变电站电缆沟内接地导体对腐蚀诊断的影响.docx

doi: 10.13336/j.1003-6520.hve.2014.02.024变电站电缆沟内接地导体对腐蚀诊断的影响刘渝根 1，成文杰 2（1.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆 400030； 2.石家庄市电力公司，石家庄 050051）摘 要：实际地网腐蚀诊断中，难以判断变电站电缆沟接地导体是否与地网相连，或两者相连时具体节点位置不 明确，因此，常常忽略变电站电缆沟内导体的影响。通过地网腐蚀诊断软件仿真分析电缆沟导体位置、腐蚀程度、 数量以及跨距对腐蚀诊断的影响，并与不考虑电缆沟导体时的诊断结果进行对比。结果表明：当电缆沟导体与主 网连接，不论跨度大小，当其与腐蚀支路间距离(d)不大于主网单根支路长度的 3 倍时，电缆沟导体距腐蚀支路越 近，数量越多，腐蚀支路诊断准确度越低；电缆沟导体腐蚀越严重，腐蚀支路诊断结果越接近真实情况。增加电 缆沟导体附近增大倍数不明显的支路作为开挖对象，可以提高诊断的准确率。 关键词：变电站；接地网；电缆沟；拓扑结构；腐蚀诊断；准确度influence of grounding conductor in cable duct on the corrosion diagnosis in the substationliu yugen1, cheng wenjie2(1.state key laboratory of power transmission equipment & system security and new technology, chongqing university， chongqing 400030, china; 2. shijiazhuang power company, shijiazhuang 050051, china)abstract：in corrosion diagnosis of grounding grids, it is hard to figure out whether the grounding conductors of cable duct are connected with grounding grid or not, or to estimate the position where the two are connected, thus the influence of the cable trench conductors is generally ignored. consequently, to determine the effect of this ignorance, using grounding grid corrosion diagnosis software, we simulated the influence of some parameters of cable trench conductors, i.e., position, corrosion degree, quantity, and span length, on corrosion diagnosis. the results are compared with those of the simula- tions that ignore conductors of cable duct. it is concluded that when cable duct conductors are connected to grounding grid, no matter how far it is between the two, if the distance between the cable duct conductors and a corrosion branch, d, is not more than three times as long as a single branch, the accuracy of corrosion branch diagnosis decreases with the in- crease of the