（电磁场与微波技术专业论文）基于电网络理论的接地网腐蚀与断点诊断方法研究.pdf

， a i 声明尸明 l i l ll l ll l ll ll l ll ll llli 17 8 5 9 6 1 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于电网络理论的接地网腐 蚀与断点诊断方法研究，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： 扛兰圈l 日 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：- j 邋 日期： 导师签名：盔垒塾 日期：趔竺铀弘 a ( 一 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 变电站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。在酸碱性土壤地区，接地网的接地引线和水平均压导体受土壤腐蚀而变 细甚至断裂，当电力系统发生接地短路故障时，除给运行人员的安全带来威胁和对 设备造成损坏外，还可能造成事故扩大，带来巨大的经济损失和社会影响。通常对 地网的检测是采用大面积开挖检查接地网的腐蚀情况。这种方法既不经济又带有很 大的盲目性、工作量也极大，并且影响电力系统的正常运行。 本文对发、变电站接地网腐蚀和断点诊断理论进行了研究。将接地网近似成纯 电阻网络，利用实际接地网的拓扑结构和接地引线间电压的测量数据，根据电网络 理论和故障诊断原理建立接地网的故障诊断方程，利用功率损耗最低建立优化目标 函数，通过求解诊断方程得到接地网各支路电阻的变化值，进而判断接地网的腐蚀 程度。通过仿真模拟计算并结合地网模型实验，验证了该诊断理论和方法的实用性。 关键词：电网络，变电站接地网，腐蚀，故障诊断 a b s t r a c t g r o u n d i n g 鲥di ns u b s t a t i o ni sv i t a lf o rp r e s e r v i n gt h es a f e t ya n dr e l i a b l i t yo fp o w e r s y s t e m , p r o t e c t i n gt h eo p e r a t o ra n de l e c t r i c a le q u i p m e n t h o w e v e r , t h ec o r r o s i o nc a u s e db y e a r t h sa c i d i t ya n da l k a l i n i t ym a yr e s u l ti n l i 舳a 珞f 朗c o nb r e a ko ft h eg r o u n d i n gd o w n - l e a d a n dh o r i z o n t a le q u a l - v o l t a g ec o n d u c t o r s w h e ng r o u n d i n gf a u l t0 c c 潞，i tw i l lb r i n go u tl m g e l o s t , n o to n l yl e a d st of a u l ts p r e a d ，b u ta l s ow i l lb ed a n g e r o u st oh u m a na n df a d l i t i e s n e c o m m o nw a yt od e t e ：c tt h eg r o u n d i n g 鲥di st od i gw i d e l yt os e ot h ec o r r o s i o nd i r e c t l y t h i s w a y i sd i s e c o n o m ya n db l i n d n e s s ，a n di ta l s on e e d sl o t so fw o r ka n da f f e c t st h er u n n i n go f p o w e rs y s t e m i nt h i sp a p e r , t h ew r i t e rr e s e a r c h st h et h e o r yo ff a u l td i a g n o s i sf o rg r o u n d i n gg i r d si n s u b s t a t i o n 1 1 1 eg r o u n d i n g 鲥di st r e a t e d 勰ap u r er e s i s t a n c en e t w o r k n ec o r r o s i o n d i a g n o s i se q u a t i o n