（电力系统及其自动化专业论文）大型厂、站接地网状态监测与故障诊断系统研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 大型发电厂、变电站的接地网对于电力系统安全运行至关重要，如何及时发现 接地网故障，对接地网进行“状态维修”是需要研究、解决的问题。论文对大型接 地网状态监测与故障诊断系统进行了研究；提出了以接地网引下线的电位值为基础 的监测方法，完成了监测与故障诊断系统的总体设计；给出了基于接地网引下线电 位监测值的故障诊断方法；利用m a t l a b 搭建了该系统的模拟试验平台；仿真验证结 果表明，设计的监测系统和故障诊断方法是完全可行性的。 关键词：接地网，状态监测，故障诊断，腐蚀 a b s t r a c t t h eg r o u n d i n gg r i di n l a r g e s c a l ep o w e rp l a n t sa n ds u b s t a t i o n si sv i t a lt ot h es a f e o p e r a t i o no ft h ep o w e rs y s t e m s h o wt of i n dt h ef a u l t so ft h eg r o u n d i n gg r i di nt i m es ot h a t w ec a nt a k es t a t e b a s e dm a i n t e n a n c eo nt h eg r o u n d i n gg r i di sap r o b l e mt ob es t u d i e da n d s o l v e d t h i sp a p e rt a k e sar e s e a r c ho ns t a t em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i n gs y s t e mo f l a r g e s c a l eg r o u n d i n gg a d ，p r o p o s e sam e t h o db a s e do ns e l e c t i n gp o t e n t i a lo fd o w n l e a di n g r o u n d i n gg a da st h em o n i t o r i n gs i g n a la n da c c o m p l i s h e st h ei n s p e c ta n df a u l td i a g n o s i s s y s t e md e s i g n a n dt h ef a u l td i a g n o s i n gm e t h o do nt h ev a l u eo ft h ed o w n - l e a di ng r o u n d i n g g r i dw a sg i v e n 弛a l l y t h es i m u l a t i o no nt h ep l a t f o r me s t a b l i s h e du s i n gm a t l a bw a sc a r r i e d o u ta n d 也er e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g n e ds t a t em o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i n gs y s 。t e mo f l a r g e s c a l eg r o u n d i n gg a d i st o t a l l yo ff e a s i b i l i t y l e ic h e n ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l i a n g u a n gl i u k e yw o r d s ： g r o u n d i n gg r i d ，s t a t ei n s p e c t ，f a u l td i a g n o s i s ，e r o s i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大型厂、站接地网状态监测与故障诊 断系统研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 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了谢意。 学位论文作者签名： l 骓鹚 日 期：超止三 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：值勤 日 期一砭a 。； 导师签名： e t期：砷墨弓、2 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 本课题问题的提出和研究意义 1 1 1 本课题问题的提出 发、变电站的接地网是保证电网、运行人员和电气设备安全的重要设施。