number of cable duct conductors and the decrease of d. besides, the more corroded cable duct conductors get, the more accurate the diagnosis is. moreover, the accuracy of diagnosis can be improved effectively by additionally excavating the branches that have low increasing in resistance near the cable duct conductors.key words：substation; grounding grid; cable duct; topological structure; corrosion diagnosis; accuracy0引言变电站接地网是确保电力系统稳定运行、保障 运行人员和设备安全的重要设施1-5。接地网导体常 年埋于地下，随着运行年限的增长，会发生腐蚀甚 至断裂，大大降低了接地网的性能，由此引发的事 故很多6-9，因此，及时发现接地网的缺陷并采取有 效措施具有重要的意义。国内外学者通过大量研究，提出了一些变电站基金资助项目：国家创新研究群体基金(51021005)。project supported by fund for innovative research groups of china (51021005).接地网导体腐蚀诊断的方法10-11，从而实时掌握接 地网电气状态，及时消除地网隐患，确保电网安全 稳定运行。为提高接地网腐蚀诊断方法的诊断精度 和工程实用性，国内外学者做了大量研究，文献12 应用电网络理论和矩阵理论建立故障诊断方程，将 能量最低原理、优化技术等有效应用于接地网故障 诊断，并结合多激励法解决了欠定方程的求解问题； 文献13分析了可及节点偏移对腐蚀诊断结果的影 响，并对诊断结果进行了修正，提高了诊断精度； 文献14根据网络和矩阵理论建立故障诊断方程， 并运用优化技术解决了欠定方程求解问题，用模糊技术从多组测量值对应的最优解中求出最符合实际 情况的一组最优解，从而诊断接地网腐蚀和断点； 文献15基于 tellegen 定理，将原始接地网（设计 值）和实际接地网（锈蚀后）的支路电压和电流进 行互换，通过测量若干可及节点对间的电阻值建立 方程，从而得出接地网各条导体的实际电阻值；文 献16采用在可及节点中轮换电流源激励位置和每 处激励时多处测量节点电压的方法，充分利用了有 限可及节点，显著扩大了方程的个数，并且采用迭um，腐蚀前理论计算值为um，其增量um=umum， 与式(3)构成故障诊断方程为um=umbx(4)式中x是b维列向量，代表地网各段支路导体电阻增 加的倍数；umb是与m个可及节点有关的行向量组成 的灵敏度矩阵。由此可得如下方程组u11 x1 + u12 x2 + + u1b xb = du1+ u x + + u x = duu21 x122 22b b 2(5) m代法解决了非线性问题，得到的接地网各条导体的u x+ ux+ + ux= du m1 1m2 2mb bm诊断结果更加接近实际情况。然而，由于实际工程中变电站接地网结构、布 置方式等复杂多变，变电站接地网腐蚀诊断方法要 应用于实际工程还有很多问题需要解决。随着电网 的发展，电力电缆的应用越来越广泛，电缆沟接地 体往往与主地网相连，从而影响接地网拓扑结构， 进而影响接地网腐蚀诊断结果，由于电缆沟接地导 体和地网之间的连接点不明确，以致进行接地网诊 断时往往忽略电缆沟接地导体的影响。因此，本文 有必要研究变电站内电缆沟接地导体对接地网腐蚀 诊断的影响特征，进而优化诊断结果，提高诊断精 度，实现接地网腐蚀诊断的工程实用化。1接地网故障诊断理论忽略土壤、温度、湿度等因素的影响，可将变 电站接地网视为纯电阻网络，基于接地网腐蚀前后 其拓扑结构不变的特征，建立接地网腐蚀诊断方程， 通过比较接地网腐蚀前后各支路电阻的变化量来判 断接地网导体的腐蚀程度17。接地网连接图如图1所示。图1中i、j为接地网 中两个任意节点，i0为连接i、j两节点的电流源。