sa l eb u i l tb ya p p l i c a t i o no ft h ee l e c t r i cn e t w o r kt h e o r ya n dt h e ns o l v e db y u s i n go ft h et o p o l o g yo fr e a lg r o u n d i n g 鲥da n dm e a s u r e dd a t ao ft h ev o l t a g eb e t w e e n d o w n - l e a d s u s i n gt h el o w e s tp o w e rl o s st h e o r y , m a t h e m a t i cf u n c t i o ni se s t a b l i s h e d 鹊w e l l 嬲 b e i n gs o l v e db yo p t i m a lm e t h o d w ec a l lo b t a i nt h ec h a n g eo ft h eg r o u n d i n g 鲥db r a n c h r e s i s t a n c ew h i c hd e t e r m i n et h el e v e lo ft h ed i a g n o s i s p r i m a r ys i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n sa n d e x p e r i m e n t sp r o v e di t sp r a c t i c a b i l i t y r e np e n g ( e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n dm i c r o w a v et e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f l il i n k e y w o r d s ：e l e c t r i cn e t w o r k , g r o u n d i n gg r i di ns u b s t a t i o n ，c o r r o s i o n ，f a u l td i a g n o s i s - j 华北电力大学硕士学位论文目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言 1 1 选题背景与意义。 目录 1 2 国内外研究现状3 1 3 本文主要工作4 第二章接地网腐蚀诊断的基本原理6 2 1 基本思想 2 2 理论基础。 2 2 1 接地网腐蚀机理 2 2 2 故障诊断理论 2 3 故障诊断方程的建立 2 3 1 构造数学模型 2 3 2 建立故障诊断方程 2 4 优化计算方法 7 8 1 0 1 1 1 3 2 5d 、结1 4 第三章接地网腐蚀诊断仿真计算1 5 3 1 仿真计算步骤和测量点的选择。1 5 3 2 小型网络仿真计算1 6 3 2 1 单支路故障诊断1 7 3 2 2 两支路故障诊断。2 0 3 3 接地网仿真计算2 2 3 3 1 接地网单支路故障诊断2 2 3 3 2 接地网多支路故障诊断2 4 3 4 测量节点的数量选择方案2 8 3 5 小结3 0 第四章接地网故障诊断的影响因素3 1 l 华北电力大学硕士学位论文目录 节点虚焊漏焊 接地引线偏移接地网节点 接地网网格偏移 。3 2 。3 4 d 、结：拓 章接地网腐蚀诊断模拟实验。 实验内容及目的 实验影响因素分析 实验装置介绍 小型电阻网络实验4 0 4 1 小型电阻网络单支路腐蚀- 4 1 4 2 小型电阻网络单支路断裂 接地网模拟实验。 小结 章结论 文献 谢 4 7 4 8 4 9 期间发表的学术论文和参加科研情况5 3 l l 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景与意义 第一章引言 电力系统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。为保证接地良好，需要满足三方面的要求【1 l ： ( 1 ) 工作接地。为适应电力系统正常运行方式的需要而接地。例如，将三相系 统的中性点接地。 ( 2 ) 保护接地。为了保证人身的安全，将高压电气设备的金属外壳接地。 ( 3 ) 防雷接地。针对防雷保护的需要，以降低雷电流通过时的地电位升高。 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。对接地网安全运行的要求越严格，对接地体的稳定 性的要求也越高。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。