发电 厂、变电站的发电机、变压器、断路器、电压互感器、电流互感器、避雷器等重要 设备，都通过接地引下线与接地网相连，利用接地网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行。接地网导体常用5 x 6 0 6 x 5 0 m 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 0 8 m ，其面积大体与发电厂和变电厂的面积相同，两水平接地地带的间距为 3 l o m 。有时为了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， 垂直接地体一般为角钢或钢管，长度约2 5 3 m i 。 构成接地网的导体埋设在地下，常因施工时焊接不良、漏焊、土壤的腐蚀、接 地短路电流电动力的作用等原因，使地网均压导体之间或接地引线与均压导体之间 存在电气连接不良的故障点，使接地网接地性能变坏。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肋外，还可能因 反击或电缆皮环流使二次设备的绝缘遭到破坏，高压窜入控制室，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【2 1 。当接地网 发生故障时，对运行中发电厂、变电站主要产生以下影响： ( 1 ) 沿大地表面的危险电位梯度； 化) 由于过电压上升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； ( 5 ) 通过管线和低压电路等装置的高压转移； f 6 ) e 9 2 设备机壳上的危险电压； ( 7 ) 接地体周围的土壤风干； 可以看出，如果发电厂、变电站发生接地故障，将带来巨大的经济损失和社会 影响，特别是我国面临日益紧张的用电需求，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，不但接地电阻值要低，而且 均压效果必须良好，维护水平更要高，否则，发电厂、变电站发生接地故障时，就 1 华北电力大学硕士学位论文 会造成烧毁电气设备，影响电网安全运行等事故。 由于接地网是埋于地下的隐蔽性，工程上对地网接地性能好坏的检测只能通过 接地电阻的大小来间接判断，无法了解接地网导体的腐蚀和断点情况，因为即使接 地网导体出现腐蚀和断点，接地电阻仍可能正常。所以工程上一般都是在发现接地 网接地电阻不合格或发生接地网引起的事故后，通过大面积开挖查找接地网导体断 点和腐蚀段，这种方法带有盲性、工作量极大，还影响电力系统的安全运行。 1 1 2 课题研究的意义 接地网虽然按照规定，按时做了常规的开挖检查，但还是不能避免接地网事故 的发生。主要原因是由于开挖检查要耗费大量的人工和物力，所检查的项目和方法 往往也很难保证在这一周期内不发生故障。接地网故障是由于长期的电流流入接地 体而造成对接地导体和接地引下线的腐蚀，这种故障的发生都有先兆，这就可以发 展一种连续的或定时的监测技术，对地网的运行状态进行监测，及时发现地网的缺 陷。监测可以积累大量的数据，将被测试的接地网的当前数据和以往的监测数据相 结合，对接地网的状态数据进行及时、全面的综合分析，发现和捕捉早期的缺陷， 及时安排检修计划，确保电网安全稳定运行。 ， 本文提出研究一种接地网状态监测和故障诊断系统，系统能在电网不停电和不 对地网开挖的情况下，通过监测接地网接地引下线处的电位值，然后运用电路理论 和数学方法，对地网导体的断点和腐蚀进行检测和评估，以便及时发现故障的隐患， 防止由于接地不良造成的危害，对保障电力系统安全可靠运行。因此，该系统的研 究对保障设备和运行人员的安全具有重要的意义。这种接地网状态监测和故障诊断 算法可在各变电站推广运用，具有广阔的应用前景。 1 2 国内外研究现状 由于国外接地网大多使用铜导体，腐蚀问题不太严重，因此没有专门研究接地 网故障诊断的参考文献，也没有可以借鉴的接地网故障诊断的系统方案。近年来， 由于采用铜作为接地网导体费用太高，北美、欧洲也开始采用镀锌的钢导体作为接 地网，这些接地网运行时间比较短，腐蚀问题还不十分严重，因此接地网故障问题 尚未引起人们的注意，相关的技术报告甚少1 2 ，3 j 。 在国内，现在的电力系统接地网的检测技术，采用国家电力行业标准 d l 4 7 5 1 9 9 2 接地装置工频特性的测量导则和d l t 6 2 1 1 9 9 7 交流电气装置的 接地规程，规定检测的数值是测试点至整个发电厂、变电站接地网和土壤的电阻 值，然后在厂、站内，用万用表、电桥、接地摇表等仪器抽测高压设备的接地点， 华北电力大学硕士学位论文 来测量导通及接地网电阻值，这种测试方法得出的数据很难快速的反应接地网、接 地引线、接地装置的缺陷状况。采用这种方法，测试人员工作量大，测试工作时间 长，开展测试工作的困难多【4 ，5 j 。 目前针对极地网状态监测，可查到的资料显示，福建省电力试验研究院黄瀛和 福建省亿力电力网络信息设备有限公司林振波在2 0 0 5 年6 月福建电力与电工 上发表了接地网状态在线监测系统的开发一文，介绍了一套可在线监测接地网 任意两点间连通阻抗值的系统，集微机技术、数字通讯技术、现场总线技术于一身， 采用微机控制读取、存储和打印数据。