史耀政，劉立超

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牽引變電所接地網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

史耀政，劉立超

分析牽引變電所接地網(wǎng)接地電阻測試原理，在利用電路網(wǎng)絡(luò)和矩陣?yán)碚摎w納出接地網(wǎng)腐蝕、斷裂診斷數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上試制接地網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)，并在牽引變電所投入試運(yùn)行，經(jīng)對測試數(shù)據(jù)的分析對比驗(yàn)證了該在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

牽引變電所；接地網(wǎng)；在線監(jiān)測；工頻干擾

0 引言

接地網(wǎng)是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接關(guān)系到人身和設(shè)備的安全及鐵路運(yùn)輸秩序。而隨著近年來電氣化鐵路建設(shè)規(guī)模的高速增長，系統(tǒng)供電容量持續(xù)增加，經(jīng)接地網(wǎng)流入大地的工作電流和故障電流越來越大，為了確保人身及設(shè)備安全和系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，對接地網(wǎng)的安全性要求越來越嚴(yán)格。特別是隨著微電子及數(shù)字設(shè)備在牽引供電系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，這些設(shè)備的硬件大多采用TTL或COMS集成電路，其工作電壓較低且要求具備嚴(yán)格的接地系統(tǒng)作為電位參考點(diǎn)，如果接地網(wǎng)性能惡化，將對這些設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈的傳導(dǎo)干擾及過電壓反擊危險，嚴(yán)重危及設(shè)備本身及供電系統(tǒng)安全。

接地網(wǎng)主體深埋于變電所地表以下，檢修和維護(hù)工作都難以開展，只能通過測試數(shù)據(jù)來判斷其性能狀態(tài)。由于接地網(wǎng)測試工作異常繁雜，需耗費(fèi)大量人力物力，另外需測試人員具有較強(qiáng)的現(xiàn)場工作經(jīng)驗(yàn)才能保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此不適宜作為常規(guī)年檢工作項目。為了降低定檢預(yù)試工作量，我國現(xiàn)行《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》和《牽引變電所運(yùn)行檢修規(guī)程》均明確規(guī)定其檢測周期以“不超過6年”為宜，但在實(shí)際運(yùn)行過程中，接地網(wǎng)的性能指標(biāo)經(jīng)常會隨時間推移而發(fā)生較大改變，特別是在地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地區(qū)，接地網(wǎng)性能甚至?xí)S季節(jié)更替而發(fā)生明顯變化，當(dāng)其安全指標(biāo)值超出一定范圍時極易發(fā)生事故，危及供電系統(tǒng)運(yùn)行安全，造成設(shè)備損壞和人員傷害。

針對變電所接地網(wǎng)在傳統(tǒng)運(yùn)維方式下存在的弊端，近年來，國內(nèi)外諸多機(jī)構(gòu)開始致力于研發(fā)接地網(wǎng)在線監(jiān)測裝置，旨在解決上述日益突出的技術(shù)矛盾。歷經(jīng)多年的技術(shù)沉淀，接地網(wǎng)在線監(jiān)測技術(shù)已日趨成熟，本文即以包蘭鐵路包頭西變電所安裝的“接地網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)”為例，簡要介紹接地網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理，并對現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與探討。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

接地網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由變頻功率輸出單元、數(shù)據(jù)采控單元、濾波組件、后臺數(shù)據(jù)處理及控制單元等幾部分組成，如圖1所示。裝置安裝在牽引變電所控制室內(nèi)，其電流極與電壓極設(shè)置在牽引變電所周圍或所內(nèi)比較空曠的區(qū)域。系統(tǒng)采用當(dāng)前最先進(jìn)的數(shù)字選頻測量（電子對抗）技術(shù)，具有超強(qiáng)的抗干擾能力，徹底消除了由工頻感應(yīng)、零序電流、諧波和雜散信號干擾造成的測量誤差。裝置采用正弦波大功率信號源作為測試電源，多頻點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，克服了雙點(diǎn)異頻插值法的局限性。

圖1 接地網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

1.2 系統(tǒng)工作原理

1.2.1 接地電阻測試

“接地電阻”值表征發(fā)生接地故障或雷擊時接地網(wǎng)上的絕對電壓升高程度，如果能將絕對電壓升高限制在一定的安全范圍內(nèi)，則相對電壓升高水平也較易被控制，可確保設(shè)備及人身安全，所以，“接地電阻”被看作為衡量接地網(wǎng)安全水平之首要因素[1]。接地電阻監(jiān)測原理如圖2所示。系統(tǒng)在監(jiān)測接地電阻時，采用大功率異頻設(shè)備在被測接地網(wǎng)與電流極間激起回路電流，使用多路電壓采集器同步采集各被測設(shè)備與電壓極之間的電壓波形，通過濾波分析計算各設(shè)備與零電位之間的異頻電壓差，即通過監(jiān)測53=53/53的變化趨勢，監(jiān)測被測接地網(wǎng)接地阻抗的變化趨勢。監(jiān)測系統(tǒng)輸出頻率為45～55 Hz，通過高精度選頻與自動換擋技術(shù)，根據(jù)被測阻值變化自動切換量程，保證高低量程范圍的測量精度。