当电力系统发生 接地短路故障时，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。一旦发生接地故障，将带来严重的危害，其表现主要如下： ( 1 ) 沿大地表面的危险电位梯度。 ( 2 ) 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。 ( 6 ) 电力设备机壳上的危险电压。 ( 7 ) 接地体周围的土壤风干。 由此可见，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 点及接地网的腐蚀情况已成为电力部门的一项重大反事故措施。尤其是前几年美国 电网出现大面积停电事故后，引起世界各国对电网保护的高度重视，我国政府和电 力企业更加重视接地网的防腐安全问题。例如1 9 8 5 年3 月1 3 日在胡集变电站和1 9 8 6 年4 月2 5 日在潜江变电站发生的接地故障，都因3 5 k v 小电流接地系统发生两相短 路接地与异相异点接地形成短路，使接地网部分或整个接地网通过大电流，烧断接 华北电力大学硕士学位论文 线和部分接地网水平导体。设备外壳和端子箱上出现工频高压，造成工频高压 主控室损坏设备，使直流保险熔断大大延长短路故障的切除时间，造成主变压 坏，使事故扩大。 我国由于资源、经济等原因，接地网所用的材质主要为普通碳钢。由于接地网 在地下，既看不见又无监视装置，因此当接地网投入运行后腐蚀问题就会暴露 。在土壤的含水量、p h 值、含盐量、电阻率、气候条件及杂散电流等因素影响 形成宏电池、微电池、杂散电流和微生物等腐蚀【2 l 。 大部分运行年限在1 0 年以上的变电站，由于接地网所用材料当时未采取任何 蚀措施、接地网所处土壤环境腐蚀性、投运时间较长等原因，因而存在不同程 腐蚀，严重者多处出现断裂现象。还有部分发电厂、变电站的接地引下线存在 偏小和腐蚀较严重现象。而国内很多发电厂、变电站事故扩大的主要原因是由 地装置缺陷造成的，如热稳定不满足要求而将接地装置熔断，应引起高度重视。 许多变电站原设计考虑的裕度已不够充分，不能满足短路电流热稳定的要求， 接地网的严重腐蚀，时间一长锈层逐渐加厚，截面逐渐减少，结果接地事故发 造成接地引线或接地连接母线的烧断，导致事故的扩大。 当前国内外尚没有系统实用的接地网电气连结故障点及腐蚀诊断方法。为了判 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。我国的接 程要求，每2 年应对1 1 0 k v 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3 0 a 以上，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 3 q 就应引起注意。 用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。 由上述可见，对于地网腐蚀及断点诊断的手段非常原始，工程上对地网接地性 能好坏的检测一般通过接地电阻的大小来间接判断，但无法了解地网的腐蚀和断点 情况。即使地网导体出现腐蚀和断点，接地电阻仍可能正常。所以一般都是在 接地网出现故障或引起事故后，通过大面积开挖查找接地网断点和腐蚀程度。 2 华北电力大学硕士学位论文 方法带有盲目性、工作量大、速度慢等特点，并且受现场条件的限制，还影响电力 系统的安全运行。因此，对不停电和不对地网大面积开挖情况下的接地网腐蚀诊断 方法研究就成为当前一个十分必要而且有意义的课题。 1 2 国内外研究现状 目前对接地网的腐蚀研究主要集中在三个方面：一是研究变电站在设计、安装、 维护等方面存在的主要问题，并提出应采取的措施；二是对接地网腐蚀机理进行探 讨，对接地网腐蚀的影响因素进行分析，并研究各种接地材料的耐腐蚀性能。分析 几种接地网防腐蚀方法的特点；三是对接地网的腐蚀情况进行检测，实现对接地网 免开挖检查。 国际上，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，由于铜地网费用太高，北美、欧洲也开始采用镀锌的钢导体作为接地网， 这些地网运行时间比较短，腐蚀问题还不十分严重，因此未引起人们的注意，也没 有相关的技术报告。 国外发达国家在2 0 世纪7 0 年代初便从理论分析、数值计算、试验测试、防护 设计和标准制定等方面开展了全面系统的研究工作。加拿大s e s ( s a f ee n g i n e e r i n g s e r v i c e s & t e c h n o l o g y ) 公司通过对土壤电阻率进行大面积的测试和建模，对接地网的 工频接地阻抗、跨步电压和接触电势进行了计算1 3 】【4 1 国际上对地网的研究主要是 针对接地网工频接地参数的计算和设计问题，如加拿大学者fd a w a l i b i 对接地网地 表电场和磁场进行的计算和分析，这类软件最著名的为接地分析软件包c d e g s 5 1 。 