该系统能够反映现场接地电阻的状态，为及 时发现和排除地网腐蚀提供了判断依据。但该系统采用循回监测地网状态，同一个 时间内只能检测两个点之间的电阻数据，而无法做到对整个接地网状态的统一同时 监测，即使所测得的两点之间的电阻值也包含了很多复杂的串并联电阻，而非真正 意义上的两节点之间的电阻值，监测数据对接地网整体运行状况的反映也不能很直 观反映在接地网平面示意图上，给接地网故障的诊断带来一定的不便【6 j 。 在接地网故障检测方面，清华大学何金良、曾嵘、吴维韩等研究的发变电站接 地网腐蚀及断点的诊断方法及其测量、诊断系统，获得国家发明专利( 9 9 1 0 9 6 2 2 3 ) ， 该发明采用直流电源外接于地网的两接地引线间测量接地引线间电压及回路的电 流，得到两接地引线间的入端电阻，将测量结果及地网的拓扑结构输入诊断软件得 到各段倒替的电阻值，将该电阻与完好时电阻值进行比较以确定故障的位置和腐蚀 程度。运用这种方法虽能达到对接地网故障的兔开挖检查，但对于接地网故障检测 的实时性不好，监测中需要专业人员根据初次的采集数据，实时调整测量的节点， 进行多次得测量，给这种测量方法的推广应用带来一定麻烦【7 ，8 】。 重庆大学陈先禄、刘渝根研究的中大型接地网腐蚀优化诊断方法是将故障诊断 学原理、网络理论、矩阵理论及计算机算法结合起来，应用于接地网腐蚀诊断这一 工程实际问题。利用接地网拓扑结构图及接地网引下线间的电阻测量值，建立腐蚀 诊断方程，通过求解诊断方程，计算出接地网支路电阻值变化量，采用模糊诊断方 法判断出接地网导体腐蚀的情况。并且采用这种方法，对典发1 1 0 k v 、邮亭2 2 0 k v 、 人和2 2 0 k v 变电站现场实测，较准确地判断出接地网均压导体及引下线的腐蚀程度， 对施上时接地导体之间的漏焊虚焊点也能进行有效的判断。但同样由于测量时，需 要根据初步的测量结果，实时调整测量的节点，需要专业人员的指导，不利于在发 电厂、变电站推广应用【9 , 1 0 , 1 1 】。 此外，福州大学、西安科技大学、武汉大学、华北电力大学等高校和科研单位 对接地网故障的检测和诊断做了许多探讨和研究1 1 2 ，1 3 ，1 4 ，1 5 1 。运用不同的故障诊断理 论，如神经网络、模糊理论、专家系统、故障参数识别法、故障字典发、验证法故 障诊断等对接地网故障诊断进行研究，并对如何改造接地网和如何防腐提出了很多 意见和建议【1 6 , 1 7 , 1 8 j 。但如何对接地网状态进行实时监测，诊断接地网的运行状态， 3 华北电力大学硕士学位论文 及时发现接地网的故障，做到对接地网由原来的“定期维修”转变为“状态维修”， 国内外还没有人对其进行深入研究。 1 3 本论文的主要工作 在现有接地网故障检测和诊断方法基础上，本文将针对电力系统变电站接地网 存在的问题，通过把接地网等效成一个纯电阻网络，针对容易受腐蚀的接地网部位， 选择测试点进行电位测量，运用接地网监测系统进行数据采集，将采集到的节点电 位数据实时传送到监测装置的接地网信息库中。建立接地网数学模型，结合电网络 理论、模拟电路理论、故障诊断理论以及最优化技术编写建立接地网故障诊断程序， 将保存在接地网信息库中的消息输入到故障诊断程序中，运行程序，诊断接地网故 障的具体位置和接地网腐蚀程度。运用这种接地网状态监测技术和故障诊断方法， 可以实现对变电站在不停电和不对接地网大面积开挖的情况下，对接地网的腐蚀情 况和断点进行判断，给出诊断结果和维修建议，工程技术人员能够通过给出的诊断 结果，及时合理的安排接地网的检修，有效保障电力系统的安全稳定运行。 华北电力大学硕士学位论文 第二章接地网故障及状态监测方法 电力系统电压等级的不断提高和系统容量的不断增大，接地故障电流和发变电 站接地网的面积也不断增大，需要采取有效的措施防止接地网故障发生，确保人身 和设各的安全，维护电力系统的可靠运行。由于接地网埋设在地下，发生故障时不 易发现，本章从接地网结构的角度出发，研究了如何及时发现接地网的故障。 2 1 接地网的结构及常见故障 2 1 1 接地网结构 对于大型厂、站接地网，单一的接地电极不可能提供一个安全的接地系统。接 地装置的基本形式为水平埋设导体组成的接地导体网格。这种网格形的接地网具有 如下两方面的优点： ( 1 ) 接地装置中的接地电流最大值可能达到非常大时，通过降低接地电阻确 保接地装置的地电位升在人体接触时不会达到危险值，往往是不可能的。但可以通 过控制局部电位来消除这种危险。因此，接地网是满足这种要求最实用的型式。 ( 2 ) 对任何规模的变电站，采用普通的单根接地电极是根本无法满足所要求 的通流容量。当将若干单根接地电极互相连接，并与各种接地的建筑物、构架及电 路中性点连接到一起时，其结构必然是形成一个接地网，与原来的单根接地电极完 全不同。若这样的接地网埋设在导体性能良好的土壤中，就构成一个良好的接地装 置。 目前大型厂、站的接地系统都是以水平接地极为主，外沿闭合，内部敷设若干 均压导体【1 9 j 。以往的设计，均压导体都是按3 m 、5 m 、7 m 、l o r e 、1 5 m 、2 0 m 的等 问距布置。