圖2 接地電阻監(jiān)測原理

1.2.2 接地體腐蝕診斷

牽引變電所接地網(wǎng)敷設(shè)完成后，隨著時間的推移，由于受土壤環(huán)境的電化學(xué)、化學(xué)和物理等因素影響，容易造成接地導(dǎo)體發(fā)生嚴(yán)重腐蝕、斷裂，并因此導(dǎo)致系統(tǒng)事故。目前對于接地網(wǎng)的檢修，均是在發(fā)現(xiàn)其阻值嚴(yán)重超標(biāo)或引發(fā)相關(guān)事故后，再通過人工選點(diǎn)開挖尋找接地網(wǎng)故障點(diǎn)或腐蝕段，該方法通常具有盲目性、開挖工作量大、速度慢等缺點(diǎn)，不利于接地網(wǎng)故障的及時排查。

接地網(wǎng)在線監(jiān)測系統(tǒng)利用電路網(wǎng)絡(luò)和矩陣?yán)碚搶?shí)現(xiàn)腐蝕診斷功能，如圖3所示。接地網(wǎng)的所有節(jié)點(diǎn)和支路均埋設(shè)于地下，可將其看作一個純電阻網(wǎng)絡(luò)，即“黑匣子”，而站內(nèi)各電氣設(shè)備的接地引線即為該“黑匣子”網(wǎng)絡(luò)的可及節(jié)點(diǎn)或可測點(diǎn)。顯然，端口電阻的大小不僅取決于接地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，還取決于整個接地網(wǎng)中每個導(dǎo)體的電阻值[2]。如果接地網(wǎng)中某個導(dǎo)體發(fā)生腐蝕或斷裂，其電阻增大，則端口電阻也隨之發(fā)生相應(yīng)變化。通過測量端口電阻的變化，應(yīng)用適當(dāng)?shù)乃惴▉泶_定接地網(wǎng)各段導(dǎo)體的阻值變化，即可對接地網(wǎng)的腐蝕狀態(tài)進(jìn)行量化評估，節(jié)省大量的人力、物力。

圖3 接地網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

定義圖3中接地網(wǎng)節(jié)點(diǎn)總數(shù)為，支路總數(shù)為，任意導(dǎo)體電阻為k，節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的端口電阻為R，節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間支路為“支路+1”。定義電路網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)矩陣為，為支路導(dǎo)納矩陣，N為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，為支路電壓矩陣，N為節(jié)點(diǎn)電位矩陣，s為電壓源列向量，為支路電流矩陣。

根據(jù)電路理論，節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣為

N =T（1）

由基爾霍夫電流和電壓定律，可得

=0 （2）

=T（3）

支路電流方程為

=T+s（4）

將式（4）代入式（2）可得節(jié)點(diǎn)電位方程，即

通過測量的端口電阻可得

U+1=RI+1=-RI0（6）

腐蝕或斷裂前后的接地網(wǎng)具有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只是2個電路網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)體電阻不同。通過式（7）可以計算出第k段導(dǎo)體的電阻變化DR。

經(jīng)過接地網(wǎng)接地引線流入大地的電流是按恒流場原理分布的，滿足能量最低原理。

接地網(wǎng)每段導(dǎo)體變化后的實(shí)際電阻為

接地網(wǎng)消耗的能量為

式（9）即為接地網(wǎng)腐蝕、斷裂診斷模型的目標(biāo)函數(shù)，可將其進(jìn)一步簡化為[3]

接地網(wǎng)腐蝕或斷裂時，導(dǎo)體電阻增大，即DR≥0 (=1,2,3,…,)。因此其約束條件由等式約束條件（7）和電阻增量的非負(fù)約束2部分組成，再加目標(biāo)函數(shù)式（10）就構(gòu)成了接地網(wǎng)腐蝕、斷裂診斷的數(shù)學(xué)模型[4]。

通過求解方程組，可得每個導(dǎo)體電阻的變化量DR，將DR和R相比較，可以得到相對變化量，通過相對變化量判斷接地網(wǎng)導(dǎo)體的腐蝕或斷裂情況，然后綜合判斷腐蝕、斷裂點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析

該接地電阻監(jiān)測試制系統(tǒng)于2016年9月底安裝調(diào)試完成，并投入運(yùn)行，收集約1年的監(jiān)測數(shù)據(jù)，接地電阻數(shù)據(jù)變化趨勢如圖4所示。