也有学者针对模拟电路故障诊断进行研究1 6 j 后应用到地网问题中。对接地网腐蚀与 断点诊断软件的开发与应用较少。 利用地面可及节点施加激励并进行测量、经过计算诊断出各条导体的实际电 阻、进而得到接地网的腐蚀情况、有的放矢开挖和修复是很有意义的。所以变电站 接地网腐蚀诊断问题引起了很多学者的重视。华北电力大学、重庆大学、武汉大学、 西安科技大学等对接地网腐蚀诊断方法都有所研究，并取得了很多成果。 目前国内的一些研究者将模拟电路故障诊断理论中的参数识别法1 7 】思想引入到 了接地网腐蚀诊断中，并取得了大量的研究成果【8 l - l 引。故障参数识别法是根据网络 已知的拓扑关系、输入激励和输出响应，估计出网络中所有的参数( 或参数偏离标 称值的偏差) ，最后依照每个参数的允许容差范围以确定网络中的故障元件。针对 接地网进行诊断时，基本思路如下：忽略土壤等因素的影响接地网可视为纯电阻网 络。地网竣工时各段导体的长度、截面积和电阻率已确定，可计算出原始电阻值， 3 华北电力大学硕士学位论文 多年后某些导体出现腐蚀或者断裂时，该支路电阻比原始值大，这样就得到两 扑结构相同、支路电阻不同的电阻网络。两个网络施加相同的恒定直流电流源 得到对应的两组电压值。其中原网络的节点电压值因拓扑结构、支路电阻及激 知，可根据电网络理论计算得到，而腐蚀后接地网的节点电压值因变电站电气 都有和接地网相连接的接地引线，可由接地引线测量腐蚀后的节点电压值。由 到节点电压变化值和适当的数学方法可推出接地网支路的电阻变化值，从而判 网腐蚀及断点情况。 文献 1 0 1 1 6 1 研究了接地网工频接地参数的数值计算和设计问题。其中文献 【1 2 1 利用矩量法分析接地网频域性能。文献【1 7 】通过测量地面附近磁场的方法探 接地网断流部位诊断问题，文献 1 8 1 也采用电磁场的方法，通过测量地面电势 行了接地网断裂诊断。这两种方法虽然能够探测出导体断裂的情况，但难于诊 发生了腐蚀但尚未断裂的导体的腐蚀程度。 文献 1 9 1 2 5 1 运用参数识别法，以接地网中每段导体电阻增量为故障参量建立 诊断方程，然后各自利用了优化算法获得能量损耗最低时的解。这种方法只需 可及节点间的电压而不必测量电阻，但是由于利用的方程数量少，为欠定方程， 的只是最优解，而不一定是实际值，需要对得到的数据进行分析或寻求更有效 化方法。有的学者利用测试多组数据然后用过模糊技术诊断地网状态，也取得 错的效果1 2 6 j 。 在上述的一些研究成果的基础上，有一些学者提出了几种其它计算地网电阻的 方法。文献 2 7 1 提出了基于不等电位的节点电压法计算模型对地网导通电阻进行了 研究；文献 2 8 2 9 1 采用轮换激励电流多次测量的方法扩大了诊断方程个数，有效地 提高了诊断精度。还有一些研究者为研究接地网故障诊断的可测性，提出了利用接 地网拓扑变化的分析方法，将接地网分解为若干以可及节点为边界的元版块，削去 不可及节点后得到对应元网络，对所有元网络进行综合并进一步简约得到可及节点 间最多只含一条支路的本征接地网i 蚓【3 1 1 ，从而简化电路。针对大型接地网，文献【3 2 】 给出了大型接地网分布分块腐蚀诊断的方法，效果良好。 不同的诊断方法都具有各自的优点和不足之处，随着研究方法和计算技术的不 断发展和深入，会促使接地网腐蚀诊断越来越准确可靠。 1 3 本文主要工作 电力系统接地网一般由耐腐蚀金属导体焊接而成，大多为网状。在工频或直流 电流的作用下，可忽略其电感和电容的影响，等效为纯电阻性网络，因而可以将接 地网故障诊断这一工程物理问题转化为电网络问题进行分析和研究。 4 华北电力大学硕士学位论文 接地网腐蚀诊断不同于一般电路的故障诊断。对于一般电路故障诊断的研究是 针对电路网络中仅有发生故障的部分元件而进行的，而接地网运行几年后几乎全部 接地导体都发生不同程度的腐蚀，阻值普遍升高，相当于全部元件故障，只是程度 不同而已，因此仅用模拟电路故障诊断的方法是不完全合适的。 本课题主要研究对象是接地网各段导体腐蚀程度和断点位置的诊断，根据电网 络理论和网络节点电压对支路电阻的灵敏度分析建立接地网的故障诊断方程，利用 功率损耗最低建立优化目标函数，并在上述文献中所提到的参数识别法理论基础 上，采用优化算法f 3 3 】- f 3 5 1 ，结合文献 3 6 1 【3 8 】中的编程思想和程序流程图编写接地网 腐蚀与断点诊断程序，通过求解诊断方程得到接地网各支路电阻的变化值，以此作 为接地网腐蚀程度的判据。 为了验证接地网腐蚀诊断的基本理论和方法的正确性和可行性，并总结和归纳 出故障诊断规则和规律，对小型电阻网络进行如下仿真计算：一，针对中小型地网 模型中有一条或几条支路断裂的情况编程实现诊断过程；二，考虑部分支路腐蚀时 的影响，编程实现检测过程。 