假 设图1所示接地网有n+1个节点，b条支路，m个可及 节点，根据电网络理论可建立方程如下18：通过求解式（5）便可诊断出各支路导体的腐蚀 程度。2电缆沟导体未接于主网时的腐蚀诊断如图 2 所示为一 88 接地网模型，实测单位长度(定义为 1 m，下同)接地网导体电阻值为 0.68 m，假设各支路导体长度均为 10 m，则支路导体的标称 电阻值 r=6.8 m，电缆沟接地体均未接于主地网。图 1 接地网连接图fig.1 connection diagram of the grounding gridyn un = int(1)yn = a yb a(2)式中：a为节点关联矩阵；in为节点的电流源列向量； yb为支路导纳矩阵；un为节点电压列向量；yn为节 点导纳矩阵。由式(1)、(2)可得支路电阻rj的变化对节点电压 的影响为un = -y -1 a yb aty -1 irnrnn(3)jj地网腐蚀后，m个可及节点端口电压测量值为图 2 88 接地网模型fig.2 model of 88 grounding grid假设图 2 所示地网模型中支路 19(11-12 节点对)、支路 41(25-26 节点对)、支路 100(52-61 节点对)和支路 112(56-65 节点对)存在腐蚀，如图中“”所 示，各支路电阻值依次增大了 10 倍、5 倍、5 倍和 10 倍。采用分块结合不动点的测量原则，将地网模型 分成 4 个 44 网格，将测量数据输入地网腐蚀诊断 软件，通过逐步逼近的方法进行诊断19-20，得到不 考虑电缆沟导体时的诊断结果，即各支路电阻值增 大的倍数。诊断结果如表 1 所示。由表 1 可知，支路 19、支路 41、支路 100 和支 路 112 的诊断值与设定值的误差分别为 19.2%、 14%、17.6%和 23.7%，尽管最终诊断得出的支路电 阻增大倍数与设定值有一定误差，但相比其它支路 的电阻变化情况，设定的故障支路电阻增大倍数相 对明显，可见电缆沟接地导体未与主网相连时能够 准确诊断出故障支路。3 电缆沟导体接于主网时的腐蚀诊断电缆沟是变电站的基础设施，电缆沟内部通常 会有与主网接地导体材质及尺寸都相同的接地导 体，这些接地导体和电缆支架焊连在一起，每隔一 定距离与主接地网相连，如图 3 所示。基于电网络理论和 tellegen 定理建立的故障诊 断方程显示，对诊断结果产生影响的有 2 个因子： 一个是测量的端口电阻值；另一个是地网的拓扑结 构。分析变电站内电缆沟导体对腐蚀诊断结果的影 响时，由于现场站内电缆沟导体接于主网的具体位 置不明确，使之不能直接作为地网拓扑结构的一部 分进行仿真计算。因此，在仿真分析中，选择地网 拓扑结构这个影响因子不变，分析电缆沟导体存在 时对诊断结果的影响，并且诊断所选测量节点对与 不考虑电缆沟导体时保持一致。3.1 单根电缆沟导体接于主网时的影响由于电缆沟导体通常与主网导体材质以及尺寸 相同，假设有一根电缆沟接地体与主接地网两点相 连，电缆沟接地体长度为 10 m，单位长度电阻值取为 0.68 m。1）电缆沟导体无腐蚀 当接于主网的电缆沟导体未发生腐蚀时，建立诊断方程，电缆沟接地体位置不同时的诊断结果如 表 2 所示。由表 2 可以看出，电缆沟导体连接于主网不同图 3 接地导体与主网相连fig.3 grounding conductor connected to the grounding grid表 1 不考虑电缆沟导体诊断结果支路电阻增大倍数支路电阻增大倍数198.081004.12320.06740.12414.301127.63630.141080.08table 1 diagnostic results without considering the cable trench conductor表 2 电缆沟导体不同连接位置的诊断结果连接位置支路 19电阻增大倍数支路 41支路 100支路 112无电缆沟8.084.304.127.6321-224.174.064.147.5115-167.922.834.067.6857-668.144.254.183.6970-718.034.182.717.5831-406.844.204.137.6432-417.553.254.177.8456-658.164.294.240.52table 2 diagnostic results with different connection position of the cable trench conductor位置时，距离电缆沟导体较远的故障支路的诊断结 果与无电缆沟导体时所得诊断结果基本一致；电缆 沟导体附近故障支路的诊断结果与无电缆沟导体时 的诊断结果相比偏小，由此可见电缆沟接地体接于 主网时，降低了其附近腐蚀支路诊断结果的准确性， 但对距离其较远的腐蚀支路影响较小。