由于端部和邻近效应，各均压导体流散的电流在接近接地网边角处急剧 增加，而在导体的中部较d x n 平缓，这就使得接地网上土壤表面电位分布很不均匀， 接地网边角处接触电压与中心处相差悬殊，且接地网面积愈大，网孔数愈多，这种 情况就愈严重，为了保护人身和设备的安全又不过多的浪费接地材料，设计时以比 边角网孔接触电压低2 0 一3 0 的次边角网孔电压不超过允许接触电压为原则。但 这样做并没有根除因地面电位分布不均匀而引起事故的危险，还需要在边角处采用 辅助的安全措施，另外中部导体也没有得到合理的利用。这样，大型接地网均压导 华北电力大学硕士学位论文 体仍按照传统的等间距布置，在技术经济上是不够合理的。为了改变这种状态，最 好是对接地网进行以均压为目的的优化布置l z 0 j 。 在大中型接地网周边埋设2 3 m 或远小于接地网等效半径的垂直接地极对降低 整个接地装置的接地电阻的效果不大。所以，除在避雷针( 线) 和避雷器附近埋设 垂直的接地极以流散雷电流，在接地网的周边区域一般不敷设垂直接地极。但如果 扩散到地中的电流的幅值很高，则很难通过水平接地网得到很低的接地电阻来满足 安全要求。消除人身安全危险只能通过控制整个接地网区域内的电位来实现。 如果接地网所在区域的上层土壤的电阻率原比下层的电阻率高的话，或者接地 网处于容易干燥或冰冻的土壤地区，可以在接地网周边埋设若干垂直接地极，并与 水平接地网相连【2 1 1 。一个水平的接地网和穿透进入低电阻率土壤层的垂直接地极组 成的接地系统具有以下优点： ( 1 ) 虽然水平接地网是降低表面危险跨步电压和接触电压最有效的方法，但 当接地网埋设深度只有0 3 m - - o 5 m 时，大量的长垂直接地极可以稳定接地网的性能， 因为上层的土壤的冻结或变得干燥将导致上层土壤电阻率随季节变化，而低层土壤 的电阻率将基本上不受季节的影响而保持不变，这样即可以进一步减小接地电阻， 也可以维持接地网的性能，使之不随季节的变化而发生显著的变化。 ( 2 ) 对于上层土壤的电阻率较高的两层或多层土壤，穿透进入低电阻率层的 垂直接地极更能有效的流散故障电流。对很多空间受到限制的装置，可以通过采用 长垂直接地极或接地井来达到降低电阻的目的。 ( 3 ) 在上层电阻率高下层电阻率低或均压土壤中沿用接地网周边布置的垂直 接地极，能相当程度地降低靠近外围接地导体的网孔的表面电位梯度。 一般来说，大多数的接地系统利用了两种不同的接地极，一是为了接地的目的 设计的主接地极，另一种是处于其他目的安装的地下金属结构物组成的辅助接地电 极。典型的主接地电极包括接地网、垂直接地极和接地井、接地装置等。典型的辅 助接地电极有地下金属结构物、钢筋混凝土基础、辅助接地极具有有限的流通能力。 在接地极设计时，应重视利用各种自然接地极。 对接地网的最基础要求：一是一定要承受一定接地短路电流下的热稳定性；二 是低电位升高要限制在允许范围内；三是全地网问电位要均衡。只要三者之一达不 到要求，一旦接地网有接地短路电流通过时，势必不同程度的造成事故扩大，尤其 是当热稳定性遭受破坏时，事故更为严重1 2 2 , 2 3 j 。 从保证安全出发，接地网应严格按照d l t 6 2 1 1 9 9 7 交流电气装置的接地 规程要求验收，进行接地网工频接地电阻测量、接触电压、跨步电压、电位分布测 量等所有检测项目，确保接地网满足设计及规程要求。 随着计算机技术的不断进步，出现了大量的“无人值班、少人值守”变电站， 自动化程度极高，对接地技术要求也越来越高，所以对弱电设备的保护除严格按照 6 华北电力大学硕士学位论文 规程规定外，还应采取隔离、分流、均压、屏蔽等综合措施，确保微机保护及通信 设备正常运行。 2 1 2 接地网存在的主要问题 在我国，因接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 故都带来了巨大的经济损失。例如：1 9 8 1 年广西合山电厂1 1 0 k v 开关站内a 相母 线侧的支柱瓷瓶在雨雾中闪络，造成弧光接地，a 相接地发展成两相短路，最后发 展成三相短路，损坏二次电缆、端子排及二次设备，造成一台1 0 万k w 发电机损坏， 造成全厂停电的重大事故，事故扩大的主要原因是接地引下线在地表以下几十公分 处腐蚀严重【2 4 】；1 9 8 5 1 9 8 6 年两年间湖北省胡集、潜江、武钢等三个2 2 0 k v 变电所 因接地不良使得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陋j ； 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，使一次系统事故扩大到二次系统，造成全所停电1 3 个小时，一、二次设 备大量损坏【2 6 】；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，造成变压器、发电机严重烧毁的恶性事故，损失十分严重 【2 7 j ；2 0 0 5 年湖南省电力局对4 0 个2 2 0 k v 及以上等级变电站进行重点开挖检查，其 中2 个5 0 0k v 变电站( 岗市和民丰变) 存在腐蚀现象，民丰变腐蚀严重，可能与当地 的土质和使用的降阻剂存在密切关系；另外1 5 个2 2 0 k v 变电站也存在腐蚀现象， 其中5 个腐蚀较为严重，一旦发生接地网事故，将造成重大损失【2 8 1 ；2 0 0 5 年9 月 1 8 日，广西玉林电力公司某1 1 0 k v 变电站发生起由于一回来3 5 k v 线路接地故障 处理不当引起的全站停电事故，造成该站r t u 及一台1 1 0 k v 开关端了箱烧坏，1 群、 2 撑主变退出运行约3 小时的严重事故，事故原因查明与接地网断开有关1 2 9 1 。 