2.1 接地電阻監(jiān)測數(shù)據(jù)

從整體上看，2016年9月—2017年2月，由于進(jìn)入旱季，所測電阻數(shù)據(jù)呈上升趨勢，電阻值從0.49W增大至0.508W，升高約3.5%；2017年4月—7月進(jìn)入雨季，所測接地電阻數(shù)據(jù)呈下降趨勢，電阻值從0.508W降低至0.47W，降低約7.5%；2017年7月之后電阻值又開始上升，接地電阻值隨季節(jié)變化呈周期變化趨勢。

圖4 接地電阻變化趨勢

從局部上看，區(qū)間數(shù)據(jù)呈鋸齒狀變化，如圖5所示。當(dāng)遇有雨雪天氣（圖中箭頭標(biāo)記處），由于濕度增加，土壤導(dǎo)電性能提高，所測電阻值突然變小，之后隨著土壤水分流失而緩慢上升。

圖5 接地電阻局部變化趨勢

2.2 工頻干擾

所測牽引變電所為110 kV進(jìn)線，主變采用V/V接線，接觸網(wǎng)供電方式為直供加回流，正常運(yùn)行時有系統(tǒng)回流或工頻零序電流注入地網(wǎng)，該電流在向遠(yuǎn)方擴(kuò)散過程中必然對測試產(chǎn)生較大的工頻干擾。圖6所示為在線監(jiān)測裝置監(jiān)測到的工頻干擾電壓趨勢數(shù)據(jù)。

從圖6可以看出，工頻干擾電壓在2016年9月—2017年4月期間整體呈下降趨勢，最大值約 8 V，最小值約1 V，后期一直在3～5 V之間徘徊，放大圖形可以看出，工頻干擾具有很強(qiáng)的周期性，如圖7所示。

圖6 工頻干擾電壓趨勢

圖7 工頻干擾電壓趨勢局部圖

由圖7可以看出，凌晨2點(diǎn)時刻的干擾值明顯小于其他時段，該現(xiàn)象是由于相比白天而言夜間機(jī)車數(shù)量較少，變電所負(fù)荷較輕所致。

2.3 試驗(yàn)電流變化

圖8為試驗(yàn)電流趨勢圖，可以看出，試驗(yàn)電流53總體呈現(xiàn)先下降再上升趨勢，在2017年2月—3月間達(dá)到最低值，其后因進(jìn)入雨季，土壤導(dǎo)電性能改善使得電流數(shù)據(jù)呈鋸齒狀抬升。

圖8 試驗(yàn)電流趨勢

2.4 腐蝕診斷監(jiān)測

腐蝕診斷系統(tǒng)測點(diǎn)布置如圖9所示，在110 kV進(jìn)線區(qū)、主變區(qū)、主控室、高壓室等設(shè)備聚集區(qū)域敷設(shè)共計13路監(jiān)測點(diǎn)，組成13節(jié)點(diǎn)的電路網(wǎng)絡(luò)。按前述方法對各端口電阻進(jìn)行測試，由于該站接地網(wǎng)完成大修維護(hù)不滿一年（地下接地體全部更換為純銅材質(zhì)），因此各端口所測到的R和DR均非常小，各R均小于10 mW，DR更是低于1 mW，經(jīng)內(nèi)部優(yōu)化計算，系統(tǒng)最終判斷結(jié)論是各接地導(dǎo)體連接良好，且無明顯腐蝕跡象。

圖9 現(xiàn)場測點(diǎn)布置

3 結(jié)語

通過應(yīng)用接地網(wǎng)在線監(jiān)測技術(shù)，可以使相關(guān)部門及時掌握接地網(wǎng)的性能狀態(tài)，快速制定應(yīng)急處理措施，有效預(yù)防人身及設(shè)備安全事故?；趯Υ罅繉?shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，可全面研究各類接地網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)特征，總結(jié)各類接地網(wǎng)的設(shè)計缺陷，掌握外界因素對其安全性能的影響，為制定相應(yīng)的接地網(wǎng)整改措施提供科學(xué)依據(jù)，并為接地網(wǎng)的研究方向提供參考。

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Analyzing is made for earthing resistance test principles for earthing network of traction substation, an online monitoring system is developed, on the basis of a mathematical model for corrosion and breaking diagnosis of earthing network deduced from the circuitry network and matrix theory, and is put into trial operation in the traction substation; the monitoring accuracy of the online monitoring system is verified after comparison of tested data.

Traction substation; earthing network; online monitoring; industrial frequency interference

U224.2+5

B

1007-936X(2018)02-0005-04

2018-01-15

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.02.002

史耀政.中國鐵路呼和浩特局集團(tuán)有限公司供電處，高級工程師；劉立超.中國鐵路呼和浩特局集團(tuán)有限公司供電處，工程師。