在实现上述内容后，为验证理论和方法的正确性，本文构造一小型电阻网络， 和仿真计算相结合对接地网的各种情况进行模拟实验，比较计算值和测量值，验证 测量方法和计算程序的准确性。基于多种情况的测试，对测量误差和接地网故障诊 断的影响因素做了进一步地分析。 由背景中所述对接地网的要求及发生故障后的处理方法，本文可以为电力系统 变电站提供一个简单可靠的接地网腐蚀诊断方法，提高接地网的维护水平，保障电 力系统的安全运行。而且本文涉及电路分析计算和欠定方程的求解，这是一个带有 普遍性的问题，属于基础研究的范畴，所以本文的研究不仅具有工程实际价值，而 且也具有重要的理论意义。 5 华北电力大学硕士学位论文 第二章接地网腐蚀诊断的基本原理 本章主要介绍接地网腐蚀诊断方法的基本原理，包括电网络理论、故障诊断理 论、接地网在土壤中的腐蚀机理等。在这些理论的基础上，结合本文的目的和接地 网的实际情况，做出一些必要的分析。然后对接地网做一些必要的简化和假设，建 立数学模型，构造腐蚀诊断方程。 2 1 基本思想 接地网竣工时各段导体的长度、截面积、电阻率和拓扑结构图都已知，可以用 电路原理计算出接地网各段导体的电阻值，忽略温度变化的影响，此电阻值是恒定 的当接地网运行多年后，某些导体就会发生不同程度的腐蚀甚至断裂，其相应支 路的电阻值增大，这样，腐蚀前后就得到两个拓扑结构相同、支路电阻值不同的电 阻网络。如图2 - 1 ，当对这两个网络施加相同的恒定直流电流源时，原网络节点电 压因拓扑结构、支路电阻及激励已知，可根据电网络理论计算得到。对于腐蚀后的 接地网，因电气设备都有和接地网相连的接地引线，其与地网连接点为可测节点， 直接测量这些接地引线对参考节点的电压就得到腐蚀后接地网节点电压值。利用得 到的节点电压变化值，结合适当的数学优化方法就可求出各段导体电阻值，将其与 腐蚀前的标称值相比并设置一定的阈值就可以判断地网导体是否有断裂或被腐蚀 的情况。 2 2 理论基础 图2 1 接地网连接图 接地网的腐蚀诊断，涉及许多理论和方法，有接地网在土壤中的腐蚀机理、故 6 华北电力大学硕士学位论文 障诊断理论、电网络理论等，下面分别介绍这些理论和方法。 2 2 1 接地网腐蚀机理 接地装置长期处于地下阴暗、潮湿的环境中，最容易发生腐蚀。金属在土壤中 的腐蚀按机理的不同分为下列几种：化学腐蚀、电化学腐蚀和微生物腐蚀。 1 化学腐蚀 发生在金属与介质相接触的界面上，腐蚀时没有电流产生，钢材表面在高温下 与空气中的氧气接触，发生化学反应，生成一层氧化膜，这就是一种化学腐蚀。化 学腐蚀主要与环境温度、环境中含有化学腐蚀物质的量和环境中的空气湿度有关。 环境温度越高，环境中含有化学腐蚀物质的量就越多。空气湿度越大，化学腐蚀就 越严重。 2 电化学腐蚀 土壤是由固态、液态和气态三种物质构成的复杂混合物，土壤胶体带有电荷， 并吸附一定数量的阴离子，当土壤中存在少量水分时，土壤水即成为一种电解质溶 液，土壤中的部分氧气溶解在水中，与接地体构成一个氧化还原电池。 当接地装置发生腐蚀时，钢材作为原电池的负极( 阳极) ，发生氧化反应；而 钢材中含有能导电的杂质则作为原电池的正极( 阴极) ，发生还原反应。但由于钢材 接触到的电解质溶液的酸性强弱不同，正极上的反应有析氢腐蚀和吸氧腐蚀两种情 况，因而使腐蚀过程有所差异。电化学腐蚀主要与电解质溶液中的氢离子和氧气的 浓度有关。电解质溶液中的氢离子和氧气的浓度越大，电化学腐蚀速度就越快。 3 微生物腐蚀 土壤中微生物对接地网碳钢材料的腐蚀是微生物的生命活动参与下所发生的 腐蚀过程，微生物自身对碳钢并不直接具有侵蚀作用，而是其生命活动的结果参与 腐蚀的间接过程。这种间接过程主要表现为新陈代谢产物的腐蚀作用( 微生物能产 生一些具有腐蚀性的代谢产物，如硫酸、有机酸和硫化物等，增强了环境的腐蚀性) ； 微生物的活动影响电极的动力学过程( 如硫酸盐还原细菌的存在，能促进腐蚀的阴 极去极化过程) ；改变了金属周围环境的状况( 如氧浓度、盐浓度及p h 值等) ，形成 局部腐蚀电池；破坏保护性覆盖层的稳定性。一般而言，微生物腐蚀多发生在地势 较低的沼泽地带及有机质含量较高的土壤中。 总之，接地网金属材料的土壤腐蚀除了受碳钢材料本身的影响外，还受土壤含 水量、土壤p h 值、土壤含盐量、土壤电阻率、气候条件和杂散电流等因素的影响。 设备接地引下线及其连接螺丝、各焊接头和接地体最容易发生腐蚀，主要有以 7 主要理论和技术是数学中的逼近理论和优化设计方法。网络综合的结果通常都不唯 一，往往是因设计人员的素质和经验以及所采用的模块或器件而异。由于微电子技 术和工艺的迅速发展，集成电路的集成度越来越高，新的生产工艺和优质器件不断 涌现，使网络综合日益简化。如采用计算机辅助设计( c a d c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) ， 则设计和综合的工作量可进一步减少，导致网络综合的发展非常迅速。 