由此可见，接地网的故障对电力系统安全运行构成很大的威胁，总结分析以上事 故，接地网出现的故障主要有以下几种： ( 1 ) 电压分布梯度大，均压效果不好。 造成接地网电压分布梯度大，均压效果不好的原因是多方面的。接地网设计考 虑不充分可能造成，施工单位未按设计要求施工或施工质量不好等也能造成。实际 上由于地网电流密度分布不同，不同截面接地体的导电率不同，土壤的电阻率不均 匀等原因，都能使地网存在很高的局部电位差，即不能将接地网完全看作等电位。 ( 2 ) 变电站接地设计不能满足短路电流热稳定的要求。 随着电力系统容量的不断增大，故障短路电流增大了。断路器遮断容量不满足 已更换，而变电站的接地网仍保持原有水平，且原设计考虑的裕度也不够充分，特 别是接地引下线当发生故障时首先烧断的可能性很大。由于我国大部分1 1 0 k v 及以 上的电力系统均采用中性点直接接地的方式，所以在单相接地短路故障时，故障电 华北电力大学硕士学位论文 流最大，影响最为严重。 ( 3 ) 接地网干线及设备引下线截面配置不合理。 接地引下线截面选择一般都小于全网干线截面。过去设计中大部分采用6 r a m 圆钢或者2 5 x 4 m m 2 扁钢，这种设计已远远不能满足要求，这就形成事故发生时，由 于主网干线分流作用使接地引下线流过的短路电流比主网干线大很多，较小的截面 承受全部短路电流，成为地网的薄弱环节。 ( 4 ) 接地网腐蚀严重。 由于接地体直接埋入土壤中，土壤中含有能腐蚀金属材料的化学成份( 酸和强碱) 及氧化作用，接地网所用的金属材料未做防腐处理或处理不好，尤其是接地引下线 入土5 0 e r a 以内的地网腐蚀较为严重。时间一长，锈层逐渐加厚，截面逐渐减少， 结果在事故发生时往往首先是接地引下线烧断，导致事故的扩大。 ( 5 ) 接地装置的施工质量及工艺不高。 接地网施工中有偷工减料的，接地网搭接焊接不符合要求，焊接质量不高，螺 栓连接接触面不符合要求，接地体周围回填土接触松散等都会给设备运行留下事故 隐患。 ( 6 ) 设计中对反击过电压认识不足，考虑不周。 针对以上接地网存在的问题，在设计中充分考虑接地网的结构和所用的接地导 体的材料，选择最优的接地网设计方案，在施工中严格按照设计标准施工。对现有 运行中的接地网，在系统不停电时无法进行大规模的开挖检查和接地网改造，只能 采取加强运行管理水平的方法，实时监测接地网的运行状态，及时诊断接地网的可 能存在腐蚀、断裂等各种故障，合理安排接地网的检修计划，确保电力系统运行的 安全性和可靠性运行。同时，对接地网运行状态的有效判断以及对可能发生故障的 接地导体具体位置的准确判断，能够避免接地网检修时的盲目大规模开挖，节省大 量的人力财力。 2 2 接地网状态监测方法 在定单位体积内，当电流流入时产生的土壤电压降以及土壤传导电流的能力 是相同的，接地装置导体传导电流的能力要远远强于土壤的传导能力，在有缺陷的 接地网上，接地网均压带上各引出线间的电阻，电压降，传导电流的能力是不相同 的。首先，建立根据接地网的数据通过接地网结构图，监测接地网正常运行时各主 要节点的电位分布，将采集到的电位值实时显示在接地网结构图上，并以采集的数 据为判据，运用电网络理论、模拟电路理论、故障诊断理论以及最优化技术，建立 接地网的故障诊断方程组，编写程序求解方程组，分析接地网运行情况的变化，对 8 华北电力大学硕士学位论文 接地网严重腐蚀的部位和可能发生故障的部位进行诊断。 2 2 1 绘图和布置测量线 ( 1 ) 根据所要监测的发电厂、变电站设备区的平面布置图和高架构的三维立体 图，运用计算机上专门的画图软件按比例绘制出该厂、站设备区的平面布置图、高 架构三维立体图、接地网网络拓扑图以及系统主接线图。接地网三维立体架构示意 图如图2 1 所示。 图2 - 1 接地网三维立体架构示意图 ( 2 ) 布置测量引线，分别按设备单元和设备的顺序，在所需要的监测的高压 设备的接地引下线、高压开关室、主控制室等设备的接地母线上以及发电机、主变 压器的中性点的接地线上连接测量单元。另外，要选取接地网中的某一点，作为所 有监测节点电位的参考点，即零电位点。 ( 3 ) 核对接地网实际测量点位置与计算机屏幕显示的接地网网络拓扑图上标 注的位置是否相对应，如果接地网网络拓扑图上的相应节点找不到与之相对应的 可以监测的接地引下线，则可选择其相邻的接地引下线处作为监测点，并在接地网 拓扑图中做相应的修改。 2 2 2 监测电位值 在对接地网不施加任何外加电压、电流信号的情况下，对正常运行时的发电厂、 变电站接地网进行直接监测。由于电力系统三相负荷不平衡，产生零序电流，当零 序电流流入接地网时，将在接地网各点上反映出不同的电位值，通过显示在计算机 上的电位图分布可以初步判断可能发生腐蚀的接地网部位和可能失去接地的高压 设备。 