張 巍，鐘著輝，李 煒，劉 洋，燕子飛，楊 毅，梁淵然，李 鵬

（1.湖北科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院，湖北咸寧437000；2.常德供電公司，湖南常德415000）

0 引言

變電站接地網(wǎng)是由垂直和水平接地極組成，供全站高低壓電氣設(shè)備、低壓交流供電系統(tǒng)、電纜屏蔽、通信、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備以及變電站維護(hù)檢修時(shí)一些臨時(shí)接地所使用，往往采用室外多接地極開(kāi)環(huán)，室內(nèi)少接地極閉環(huán)結(jié)構(gòu)，其腐蝕斷裂往往會(huì)造成嚴(yán)重后果，對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備和人員將造成危害：1）由于“N”點(diǎn)虛接地或不接地，站用變相電壓不穩(wěn)定，造成設(shè)備過(guò)壓或欠壓，同時(shí)也會(huì)影響直流系統(tǒng)的正常運(yùn)行；2）直流系統(tǒng)接地查找即為繼電保護(hù)及其自動(dòng)化裝置、通信裝置、后臺(tái)、事故照明、應(yīng)急電源及斷路器分、合閘操作供電的直流系統(tǒng)發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)的查找，一般采用接地查找儀進(jìn)行，由于地為“假接地”，用接地查找儀很難判斷；3）電纜屏蔽層環(huán)流使得二次設(shè)備絕緣破壞，高壓竄入主控室，使保護(hù)和自動(dòng)化裝置發(fā)生誤動(dòng)或拒動(dòng)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失等。而為了找出故障位置，現(xiàn)場(chǎng)工作往往采用大面積掀電纜溝蓋板來(lái)排查，此種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，就此國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[1]提出了應(yīng)用電網(wǎng)絡(luò)和矩陣?yán)碚摻⒐收显\斷方程，并采用能量最低原理解決欠定方程求解問(wèn)題；文獻(xiàn)[2]采用靈敏分析法來(lái)進(jìn)行故障診斷；文獻(xiàn)[3]在文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的故障診斷測(cè)量方案；文獻(xiàn)[4]采用在可及節(jié)點(diǎn)中輪換電流源激勵(lì)的位置建立增廣故障診斷方程來(lái)解決問(wèn)題；文獻(xiàn)[5]針對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，基于特勒根和最優(yōu)化方法進(jìn)行故障診斷。筆者在文獻(xiàn)[3]基礎(chǔ)上，根據(jù)變電站一般由主控制室、室外開(kāi)關(guān)場(chǎng)和室內(nèi)開(kāi)關(guān)場(chǎng)三部分組成的特點(diǎn)，先利用電焊機(jī)接地扁鐵來(lái)進(jìn)行粗定位，確定含故障點(diǎn)部分，再運(yùn)用電網(wǎng)絡(luò)理論，通過(guò)Matlab編程仿真，對(duì)含故障點(diǎn)部分進(jìn)行細(xì)定位，進(jìn)而可以快速精確找到故障點(diǎn)。最后通過(guò)實(shí)例分析驗(yàn)證了該方法的快速性和有效性。

1 基本原理

1.1 接地網(wǎng)故障定位基本思想

由銅排焊接構(gòu)成的變電站接地網(wǎng)可以等效成一純電阻網(wǎng)絡(luò)[6-8]，如圖1所示。變電站接地網(wǎng)鋪設(shè)完畢后，由于材料、電阻率等都已固定，其每段的接地網(wǎng)導(dǎo)體阻值也基本不變。當(dāng)接地網(wǎng)中某些導(dǎo)體發(fā)生腐蝕和斷裂時(shí)，反映出來(lái)的電阻必將增大，其任意兩個(gè)可及節(jié)點(diǎn)（即接地引下線）之間的電阻也必然發(fā)生對(duì)應(yīng)變化。