3 故障诊断 故障诊断的主要任务是：在已知网络的拓扑结构、输入激励信号和故障下的响 应时( 有时可能还已知部分元器件的参数) ，求解故障元件的物理位置和参数。要求 求解的结果是唯一的，但有时却不能保证。与网络分析和网络综合不同的是，它的 8 华北电力大学硕士学位论文 输入信号不限于采用网络实际工作所施加的有限信号，而可根据故障诊断的需求 “随意一确定。故障诊断所涉及的有关理论和技术面较宽，如系统参数辨识、模式 识别、优化技术等。模拟电路的故障诊断一般需要用计算机来实现( a 博c o m p u t c r a i d e dt e s t ) 。 综合上述分析，如表2 1 中列出了网络理论三大分支的特点。 表2 - 1 网络理论三大分支特点 、 砑 特点 目 激励 拓扑 n 结构 元件参数响应解的唯一性 网络分析已知( 给定)已知已知待求唯一 网络综合已知( 给定)待求待求已知( 给定)不唯一 故障诊断已知( 给定)已知待求( 部分已知)已知( 可测) 要求唯一 埋在地下的接地网的水平均压导体彼此相连构成电路网络，忽略土壤因素的影 响，接地网可以看成纯电阻网络，因此接地网腐蚀故障诊断又属于模拟电路故障诊 断。模拟电路故障诊断的方法主要有：故障字典法，故障参数识别法，k 故障诊断， 神经网络、专家系统、模糊理论等。本文中主要运用故障参数识别法，下面主要对 参数识别法做主要介绍。 之所以选择故障参数识别法，主要因为容差问题。元件的容差将带来电压或电 阻的容差，以致使各组值交叉；测量时有误差，测量值不会等于理论计算值在模 拟电路故障诊断中，由于元件容差的影响，以及元件变化与输出增量之间的非线性 关系，使得实际的诊断过程非常复杂和困难。因此元件容差问题是模拟电路故障诊 断中的一个困难问题，而在各种故障诊断方法中，参数识别法可较好的解决元件容 差问题，因为这一方法中，电路各元件参数均可计算出来，偏差超出容差范围者为 故障元件。由于模拟电路一般都很复杂因而得出的识别方程的阶数很高，因此有必 要采用计算机进行辅助分析。 一般而言，模拟电路诊断应完成下述三个方面的工作： 1 故障检测( f a u l td e t e c t i o n ) 根据所采集到得数据以及已知的电路结构与标称参数，判断电路是否存在故 障。但故障检测不能确定故障元件的位置和参数。相对而言，故障检测比较容易， 它主要用于产品的检验。 2 故障辨g 只( f a u l ti d e n t i f i c a t i o n ) 在已检测到电路存在故障的前提下，确定存在的故障总数，各故障元件在电路 9 系统长 学方程的建立，本文对接地网做以下假设： 不考虑接地网的自然接地体，如自来水管，配电装置基础构架，引入到配电 装置构架上的架空避雷线、电缆支架及电缆的金属外皮等； 接地引线与接地网的连接点都在接地网水平支路的节点上。 在上述假设基础上，对接地网建立故障诊断方程。 2 3 1 构造数学模型 忽略土壤等因素的影响接地网可视为纯电阻网络，接地引线就是该网络的可及 节点，可以看成一个多端口网络，如图2 2 所示。 v l v 2 v 3 v m 图2 - 2 接地网等效图 1 0 华北电力大学硕士学位论文 假设接地网有刀+ 1 个节点( 其中一个为参考节点) ，b 条支路，m + 1 个可及节点 ( 其中一根为公共线，即参考节点处的上引线) ，为消除电容耦合及电感耦合的干扰， 测量中针对图2 2 地网中任意节点施加直流大电流激励。规定地网各段电流方向后 得到其有向图进而可以得到网络节点关联矩阵a ，根据电网络理论可得： y - u - - i ，y - 一a 。y b a 1( 2 1 ) 其中i - 为节点的电流源列向量( 非激励节点的电流值为0 ) ；y b 为支路导纳矩阵， 对于纯电阻网络，支路导纳矩阵为一对角阵，且其对角元素上的值等于各段导体电 阻的倒数；u - 为节点的电压列向量；y - 为节点导纳矩阵。当选择两节点在其之间 施加直流激励源时，由上述方程就可计算出网络电阻为标称值时的节点电压值u - 。 由上述方程还可以推导出单个支路电阻r ，的变化对节点电压值u - 的影响，即 u - 对r ，求偏导数： a u a r ，sa k l a r ，。i - ( 2 - 2 ) 由 a k l y ij a r ，一0 辛等y - + p 舞- o 李a k l a r ，一一k 1 d y - a r ，k 1 ( 2 3 ) 带入式( 2 2 ) 得： a u - a r j 一一k 1 a 如y l a r j 玲r y ，i - - 一k 1 a ( a y b a r ，蛤ru - ( 2 - 4 ) 依次计算出尺( _ | 一1 2 ，6 ) 变化对捍个节点电压的影响值，得到全灵敏度矩阵 u 。其中a y b a r ，在( ，j ) 位置上为一1 r ；，其余各处都为0 。给定接地网的原始值， 可由此算出此激励下每条支路电阻变化时每个节点电压的变化量。