9 华北电力大学硕士学位论文 如果接地网正常，每个接地网孔或均压带上相邻的高压设备接地网的电位差很 小，因为它们之间连接的导体的电阻很小，如果高压设备接地引下线与主接地网断 开或接地引下线发生严重的腐蚀导致电阻增大，那么该点与周围点的电位差将增 大。比较高压设备接地点的电位与相邻大地的电位，如果某台高压设备的电位与大 地电位相近，而与相邻的高压设备接地点有明显的差异，则可认定该设备与主接地 网间的电阻较大，初步判断该处有可能会存在接地网故障。 监测装置输出电压电流采集 图2 2 接地网监测示意图 接地网正常运行情况下，如果采集到的电压信号太小，不便于对接地网故障的 判断，可以采用外加激励电源的方法，选取其中一路接地引线处注入一个小电流， 选取另外一路接地引线作为电流的回流点，采集此时的接地网各点电位。此外，为 了采集多组接地网状态数据，建立多组故障诊断方程，准确的判断接地网故障，可 以依次分别选取其中4 8 组接地引下线，对其逐一注入小电流，监测各接地点电位 变化情况。 2 2 3 接地网故障诊断 埋在地下的接地网水平均压导体彼此相连构成电路网络，忽略土壤因素的影 响，接地网可以看成纯电阻网络。接地网竣工之后，接地的各段导体长度、截面积 及电导率己被确定，可计算出它们的电阻值，即标称值；当地网运行多年后某段导 体发生断裂或者出现腐蚀时( 其拓扑结构未变) ，此时它的支路电阻与标称值相比变 大。同时，变电站电气设备都有和接地网相连接的接地引线，如果将接地网看作一 个电阻性网络的“黑匣子”，而接地引线就可以看成它的可及节点，通过监测地网 1 0 华北电力大学硕士学位论文 运行时可及节点的电压变化值，运用电网络理论、模拟电路理论、故障诊断理论以 及最优化技术，建立接地网的故障诊断方程组，编写接地网故障诊断程序，以可及 节点电位值作为诊断程序的输入数据，运行诊断程序，判断接地网导体的故障位置 和腐蚀程度。 2 2 4 对故障位置的确认 运用故障诊断程序判断接地网故障位置，如果通过诊断认为哪个单元设备接地 或者哪个接地导体有问题，就将该装置处的接地引下线与附近的没有发生故障的接 地引下线相连接，采集此时的监测节点电位值，再次启动故障诊断程序，对此时的 接地网状态进行二次诊断，若诊断结果表明故障消失，则证明该处接地网的确存在 故障。 2 3 接地网监测点的选取 接地网的接地引线是接地网腐蚀诊断最重要的数据来源，接地引线的数量比接 地网的总节点数和支路数都少很多，因此理论上应充分利用接地网的每一可测引 线。但实际上接地引线的数量也很多，若将这些可及节点全部作为监测节点，则数 据采集是需铺设的大量的数据传输线路，需要耗费大量的人力和财力，并且，由于 相邻接地引下线处在之间无故障发生时，其电位值相差很小，对所有接地引下线处 节点的电位值进行监测也没有必要。这就存在一个如何选取一组对接地网故障反应 最灵敏的监测节点的问题。 一般对于中型1 1 0 k v 变电站，其中接地引下线共有1 2 0 路左右，一般中型2 2 0 k v 变电站，其中接地引下线共有2 0 0 路左右，对于监测点的选择按照平均分配原则、 就近分配原则和重点设备重点监测原则，选择部分接地网引下将数据采集线连接到 该处，采集电压信号。 ( 1 ) 重点设备处重点监测原则。 目前接地网大多采用扁钢、角钢或钢管，因而接地网的腐蚀实际上就是金属钢 在土壤中的腐蚀。金属在土壤中的腐蚀按腐蚀机理的不同分为化学腐蚀、电化学腐 蚀和微生物腐蚀，其中，电化学腐蚀对接地网的腐蚀最严重。 在发电厂、变电站的接地网中，随时可能有入地的不平衡电流和杂散电流引起 的电化学腐蚀，电流流出端为阳极时被腐蚀。接地网在腐蚀后变脆、起层、松散、 甚至断裂，造成接地性能不能满足热稳定性的要求，导致发生接地故障时接地短路 电流可能烧坏地网、扩大事故并危及设备和人身安全。 所以在接地网的腐蚀诊断中，为突出重点，减少盲目性，对接地网的状态监测 1 】 华北电力大学硕士学位论文 要重点监测那些常出现泄漏电流和故障电流的区域和设备，在区域周围和内部选择 几个监测点进行可及节点的电位值监测。如变压器中性点、断路器、避雷器下的接 地网区域。 ( 2 ) 平均分配原则。 因为接地网发生故障后可及节点电位值的变化，是它距故障支路距离的函数， 也是故障严重程度的函数。可及节点电位值的变化量很小，如果小于测量误差，那 么对该处电位值的监测就没有意义。因此，当在一个电阻网络中若存在一个断点， 则表征断点最有效的数据应该是断点所在支路的两端节点的电位值，其次，则为与 之相邻的节点之间的电位值，并以此类推。对大型地网而言，由于其面积大，重要 设备多，接地引下线多，当假设接地网每一条支路出现的故障的概率是相同时，在 测量节点的个数有限的条件下，在重点区域和设备单元重点监测的原则之下，对所 有监测节点按照接地网的面积尽量平均分配，使其任何一条支路发生故障时，距离 其最近的接地引下线处的节点电位值将能够有效地反映该处的故障情况。 ( 3 ) 就近原则。 由于接地网的腐蚀与时间、土壤电阻率、酸碱度、电流大小、电压等级等情况 有密切关系，而这些情况的分布具有相对集中性，所以现实中接地网腐蚀情况通常 是成片、成块状局部腐蚀。因此，在选择监测节点时，按照厂、站设备的布置选择 具有代表性的节点进行监测。