当电缆沟导 体与主地网连接点位于腐蚀支路两端时，腐蚀支路 诊断值与无电缆沟导体时的诊断结果相差甚大，如 电缆沟接地体接于主网的 56-65 节点对(腐蚀支路112 两端)时，支路 112 的诊断结果由不考虑电缆沟导体时的 7.63 倍下降到 0.52 倍，考虑到变电站现场的干扰影响，可认为该支路没有发生腐蚀，从而出 现误诊断。因此，在腐蚀诊断时若电缆沟导体附近出现增 大倍数较小的腐蚀支路时，应该考虑此支路是否存 在严重腐蚀，因为电缆沟内导体的存在降低了其附 近腐蚀支路诊断的准确度而使腐蚀诊断所得电阻值 增大倍数降低，在诊断测试中可能会遗漏这种真实 的故障支路。2）电缆沟导体有腐蚀电缆沟内导体与空气接触且长期处于潮湿环 境，极易腐蚀。假设电缆沟内导体有腐蚀且腐蚀部 分并入主网，电缆沟内导体电阻值分别增大了：5因此，如果电缆沟导体与主地网连接，在进行接地 网导体腐蚀诊断时，应当注意电缆沟导体附近电阻 值增大倍数较小的支路，以免忽略了真实腐蚀支路。 3.3电缆沟导体大跨距对腐蚀诊断结果的影响实际变电站中电缆沟跨度可能较长，往往横跨 多个地网网格与主地网连接。假设各电缆沟接地体 长均为 40 m，分别接于图 2 所示地网中 12-16、39-43和 57-61 节点对（分别采用、表示）。将电缆沟导体位置进行组合，所得诊断结果如表 5 所示。表 3 不同连接位置诊断结果table 3 diagnostic results with different connection positions电阻增大倍数倍；10 倍。建立诊断方程，电缆沟接地体位置不 同时的诊断结果如表 3 所示。由表 3 可以看出，当电缆沟导体存在腐蚀时可以诊断出真实故障，虽然该 4 条支路电阻增大倍数 诊断值与设定值有一定误差，但相比其他正常支路， 能清楚地确定故障支路；距离电缆沟导体较远的故 障支路诊断所得电阻值增大倍数与不考虑电缆沟影连接位置支路 19支路 41支路 100支路 11213-225.366.144.174.224.064.177.968.0326-358.148.062.543.373.824.037.687.8048-577.948.034.264.134.114.185.627.4551-608.068.024.24.052.943.377.647.7356-658.048.154.034.14.024.143.945.68表 4 多根电缆沟导体时的诊断结果响时相比几乎没有差别，电缆沟导体附近腐蚀支路 诊断所得电阻增大值与不考虑电缆沟时相比减小较 为明显；当电缆沟导体腐蚀时，位于电缆沟导体附 近的腐蚀支路诊断所得电阻值增大倍数随着电缆沟 导体腐蚀程度的增加而增大，但不大于不考虑电缆 沟导体时的诊断值；当电缆沟导体腐蚀部分并接于 地网腐蚀支路两端时，所得腐蚀支路电阻增大值与 不考虑电缆沟导体时差距最大。3.2 多根电缆沟导体接于主网时的影响单根电缆沟导体并入主接地网时，不论电缆沟 导体腐蚀与否、腐蚀程度的大小，对附近腐蚀支路 影响明显，为了进一分析电缆沟导体对腐蚀诊断结 果的影响，建立仿真模型，分析多根电缆沟接地导 体接于主网时对腐蚀诊断的影响。假设图 2 所示地 网中 21-30、24-33、48-57 和 51-60 节点对 4 个位置 与电缆沟接地体相连(分别用、）表示 4 种布置方式)，建立诊断方程，各支路腐蚀状态诊断结果如表 4 所示。由表 4 可见，无论电缆沟导体数量多少以及何 种布置方式组合，当地网腐蚀支路附近无电缆沟导 体时，故障支路诊断值与不考虑电缆沟影响时诊断 值几乎没有差别；当故障支路附近存在电缆沟导体 时，故障支路诊断值与不考虑电缆沟导体时的诊断 结果相比有所减小，即降低了故障诊断的准确度。