上述方法求得网 络的全灵敏度矩阵为u - ，u 岫是u - 中取出的与m 根可测引线有关行向量组成的新 灵敏度矩阵，其元素口 f 的物理意义是第根导体电阻r 增加x 倍时对节点f 电位的影 响值。 2 3 2 建立故障诊断方程 设m 个可及节点电压在地网支路电阻为标称值时的理论计算值为u 。，地网腐蚀 后从肌根引线上所测值为u j ：i ，节点电压增量为a u ，则有： a u 。u 二一u 。- u - b x ( 2 - 5 ) 华北电力大学硕士学位论文 式( 2 - 5 ) 便为故障诊断方程，其中u - 为上节中从全灵敏度矩阵中取出与胁个节 应行所形成的灵敏度矩阵，x 是6 维列向量，x i ( j - 1 , 2 , 6 ) 代表第歹段导体电 加的倍数。 因实际地网可测引线数m 总是小于接地网支路数b ，故诊断方程是欠定方程， 一解，要得到实际地网的准确诊断结果就必须求出唯一解，所以必须引入目标 和约束条件来求解。 目标函数的引入是令整个地网电阻消耗的功率应最小【1 引 3 6 1 。当地网发生腐蚀或 时，待测地网每段电阻值为： r ：- r ，o 【1 + x ，j ( 2 - 6 ) 其中，r 扣为标称值，又有从，一x ，r 扣，拍一u 妒r 妒，忽略电流对电阻变化 阶导，对腐蚀后地网电流进行泰勒展开： ，一，o + o l j o r 儿，a r ， ( 2 。7 ) 鼍k 一一考k 一面u i o - - 每 ( 2 - 8 ) x ，一a r j r 扣 ( 2 9 ) 实际支路电阻变化后的电流值： j j - t j o ( 1 一x ，) ( 2 1 0 ) 代入整个地网的功率损耗式可得目标函数： m 细p - m m 蠢，：2 r j - m 缸套，知r 一，o ( t - x , ) 2 0 + x ，) ( 2 - 1 1 ) 这是一非线性函数，所需约束条件便是前面的故障诊断方程和接地网各段导体在发 生不同程度腐蚀后，电阻值只会增大，即电阻增量的非负性得到约束条件为： 雎l l + l 声2 + + 口玷一a u l h 2 1 h + “2 2 x 2 + + 口2 6 za u 2 ( 2 - 1 2 ) u m l x l + 1 1 肘2 x 2 + 1 u m b x b 一血艉 工，之o ( j 一l 鸦，b ) 至此便构建出了良好的数学模型。利用合适的优化算法解数学模型就能得到各段导 体电阻值的增大倍数工，从而判断其是否发生腐蚀或断裂。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 2 4 优化计算方法 从式( 2 1 1 ) 和( 2 1 2 ) 可以看出，要解的是一个含有等式约束与不等式约束的非线 性方程的最小值问题，由于实际中可及节点数远远少于支路数，所以等式约束方程 的个数小于要求解的各个支路电阻增量个数，为一欠定方程，需要用优化方法对上 式进行求解。 本文中所有计算程序，包括仿真计算、故障诊断和画图都是在m a t l a b 运行 的。本文利用m a t l a b 中的优化工具包( f m i n c o n ) ，较好的解决了方程组的欠定问 题，计算结果与实际情况符合较好。 f m i n c o n 函数提供了大型优化算法和中型优化算法。默认时，若在f u n 函数中提 供了梯度，并且只有上下界存在或只有等式约束，f m i n c o n 函数将选择大型算法。 大型算法是基于内部映射牛顿法( i n t e r i o r r e f l e c t i v en e w t o nm e t h o d ) 的子空间置信域 法( s u b s p a c et r u s t - r e g i o n ) 。 当既有等式约束又有梯度约束时，使用中型算法。f m i n c o n 函数的中型算法使 用的是序列二次规划法。在每一步迭代中求解二次规划子问题，并用变度量法( b f g s ) 法更新拉格朗日h e s s e 矩阵。求解二次规划子问题是通过解库恩一塔克条件( k d 获 得一个解d 作为迭代方向，对应的拉格朗日乘子a 作为迭代步长。用b f g s 更新拉 格朗日h e s s e 矩阵是为保证矩阵正定，使规划为凸规划，k t 点为全局极小点。本文 使用的是中型算法，此算法的原理如下： 二次逼近算法( s q p s e q u e n c i a lq u a d r a t i cp r o g r a m m i n g ) ，也称为序列二次规划 法。对于一个非线性规划问题： m i n ，b ) x e “ ( 2 1 3 ) s t h j b j l0 j 一1 ，2 ，用( 2 - 1 4 ) g f b ) 5 0 j im + 1 朋+ 2 ，p( 2 - 1 5 ) 其中x e e “表示z 为一个一维向量g ，工：) r ，序列二次规划法的基本思路是将上 述问题转化为一系列二次规划子问题q p ( q u a d r a t i cp r o g r a m m i n g ) ： m i n q p 0 ) 。