如果，选取的监测节点由于种种原因不能作为监测节 点，就选择距离其最近的节点作为监测节点。 2 4 本章小结 本章分析了发电厂、变电站接地网的结构以及接地网常易发生的故障。防止接 地网故障的发生，设计时要综合考虑接地网的结构和接地导体所要选择的材料，采 用最优的设计方案；在施工时，加强监督，严格按照施工标准铺设。而对于运行中 的接地网，本章研究了通过加强运行管理水平，对接地网实施状态监测和状态维修 的办法。通过监测接地引下线处的电位值作为接地网状态参数，诊断接地网的运行 状态，及时发现故障，确保电力系统运行安全。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章监测系统总体结构和实现技术 接地网状态监测与故障诊断系统通过采集接地网接地引下线处的电位值，以此 为接地网状态参数，来诊断接地网的运行状态是否良好。因此，对接地网状态信息 的合理有效采集，即接地网状态信息的监测，是准确诊断接地网故障的前提。 3 1 监测系统硬件结构 接地网在线监测装置采集接地网引下线处的电位值，以实现对大型接地网可能 存在问题进行诊断。监测系统主要包括监测控制单元、接地测试源单元、信号采集 处理单元以及接地网信息管理主站等，系统结构图如图3 - 1 所示。 图3 - 1 接地网监测系统结构图 监测控制单元是监测系统的核心，实现对整个监测过程的控制、对数据存储、 查询显示和分析。当测量引线连接好后，监测控制单元发出采集命令，控制信号采 集处理装置采集电压信号，并将采集处理后的信号保存到接地网信息库中，供显示 和诊断系统调用。当采集到的电压信号较小不利于对接地网的状态进行诊断时，监 测控制单元可以向接地测试源发出命令，控制接地测试源向接地网注入一定大小的 电流信号。另外，监测控制单元还可以实现与上级系统之间的通信，供上级调度运 】3 华北电力大学硕士学位论文 行人员实时查看监测到的接地网状态信息。 信号采集处理单元由测量引线、滤波、a d 转换组成，实现采集接地网的接地 引下线处的电压信号，然后进行信号调理、a d 转换和预处理，形成状态数据，将 处理后的状态数据传输到监测控制单元的接地网信息库中保存。 接地测试源单元由装配在一起的电源自动控制装置和隔离变压器构成，根据监 测控制单元发出的命令，向接地网注入激励电源信号。 接地网信息管理主站实现对一定区域和数量的发电厂、变电站接地网信息的综 合管理，主站保存有所管理的所有接地网网络拓扑结构、接地导体材料数据以及是 否发生过接地网事故等各种信息，调度和运行管理人员可以通过主站实时查询各变 电站的接地网的当前状态信息和历史状态信息，实现对不同电压等级、不同大小和 规模的变电站接地网的统一集中管理。 接地网监测系统工作时，首先将测量线连接到要监测的接地引下线处，采集该 处的电位值，将采集到的电位信号通过滤波、a d 转换，输送到采集系统，数据采 集系统经过数据预处理，将处理后的数据送接地网信息库保存，同时监测控制系统 对所有监测的接地点电位值进行实时显示。 3 2 监测系统软件结构 监测系统软件实现对监测的控制、分析、数据处理等功能，整个软件系统从物 理结构上可分为三层：主站层、网络层和子站层。 主站层根据地理位置的不同可分为地级主站层、省级主站层和网级主站层。它 实现对下属各发电厂、变电站接地网数据的集中管理、分析功能，监控爷厂站接地 网的运行状况，分析可能产生的故障和给出报告，并通过局域网与已有的m i s ，e m s 等自动化系统实现无缝的接口。 网络层是实现主站层和子站层之间通信的物理层，根据变电站的实际情况可选 定一种最为合适的通信网络。 子站层位于发电厂或者变电站内，它完成与厂站内接地网传感器的通信，它是 变电站数据采集中心，它将数据进行相应的压缩和过滤后传输到主站端，也可以实 现对就地变电站接地网状态的分析。 3 2 1 主站系统的设计 3 2 1 1 主站系统的整体结构 主站系统是整个系统的关键部分，主站系统的核心功能是接收各子站采集的信 1 4 华北电力大学硕士学位论文 息并存入主战数据库中，在系统主界面的变电站接地网图中实时显示监测点的信 息，并实现对接地网故障的分析，给出诊断报告。主站端是指信息管理系统位于调 度端的部分，包括数据服务器、通信服务器、w e b 服务器、工作站等硬件设备。主 站端系统主要包括主站服务器和主站客户机。 ( 1 ) 主站服务器：是故障信息处理，系统运行、计算最主要的硬件环境。 ( 2 ) 主站客户机：连接在主站系统局域网中的计算机，利用智能客户端技术， 可通过局域网络或本地使用本系统提供的功能对故障信息数据库进行访问和更新； 系统通过用户权限! 角色分_ 配来实现对于客户机访问的安全性。 ( 3 ) 主站数据服务器：主站数据库用来保存实时采集数据、系统参数数据和 用户信息数据等几个方面的数据，考虑到采集的数据量比较大，因此采用s q l 2 0 0 0 数据库，系统过a d o n e t 实现对数据的访问和修改服务。 ( 4 ) w e b 服务器：提供数据访问和砬用程序组件的网上发布，支持智能客户 端的调用，同时也支持故障信息的w e b 发布，以供上级调度部门用普通浏览器查 询。 