table 4 diagnostic results of multiple structures电阻增大倍数支路 19支路 41支路 100支路 1128.084.304.127.635.262.793.947.825.354.184.074.845.314.272.837.708.122.754.154.928.132.764.124.888.084.312.834.845.282.754.124.805.302.722.787.728.032.732.804.855.304.252.764.805.322.692.734.81导体位置无电缆沟表 5 电缆沟导体大跨距的诊断结果table 5 diagnostic results of cable trench conductors with large span电阻增大倍数支路 19支路 41支路 100支路 1128.084.304.127.634.222.704.067.716.563.143.006.883.852.463.046.754.132.742.844.976.723.132.154.343.822.382.304.36导体位置无电缆沟由表 5 可知，当电缆沟导体大跨距与主地网连接，腐蚀支路位于电缆沟导体附近时，腐蚀支路诊 断的准确度与不考虑电缆沟导体相比有所降低。例 如电缆沟导体位于位置时，假设的 4 条故障支路 的诊断准确度与不考虑电缆沟导体相比都有所下 降；电缆沟导体位于位置时，故障支路 19 和支路 41 的诊断准确度与不考虑电缆沟导体时相比有所下降，故障支路 100 和支路 112 的诊断准确度与 不考虑电缆沟导体时相比基本没有变化。多根电缆沟导体大跨距接于主地网时，并入的 电缆沟导体降低其一定范围内的故障支路的诊断准 确度，对距离其较远的故障支路诊断结果影响不大。 对于支路 19 和支路 41 来说，电缆沟导体同时位于和位置时所得诊断结果与电缆沟导体只位于位置时所得诊断结果相比有所减小，而电缆沟导 体同时位于和位置时所得诊断结果与电缆沟 导体只位于位置时所得诊断结果相比基本不变。 3.4 电缆沟导体位置对腐蚀诊断结果的影响电缆沟导体降低其附近故障支路诊断值的准 确度，对距离其较远的故障支路诊断准确度影响不 大。为研究电缆沟接地体位置对腐蚀支路诊断结果 的影响特征，假设图 4 所示的支路 90(节点对 50-51)、 支路 98(节点对 50-59)和支路 107(节点对 59-60)为腐 蚀支路，电阻增大倍数均为基准值的 10 倍。并入主 网的电缆沟导体长度与主网单根支路长度相同，均 为 10 m，电缆沟导体未腐蚀，其电阻值与地网单根支路电阻基准值相等。电缆沟导体按图 4 中箭头方 向(从节点对 5-6 到节点对 50-51)不断逼近腐蚀支 路，建立诊断方程，诊断结果如表 6 所示。由表 6 可以看出，当电缆沟导体与腐蚀支路之间的距离不小于主网单根支路的 4 倍时，电缆沟导 体对腐蚀支路的诊断结果基本没有影响。当电缆沟 导体与腐蚀支路之间的距离为地网单根支路长度的 3 倍时，诊断所得腐蚀支路电阻增大倍数减小较为 明显，但仍够能 100%诊断出腐蚀支路；当两者之 间的距离为地网单根支路长度时，所得诊断结果将 会使我们误认为腐蚀支路不存在腐蚀，导致腐蚀诊 断结果误判；特别是当电缆沟导体位于 50-51 节点对时，腐蚀支路 90 将无法诊断出来，而腐蚀支路98 与 107 与不考虑电缆沟导体的诊断值相比严重减 小，亦可认为不存在腐蚀。当电缆沟导体与腐蚀支路距离大于主网单根 支路长度 3 倍时，电缆沟导体对腐蚀支路诊断值没图 4 腐蚀支路分布图fig.4 arrangement diagram of corrosion branch表 6 导体与腐蚀支路不同距离时诊断结果table 6 diagnostic results of conductors with different dis- tances to corrosion branch电阻增大倍数支路 90支路98支路 1077.668.248.587.718.308.467.498.228.706.577.088.144.224.736.872.542.964.0401.362.45导体位置无电缆沟5-614-1523-2432-3341-4250-51有影响；当电缆沟导体与腐蚀支路的距离不大于地 网单根支路长度 3 倍时，电缆沟导体与腐蚀支路距 离越近，腐蚀支路的诊断准确度越低。