v 厂b ) r d ( ) + l ，d ( k ) r 曰任切伽) x , d ( k ) e e “ ( 2 1 6 ) s j c ；( x ) + v c ；g 尸d 取) - 0 i e e ( 2 1 7 ) c j b ) + v c 。g ) r d ( ) 0 i e l ( 2 1 8 ) 1 3 华北电力大学硕士学位论文 其中v 厂为原目标函数的梯度向量；乳为约束条件的梯度矩阵( j a c o b 矩阵) ；b ( 0 l a g r a n g e 函数的二阶导数矩阵的一个近似矩阵，它近似于h e s s e 矩阵。以这些子问 题的解构成各次迭代的搜索方向d ，沿方向d 恤) 进行不精确一维搜索，得到步长 吼，再由 x “+ i ) z ( i ) + 口。d 任)( 2 1 9 ) 最终迭代得到x ( j “j 逼近优化问题的解。 二次逼近算法的思想最早由w i l s o n 于1 9 6 3 年提出，7 0 年代得到快速发展。二 次规划问题是最简单的一类非线性规划问题，即约束条件为线性的而目标函数是二 次函数的最优化问题。由于在构造二次规划子问题时，应用了目标函数及约束条件 的二阶导数信息，因此算法的收敛性也较好。 二次逼近算法利用了函数的二阶导数信息，但一般并不直接计算二阶导数，而 是采用拟牛顿法( 变尺度法) 近似构造h e s s e 矩阵( 二阶导数矩阵) ，以建立二次规 划子问题。因而这类算法又被称为约束变尺度法( 约束拟牛顿法) 。 目前已存在不少基于二次逼近原理的算法，大体上可以分为两大类：p o w e l l 型 约束变尺度法和b i g g s 型二次逼近法。两类算法的主要区别在于，前者建立的是不 等式约束二次规划子问题，而后者建立的是等式约束二次规划子问题1 3 3 1 。 2 5 小结 从接地网的腐蚀机理可以了解到接地网发生腐蚀的主要原因是电化学腐蚀，接 地网腐蚀的主要表现形式是局部腐蚀，所以在接地网的腐蚀诊断中，对那些常出现 泄漏电流和变电站关键的区域和设备，要重点检测。 根据故障诊断的基本原理，本文腐蚀诊断的测量方案选择测量节点电压。选择 故障参数识别法进行诊断，即根据网络已知的拓扑结构与标称参数，输入激励和输 出响应，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。基于网 络节点电压对支路电阻的灵敏度分析，建立故障诊断方程。由于方程是欠定和非线 性的，为求解出符合实际的解，令网络功率损耗最小建立了优化目标函数，利用优 化方法求解方程，得到部分可测节点电压变化时对应的各个支路电阻变化值，作为 判断地网腐蚀的依据。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 第三章接地网腐蚀诊断仿真计算 第二章阐述了接地网腐蚀诊断的方法，本章通过仿真计算验证诊断模型和方法 的正确性，通过对接地网可能出现的腐蚀情况进行仿真计算，一方面验证理论和方 法的正确性和可行性，另一方面探索诊断的规律，以指导模拟实验。 在探寻诊断规律的过程中，本文采取分步诊断的方法，先选取几个测量点进行 初步诊断，根据初步诊断的结果再有目的增加测量点进行二次诊断，依此类推直到 诊断结果不变为止，从而判断接地网腐蚀的情况。 本章首先介绍仿真计算的步骤，包括如何建立诊断方程，如何有目的的增加测 量点，并介绍测量点的选择方法，然后分别对小型网络和大型网络( 即接地网) 进行 仿真计算，其内容包括单支路腐蚀、多支路腐蚀的诊断，并用图表分析诊断结果， 总结诊断方法的规律。 3 1 仿真计算步骤和测量点的选择 在上一章中介绍的接地网腐蚀诊断方法，要建立腐蚀诊断方程，必须先求得 a u 。，它是接地网故障状态下的节点电压的测量值u 二和接地网状态良好下的理论 计算值【，。的差，其中以的值是在模拟试验和现场试验中通过测量直接得到的，但 在仿真计算中是改变支路电阻模拟故障后的计算节点电压值，其数值的计算类似于 获得玑时使用的计算方法，即 u 一k 1 i ，y - - a y i a 1( 3 1 ) u ：一y 二q i - ，y i 。一a k a t ( 3 2 ) 计算出u 二后，由u 。- u 二一u 。求得玑，从而建立故障诊断方程，然后用上 一章中讨论的方法求解方程，仿真计算的过程如下： ( 1 ) 选择接地网一个节点为公共点，生成接地网的关联矩阵a 和支路导纳矩阵 虼； ( 2 ) 选择接地网的另两个节点，在这两个节点中施加恒定电流源，由电网络理 论计算出节点电压值u ； ( 3 ) 生成尺，与节点电压的全灵敏度矩阵u - ； ( 4 ) 假设一支路或几条支路发生腐蚀或断裂，其支路电阻变大，选择测量节点， 计算出其相对于公共点的电压值u ：； ( 5 ) 由a u 。u 二- u ，建立故障诊断方程；