3 2 1 2 主站系统的功能 ( 1 ) 数据管理 利用系统中的通信模块读取子站系统传输的实时采集数据，其中包括故障信息 数据、子站系统的基本配置以及系统和线路的参数等，并将数据存入故障信息数据 库相应的表里集中管理。数据库里面的数据可通过w e b 发布，实现对其他监控调 度系统的共享，子站系统也可通过a d o n e t 数据访问组件实现远程的访问和修改 主站数据库。 ( 2 ) 监控功能 系统绘制各电压等级变电站的接地网示意图，用户可在主站客户机屏幕上定义 与实际传感器相关联的监控点，实时监控各点在初始状态和注入测试电流后的变化 情况。 ( 3 ) 故障分析功能 主站系统接收到各监控点传来的数据后，使用系统内置的算法对当前接地网的 故障情况进行分析，判断出可能发生故障的点和区域，并在系统接地网结构图上以 颜色渲染的方式标识，并生成故障报告。 ( 4 ) w e b 服务 由于主站系统采用了基于n e t 的多层分布式体系结构，因此可实现本系统在 w e b 应用上的功能的拓展。客户端不仅可以通过i n t e r n e t 浏览器查阅主程序发布的 故障信息和报表，还可利用智能客户端技术远程的调用“故障信息分析软件 的功 15 华北电力大学硕士学位论文 能组件，实现了就地的故障分析计算；能够在权限允许的情况下实现脱机和联机模 式下的远程地访问、更新数据库。 ( 5 ) 报表功能 通过接地网故障诊断系统对采集到的接地网状态信息的分析计算，本系统的故 障信息报表功能实现将诊断结果以故障报表的形式给出，并可将报表导出为w o r d ， e x c e l h t m l 等格式。 ( 6 ) 故障图形显示功能 通过数据的获取，能分通道的通过多种示意图的方式将通道量直观的表示出 来，用户可通过鼠标点击查询不同采样时刻的通道数值，并可通过软件提供的工具 将图形进行缩放、反转、复制和打印等操作。 ( 7 ) 其他功能 为了更好的利用主站端信息丰富、数据多样化的特性，在本系统开发的时候， 需预留扩展接口，通过接口的实现，可以同调度端的其他系统( 如能量管理系统e m s 、 管理信息系统m i s 等) 之间的数据共享与交换。 接地网状态监测和故障诊断系统软件结构如图3 2 所示。 待测接地 = 爿信号采集 = = = 爿 a d 转换信号滤波 激励电源k = = 刮中央处理与控制末：= = = 葺接地网特征信息数据 3 2 2 软件系统的架构 故障诊断与故障决策 故障确诊 故障分析报告 显示、打印、绘图、存储 图3 - 2 软件功能示意结构图 审核、维修接地网 考虑到与其他系统的兼容，根据电力系统故障分析的要求和特点，结合m s n e t 的优越性，决定本系统采用多层分布式体系架构开发。 采用了三层系统软件架构，即数据服务层、业务逻辑层和业务表示层： ( 1 ) 数据服务层：用来实现与后台数据库的交互，即完成查询、插入、删除 1 6 华北电力大学硕士学位论文 和修改数据库中数据的功能。由于数据库单独存在服务器，使用a d o n e t 作为与 数据库的接口。 ( 2 ) 业务逻辑层：调用数据服务层，给业务表示层提供支持，完成系统的实 际业务处理逻辑，是整个系统的核心。 在本系统中，业务逻辑层包括： 第一，监控点管理系统：定义、管理、链接监控点。 第二， 故障分析与诊断系统：故障实时诊断等。 ( 3 ) 业务表示层：为客户端提供实现功能的接口，直接和用户交互。它是将 系统功能按模块的需要，对业务逻辑进行高层次的封装。 在本系统中，业务外观层包括： 第一，接地网网络拓扑图系统：包括绘制和加载接地网拓扑图，设置系统等； 第二，监控点动态调整显示系统：在接地网图上绘制监控点，显示实时采集数 据。 第三，多种图形显示系统：为各监测点实时采集来的数据绘制多种不同形式的 示意图显示，以便用户直观分析。 第四，故障区域渲染与报表系统：故障分析之后，在接地网网络拓扑图上分颜 色等级渲染出可能发生故障的区域与故障严重程度。并生成故障诊断报告供用户决 策。 第五，用户管理系统：对用户的角色和权限进行管理。 3 2 3 软件系统的技术实现 3 2 3 1 开发平台的选择 ( 1 ) 数据库系统 本系统实现状态监测，初始采集到的原始数据量比较大，这对数据库的数据处 理能力和反应速度的要求比较高。且数据库的故障分析数据还要与别的调度系统进 行交互，要求数据库有自己的服务器。这就不能使用传统的桌面型数据库系统如： f o x b a s e 、a c c e s s 等。经过综合考虑，决定使用m i c r o s o f t 的s q l s e r v e r 2 0 0 0 数据 库系统。s q l s e r v e r 数据库可独立配置数据库服务器，且和w i n d o w s 系统的兼容 性良好，数据库的吞吐量和处理速度均可达到要求。 ( 2 ) 开发平台 因为系统计划做成多层分布式系统，各逻辑层之间相对独立，只存在单向的调 用关系。这样系统结构清晰，便于程序的调试和排错。v i s u a l s t u d i o n e t 是m i c r o s o f t 公司推出的具有战略性发展的新一代开发平台。n e t 很容易上手，它具有优异的用 华北电力大学硕士学位论文 户界面反应速度以及与w i n d o w s 操作系统的整合度，可以较快地构建出用户界面比 较好的应用