发、边电站接地网及其诊断方法.doc

发、变电站的接地网及其故障诊断方法摘要：本文将结合所在课题组近些年所做的研究，主要介绍发、变电站的接地网的研究内容。着重介绍降低接地电阻的方法、接地故障诊断软件的工作原理以及将其应用于工程实践当中初步诊断时涉及到的测量方法。 接地的目的是利用地作为传导电流回路的一个元件，从而在正常、事故或遭受雷击的情况下将电气连接处的电位固定在某一允许范围内，以保证人身和设备安全，维护系统和设施安全可靠运行。1 接地电阻接地电阻是接地装置的一个重要参数，其大小等于接地极的电位升高与通过接地极流入地中的电流的比值。故若电流为一定值，接地电阻的大小直接决定了接地极的电位高低，如设备遭雷击时，由于雷电流非常大，接地电阻的微小变化会引起地电位的很大升降。所以，研究如何降低接地网的接地电阻是非常有必要，也是很有意义的。由于发、变电站接地网接地电阻可用近似公式: R=0.5S 表示，其中为土壤电阻率，S为水平接地网面积，故可以主要从降低土壤电阻率和增大接地网面积两方面入手。主要有以下几种方法：1） 加大接地体尺寸或引外接地对于一些简单接地体和输电线路杆塔接地装置，此方法效果较好，但对于发、变电站接地网，尤其是在高土壤电阻地区或者占地非常昂贵地区，加大接地体尺寸会增加发、变电站建设的不少投资，甚至受场地的限制根本无法实现，因此，在使用此方法时，必须进行技术经济比较2） 利用自然接地体自然接地体包括建筑物钢筋混泥土基础的钢骨架、水电站进水口拦污栅、引水管等，对于这样一些自然接地体，由于它们本身具有较低的接地电阻，若将其与主网相连，可以达到降低接地电阻的目的。特别是在水电站，利用自然接地体，其降阻效果更为明显，并且不需要增加多少投资。但当这些自然接地体多次通流泄漏电流和故障电流后，是否会加速其电化学腐蚀，既而影响其原来的机械作用，若会有影响，则应综合其腐蚀速度及造成损失的大小和它给接地网所作贡献的多少等多方面因素考虑，评定此方法是否合适。3） 换土或使用降阻剂对于某些位于高土壤电阻率地区的发电厂、变电站的接地网，若采用其他方法难以降阻，则可以考虑用电阻率低的土壤来代替电阻率高的土壤，以获得较低的接地电阻。化学降阻剂的使用其实是在接地体周围的土壤中加入离子生成物，以改善土壤的导电性能，若降阻剂的电阻率非常低，则相当于增加了导体的直径，从而使接地电阻减小，即起到了降阻作用。换土和使用降阻剂实际上都是对导体周围土壤进行了改善，降低了土壤电阻率，即“人工改善土壤”方法，而文献1的研究结果表明：人工改善土壤对降低接地网的接地阻作用并不明显，但能有效降低接地网的最大接触电压。4） 使用垂直接地极在设计高土壤电阻率地区的发、变电站接地网时，仅采用水平接地网很难满足接地规程的要求。而在水平接地网四周增设垂直接地极可起到有效的降阻作用。而垂直接地极的采用涉及到其布置位置、根数、长度的选择问题，根据文献2第五章第二节分析：垂直接地极最好是布置于水平接地网四周边缘，有条件的话可尽量向外延伸，让垂直接地极的间距大于或等于垂直接地极的长度；垂直接地极的长度不得小于水平接地网的等直半径，根数一般应在4根以上，且考虑到根数增加到一定程度后，降阻率会逐渐趋于饱和以及根数增加会造成较大的资金投入，故一般应限制在8根以内。2 接地网故障诊断接地网是确保电气设备和人身安全的重要设施，当接地网存在缺陷时，就会危及电气设备和人身安全。我国敷设接地网所用材料主要为普通扁钢，因常年的土壤腐蚀和接地短路电流的电动力作用，使接地网水平均压导体或接地引下线出现不同程度的腐蚀，造成接地装置存在严重缺陷，就会引发泄流不畅、场区电位分布不均，造成接地网可靠性降低甚至性能失效。2.1 接地网故障诊断原理地网接地性能一般由接地电阻的大小间接判断，但无法了解地网腐蚀情况，而地网导体腐蚀甚至断点时，接地电阻仍可能正常，若待发现地网接地电阻不合格或引起事故后，再大面积开挖查找接地网断点和腐蚀段，则是盲目性大、工作量大的方法，还影响电力系统运行。因此，文献3提出一种测量接地引线间的电压变化，不停电，不开挖地网检测其腐蚀情况的新诊断方法。其基本思路如下，忽略土壤因素等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，可知其原始电阻值，运行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，这样就得到两个拓扑结构相同、支路电阻不同的电阻网格，两个网络施加相同的恒定直流电流源时，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、支路电阻及激励已知，可据电网络计算得到，而腐蚀后接地网的节点电压值，因变电站电气设备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。由两组节点电压值，并利用适当的数学方法便可求得各支路电阻的变化，便能诊断出地网的腐蚀情况。2.2 接地网故障诊断的基本算法1） 增量故障诊断方程组对于一个具有N个节点，B条支路的接地网，根据电路原理，其节点电压方程为：U=G-1J.(1-1)U：节点电压向量；G：节点导纳矩阵；J：节点注入电流。G=AR-1AT.(1-2)A:节点对支路的关联矩阵；R：支路电阻矩阵。