因此，在进 行变电站地网腐蚀诊断时，对电缆沟附近电阻值增 大倍数较小的支路进行开挖，在一定程度上可以弥 补不考虑电缆沟内导体带来的误差。4 现场试验为验证所得结论，对某 220 kv 变电站进行现场 试验。变电站主网和站内电缆沟导体布置如图 5 所 示，其中粗线为电缆沟导体的布置位置。每段电缆 沟的接地导体至少 2 处与主网相连，但连接点的具 体位置并未在设计图上标出，为此，在仿真计算时 采用不考虑电缆沟导体时的地网拓扑结构。电缆沟 导体和主网导体材质均为直径 20 mm 的圆钢，主网 导体埋深为 0.6 m，主网节点编号如图 5 所示，支路按照从左至右、自上而下的顺序进行编号。 依旧采用分块结合不动点的测量原则，测量所得数据如表 7 所示。将测量数据输入重庆大学编写 的地网腐蚀诊断软件，通过逐步逼近的方法19-20进 行诊断。诊断结果如图 6 所示。由图 6 可知，诊断所得电阻增大倍数较大的支路有支路 28(16-17 节点对)、支路 54(28-37 节点对)、支路 55(31-32 节点对)和支路 57(33-34 节点对)，位置如图 5 中“”所示，各支路导体增大倍数如图 6所示，依次为 3.166 倍、7.538 倍、2.170 倍和 2.262倍。根据诊断结果可以判定支路 54 很可能存在严重腐蚀情况，而支路 28、支路 55 和支路 57 电阻增大 倍数不大，当不考虑电缆沟导体时可以判定其为轻 微腐蚀而被忽略，但是根据前文所得结论和图 5 所图 5 电缆沟导体布置图fig.5 arrangement of cable conduit conductors表 7 节点对测量数据节点对阻值/m节点对阻值/m19-76.13858-467.54219-205.27658-486.37419-125.83058-655.79019-46.76958-678.73619-297.94258-597.46219-356.87158-398.46267-497.83610-188.36467-615.99910-167.71167-754.13010-34.25067-608.25810-95.70067-545.67310-329.253table 7 measurement data for the node pair示各支路的位置，支路 57 附近存在电缆沟导体，极 有可能是因为电缆沟导体的存在降低了诊断的准确 度，因此对支路 28 和支路 57 进行开挖，结果显示支路 57 也存在严重腐蚀，开挖情况如图 7 和图 8所示。图 6 诊断结果fig.6 diagnostic results图 7 支路 28 开挖结果fig.7 excavation results of branch 28图 8 支路 57 开挖结果fig.8 excavation results of branch 57从现场试验情况可以看出，电缆沟导体的存在 降低了其附近支路腐蚀诊断的准确度，因此，对电 缆沟导体附近电阻值增大倍数不大的支路进行开 挖，可以提高腐蚀诊断的准确度。5结论1）电缆沟内导体并入地网时，不论跨度大小， 其存在均将降低附近腐蚀支路诊断准确度，降低的 程度与腐蚀程度、导体数量以及相对位置有关。2）对于地网腐蚀支路来说，当其附近电缆沟导 体存在腐蚀时，导体腐蚀程度越严重，该腐蚀支路 诊断所得值与真实情况越接近，即对腐蚀支路诊断 准确度的影响越小。3）电缆沟导体与腐蚀支路之间距离不大于主网 单根导体长度 3 倍时，电缆沟导体数量越多、与腐 蚀支路距离越近，该腐蚀支路诊断准确度越低；当 电缆沟内导体与腐蚀支路之间距离大于主网单根导 体长度的 3 倍时，其对主网腐蚀支路诊断基本上没 有影响。4）电缆沟导体降低其附近腐蚀支路诊断的准 确度，增加电缆沟导体附近增大倍数不明显的支路 作为开挖对象，可以提高诊断的准确率，一定程度 上弥补采用不考虑电缆沟导体的地网拓扑图带来的 诊断误差。参考文献references1 谭 波，杨建军，文习山，等. 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