接地網(wǎng)故障定位基本原理就是先通過(guò)電焊機(jī)接地扁鐵來(lái)進(jìn)行粗定位，確定故障區(qū)域，然后測(cè)量故障區(qū)域接地網(wǎng)可及節(jié)點(diǎn)之間的電阻，根據(jù)該電阻的測(cè)量值和給定接地網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用電網(wǎng)絡(luò)理論求出接地網(wǎng)每一段導(dǎo)體實(shí)際電阻值，并根據(jù)求得的導(dǎo)體增大倍數(shù)來(lái)判斷導(dǎo)體腐蝕或者斷裂等情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)接地網(wǎng)故障定位。

圖1 接地網(wǎng)電阻等效模型Fig.1 The equivalent model of grounding grid resistance

1.2 接地網(wǎng)故障定位數(shù)學(xué)模型

接地網(wǎng)故障定位數(shù)學(xué)模型是以電網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，建立數(shù)學(xué)模型如下：接地網(wǎng)電阻模型由N個(gè)節(jié)點(diǎn)、K條支路、M個(gè)可及節(jié)點(diǎn)組成，并在兩可及節(jié)點(diǎn)i、j間接一電壓源（此時(shí)新增一條支路編號(hào)為K+1），如圖1所示。采用電網(wǎng)絡(luò)理論[9-13]得到如下關(guān)系式：

式中：GN為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣；A為等效接地網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)矩陣；G為支路導(dǎo)納矩陣；UN為節(jié)點(diǎn)電壓矩陣；US為支路電壓源矩陣；U為支路電壓矩陣；I為支路電流矩陣。

由公式（3）、（4）得出可及節(jié)點(diǎn)間電阻為

式中：K為支路總數(shù)；R1、R2.....RK分別為各接地網(wǎng)支路電阻值；UK+1、IK+1分別為U和I中的元素，并對(duì)應(yīng)于第K+1條支路的電壓和電流。

根據(jù)不同的可及節(jié)點(diǎn)可得到一系列非線性方程。

有約束條件的最優(yōu)解為

式中為接地網(wǎng)導(dǎo)體電阻增量為端口電阻增量。

得到導(dǎo)體支路增大倍數(shù)為

式（8）中：η為增大倍數(shù)，Rh、Rq分別為接地網(wǎng)故障后支路電阻矩陣和接地網(wǎng)故障前支路電阻矩陣。

1.3 接地網(wǎng)故障判定依據(jù)

根據(jù)式（8）可以得出接地網(wǎng)中各個(gè)支路電阻增大倍數(shù)η，將其作為判斷接地網(wǎng)腐蝕斷裂的依據(jù)[3]，接地網(wǎng)導(dǎo)體支路故障程度判定標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1所示。

表1 接地網(wǎng)導(dǎo)體支路故障程度判定標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Criterion for fault degree of conductor branch of grounding grid

1.4 接地網(wǎng)故障定位基本數(shù)據(jù)測(cè)量

為了對(duì)故障接地網(wǎng)進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)定位，必須對(duì)接地網(wǎng)可及節(jié)點(diǎn)間的端口電阻進(jìn)行測(cè)量。一般端口電阻值會(huì)非常小，但往往由于測(cè)量引線和接觸電阻的影響（往往電阻測(cè)試儀無(wú)法消除該部分影響），可采用最基本的均壓法來(lái)進(jìn)行端口電阻測(cè)量，如圖2所示。用外接電源給該網(wǎng)絡(luò)某兩個(gè)可及節(jié)點(diǎn)間加電源，與此同時(shí)串接一個(gè)高精度電阻，測(cè)量得到V1和V2，根據(jù)分壓原理得到：