为了反映各条支路电阻变化对节点电压的影响，将公式（1-1）两边对Ri求导数得：dU=i=1B(G-1J)RidRi.(1-3)经过几次变换后，并将上面全微分形式改为增量形式：U=i=1B-G-1A(G-1J)RiATU0Ri.(1-4)Mi=M1i,M2i,MN-1i .(1-5)Mi=-G-1A(G-1J)RiATU0.(1-6)U=Ue-U0.(1-7)Mi：N-1维列向量，其中的元素Mhi反映了在对接地网施加给定激励下，第i条支路的电阻变化对第h个节点电压的影响；U0：给定激励下，根据R0和J算出的初始节点电压；Ue：给定激励下，接地网腐蚀后各个节点电压的测量值。定义:R=R1,R2,RBT.(1-8)则式（1-5）可写作：U=MR .(1-9)M=M11M12M1BM21M22M2BMN-11MN-12MN-1B.(1-10)由于受到可及节点的限制，只有可及节点处的U可以得到，因此只能抽取式（1-9）中和可及节点有关的若干行得到一个高度欠定的方程组，称为接地网的增量故障诊断方程组。该方程组可以采用最小二乘法求得R的最优解的估计R*，则各个支路的诊断结果为：R=R0+R*.(1-11)2)增广增量故障诊断方程组及其迭代最小二乘法为了充分利用接地网的可及节点，可以采用多激励法，即在可及节点中轮换电流源激励的位置和每次激励时多测量节点电压的方法，以扩大方程的个数。迭代最小二乘法步骤如下： 采用可及节点中轮换电流源激励的位置和每次激励时多处测量的方法，获得增广电压测量向量Ue，采用节点电压法，以接地网各个支路电阻的设计值为迭代初值，即R=R0，根据R计算出增广电压初值估计向量U,令其迭代次数计数器k=1。 计算第k次迭代时增广电压增量估计向量U=Ue-U .(1-12)构造第k次迭代时的增广故障诊断方程U=MR .(1-13) 采用线性最小二乘法，求第k次迭代时，满足式（1-13）描述的目标函数最优解R*。判断是否满足终止条件：R .(1-14)如果收敛精度达到规定要求，即符合终止条件，即退出迭代，R就是最终诊断结果，记作R；否则：采用节点电压法，根据R计算出第k次迭代时的增广电压初始值向量U；令k=k+1;返回。2.3 接地网腐蚀诊断的测量方法在对接地网进行初步诊断时，选线通常是分别选取地网东西或南北两侧各一可及节点作为一可及节点对，该方法适用于小型接地网，但实际接地网中大部分为大型接地网,接地网拓扑结构图中节点数往往超过100个，与小型接地网相比，地网面积大，变电站内电气设备和接地引下线较多，腐蚀情况也更为复杂，各处腐蚀程度也存在不同，这些都给腐蚀诊断带来了很大困难。因此初次诊断时引下线的如何选取成为影响快速准确诊断关键的问题。文献5提出在初步诊断时，采取分步分块法，即将大型接地网进行分块，再在小块内进行测量。分析研究表明：对大型接地网，在初步诊断阶段，采用大跨距测量，其结果与真实地网腐蚀情况相差较大，而采用分步分块测量，其准确度比以大跨度测量作为初步诊断得到的结果要理想得多；且分步分块测量缩短了测量所用的导线长度，在小分块内测量，导线移动距离短，移动灵活方便，使测量的工作量大大减小。文献6在文献5的基础上做了进一步优化测量方法研究，在初步诊断节点测量中分别采用大跨距、小分块和大分块结合不动点3 种方案，列举出其诊断结果，并对3 种方案进行分析、比较。结果表明了选择大分块结合不动点作为初步诊断时测量节点对的优化诊断法，诊断效率最高，效果最好。并提出了接地网腐蚀诊断初步诊断时的选线原则如下：1) 重点原则。在接地网的腐蚀诊断中，为突出重点减少盲目性，对接地网的腐蚀诊断要重点检测那些常出现泄漏电流和故障电流的区域和设备。2) 分块原则。现实中地网腐蚀情况通常是成片、成块状局部腐蚀。对大型变电站，在初步诊断阶段，采用分块测量比采用大跨距测量有着很大的优越性，缩短了测量时所用的导线长度，使测量的工作量大大减小。在分块内测量,导线移动距离短，导线长度短,移动灵活方便。3) 不动点原则。在变电站现场,节点间电阻的测量是费时费力的工作，主要的工作量集中在移动测量线和接线过程中(即将测量线连接到接地网的可及端点上) 。在中大型地网腐蚀诊断中，考虑将某一点设为不动点，另一端点有规律地移动，可以有效地提高测量效率。据粗略估计,在测量工作量相同的条件下，测量的数据量增加了近30 %。4) 相近原则。由电路计算可知,在一个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之间的阻值；其次，则为与之相邻的节点之间的阻值。并以此类推，现场试验采用测量相邻节点之间阻值的方案，即在初步测量和诊断后，根据此诊断结果再进行有针对性的测量和诊断，若故障支路的两端有接地引线相连，则选取测量诊断；若没有则就近选取相邻的节点测量。一方面可以测量对诊断重要的数据，另一方面可以检测和排除伪故障，确定真实故障。这些研究使得接地网故障诊断的工程实用性进一步增强。参考文献：1刘渝根，刘小二，余晓东，等.人工改善土壤后接地网参数的计算和分析J. 高压电器，2005，46（10）：16-19+22.2陈先禄，刘渝根，黄勇.接地M. 重庆：重庆大学出版社，2002.3 刘渝根，滕永喜，陈先禄，袁涛.接地网腐蚀的诊断方法研究J. 高电压技