据是拉普拉斯方程1 。由于电流场的分布是满足拉普拉斯 方程的，即 罂+ 罂+ 罂：o ( 2 - 4 - 1 ) 缸2 却2 出2 。 如果模拟场坐标的x 、y 、z 同实际电场的坐标x 、y 、z 有下列关系： 舻甜1 1 y=ay(2-4-2) z = 船j 而且模型的电位y 和实际的电位矿有下列关系： y = b v ( 2 4 3 ) 则式( 2 - 4 1 ) 可改写为： 武汉大学硕士学位论文 接地网电流分布及腐蚀与断点诊断的研究 也即 砉 等+ 等+ 罢o z ) = 0口2 【缸1 咖1 j 一” 警+ 尝o y + 婴0 z = 。 氟2 。 2 。 2 。 可见只要按式( 2 - 4 - 2 ) 和式( 2 - 4 3 ) 的条件进行模拟，则模拟场和实际场将是完 全相似的，因此在进行模拟实验时，可将实际接地电极按比例缩小。 理论依据2 ：电网的接地参数有r 、电感l 、对地电导g 和地电容c 。所以，单根 单元接地体可以用r o 、l o 、g n 、c o 参数组成的万型等效电路来表示( 如图2 4 1 ) 。 r ol o 图2 4 1 单根单元接地体丌型等效回路 在大型接地网中，由于地网尺寸的加大。地网接地体本身的阻抗会引起地网电位 分布不均匀。接地电阻可以看成是接地网导体的电阻与接地网相对于无限远处的无限大 电极间大地土壤的电阻的串联，一般情况下前者远远小于后者，故接地网导体电阻所引 起的压降以及导体电阻对接地网接地电阻的影响是可以忽略的。 同时由理论计算可知，当( 2 - 4 5 ) 式成立时，电容的影响也可以忽略，而在工频 条件下这个条件一般是能满足的。 盯 嬲， ( 2 - 4 5 ) 式中：盯介质电导率 角频率( = 2 万，厂一频率) 占 介质的介电常数 这样，引起地网电位分布不均匀的原因主要是因为电感的作用，这是由于地网尺 寸的加大，使得c o l 增大，从而引起地网电位分布的不均匀。 实验研究：由于实际中分析地网电位的不方便，本文采用了种实验室模拟的方 法来分析实际地网中的电位分布。为t i u 量出水中接地网周围的电流分布，考虑到水中 的具体情况，再加上实际地网较大，为此，具体模拟思想如下： 自己设计小的方孔接地网( 带垂直接地体) ，其大小是实际接地网的1 a ，即，模 拟比为1 a ，然后提高电压的频率为实际接地网频率的a 倍。这样模拟出实际的接地网， 实测出的接地电阻可近似认为是实际地网在该电阻率下的接地电阻。 1 6 武汉大学硕士学位论文 接地同电流分布及腐蚀与断点诊断的研究 当实际地网尺寸为1 2 0 1 2 0 m 2 时，可取模拟比为1 4 0 0 ( 即a 为4 0 0 ) ，则地网模 型的尺寸可缩小为3 0 0 x 3 0 0 r a m 2 。当地网尺寸缩小了4 0 0 倍，由于本次实验只考虑电 感的影响，即感抗m ，这时l 减小了4 0 0 倍，故可考虑将频率提高4 0 0 倍以对实际的 地网进行模拟。实际地网是处于工频条件下的，因此在模拟实验中可提高电源频率为 f = 4 0 0 5 0 h z = 2 0 k h z 。通过计算，可以知道，在此频率下，条件盯 嬲仍然满足， 电容的影响也可以不用考虑，对我们模拟实际接地网没有影响。这也是本次实验的理论 依据。 本次实验由于实验条件有限，没有做频率特性。 2 5 结论 1 本文提出了一种测量接地网中电流分布的方法，对接地网设计、分析接地网 中的电位分布，奠定了一定的实验基础。 2 本文测量了多种形式接地网的电流分布，得出了大量的实验数据，并与部分 理论计算值相比较，对接地网中的电流分布规律有了一个全面的了解。 3 在大型接地网中，接地体本身阻抗会引起地网电位分布不均匀。引起地网电 位分布不均匀的原因主要是因为电感的作用 1 4 1 因此在实际地网缩小的前提 下，可以通过提高电源频率的方法来模拟实际接地网。尽管本次实验没有做 频率特性，但这次实验也说明了在工频条件下，对小的模拟地网，接地体本 身的阻抗可以忽略。 7 茎堡盔堂堡主堂堡论文接地网电流分布及腐蚀与断点诊断的研究 第三章接地网腐蚀和断点的诊断理论与方法 3 1 概述 为了能够准确的诊断整个接地网的腐蚀与断点情况，本文采用了两种方法进行诊 断，先用测量珊仃型网络中任意两点之间等效电阻来进行初诊断，再运用地网腐蚀和 断点诊断计算软件进一步确诊故障。 一、测量肌x 胛型网络中任意两点之间等效电阻 本文运用外加电源法、节点电压法，利用f o r t r a n 语言进行编程求出了给定，2 n 型网络中任意两点之间的等效电阻。本程序可以计算每段导体电阻值不一样时任意两点 间的等效电阻，对于一个固定的电网模型，其每条支路上导体的电阻标称值( 即理论值) 就已经确定，可以利用程序求出该地网任意两点之间的电阻标称值，再与在地网中测得