注意測(cè)量時(shí)的電源引線必須于電壓測(cè)量引線下方，方可避免接觸電阻的影響。

圖2 端口電阻測(cè)量Fig.2 The measurement of port resistance measurement

1.5 電焊機(jī)與接地扁鐵關(guān)系及應(yīng)用

電焊機(jī)的工作原理是利用短路產(chǎn)生的大量熱量將焊條熔化在焊件上，其簡(jiǎn)單工作原理如圖3所示。在新建變電站和大修技改中，無(wú)論是一次構(gòu)架連接或是保護(hù)室內(nèi)保護(hù)屏的固定等，電焊機(jī)都是必不可缺的工具。電焊機(jī)操作過(guò)程中往往出現(xiàn)電焊不正常現(xiàn)象，往往與接地扁鐵是否連接可靠，形成接地短路回路有關(guān)。根據(jù)這一特點(diǎn)，可以用于變電站接地網(wǎng)故障定位的粗判斷，通過(guò)將電焊機(jī)三相電源接于室外檢修電源箱處，通過(guò)N點(diǎn)與接地網(wǎng)連接，構(gòu)成一點(diǎn)接地，然后通過(guò)將接地扁鐵分別與室外開(kāi)關(guān)場(chǎng)、主控制室和室內(nèi)開(kāi)關(guān)場(chǎng)構(gòu)成的T型區(qū)域接地網(wǎng)相連，電焊機(jī)能否進(jìn)行正常點(diǎn)焊工作進(jìn)行初步粗判斷，若電焊機(jī)能夠正常點(diǎn)焊，即說(shuō)明該區(qū)域內(nèi)無(wú)腐蝕斷裂現(xiàn)象，否則應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步進(jìn)行定位查找。

圖3 電焊機(jī)工作原理Fig.3 Working principle of the welder

室外開(kāi)關(guān)場(chǎng)、主控制室和室內(nèi)開(kāi)關(guān)場(chǎng)構(gòu)成的T型區(qū)域?yàn)棰賲^(qū)域，如圖4所示。其判別方法如下：

1）若①靠近110 kV側(cè)及10 kV室內(nèi)能正常點(diǎn)焊，而主控室內(nèi)點(diǎn)焊不成功，則初步可判斷主控制室內(nèi)發(fā)生了接地網(wǎng)腐蝕斷裂現(xiàn)象并進(jìn)行細(xì)定位。

2）若①靠近110 kV側(cè)及主控室內(nèi)能正常點(diǎn)焊，而10kV室內(nèi)點(diǎn)焊不成功，則初步可判斷10 kV室內(nèi)發(fā)生了接地網(wǎng)腐蝕斷裂現(xiàn)象并進(jìn)行細(xì)定位。

3）若①靠近110 kV側(cè)點(diǎn)焊不成功，則不能排除任何區(qū)域，需對(duì)每個(gè)部分進(jìn)行下一步的細(xì)定位工作。

圖4 T型分布區(qū)域Fig.4 T distribution

2 變電站接地網(wǎng)診斷現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證該方法的正確性，對(duì)湖南常德某110 kV變電站接地網(wǎng)腐蝕斷裂情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用。2015年10月20日，工作人員在進(jìn)行漢壽某110 kV變電站全站綜自改造前的施工準(zhǔn)備時(shí)，發(fā)現(xiàn)整個(gè)變電站主接地網(wǎng)出現(xiàn)不通，并采用了該方法進(jìn)行腐蝕斷裂點(diǎn)排查。

1）施工場(chǎng)地自帶檢修電源箱接于室外檢修電源箱處的三相交流電源，電焊機(jī)接于該檢修電源箱上，通過(guò)電焊機(jī)接地扁鐵進(jìn)行粗判斷：主控制室內(nèi)接地網(wǎng)良好，室外110 kV設(shè)備區(qū)和室內(nèi)10 kV設(shè)備區(qū)分別存在接地網(wǎng)故障。

2）對(duì)于室內(nèi)10 kV設(shè)備區(qū)，由于室內(nèi)擁有空調(diào)等恒溫措施，發(fā)生接地網(wǎng)腐蝕斷裂的概率很低，往往出現(xiàn)腐蝕斷裂的地點(diǎn)為室與室之間的連接位置，通過(guò)翻開(kāi)主控室進(jìn)入10 kV高配室內(nèi)的蓋板發(fā)現(xiàn)電纜溝內(nèi)接地銅排已缺失了一部分，10 kV設(shè)備區(qū)地網(wǎng)與大地“失聯(lián)”，定位準(zhǔn)確，如圖5所示。

3）對(duì)室外110kV設(shè)備區(qū)進(jìn)行腐蝕斷點(diǎn)分析，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)（可及節(jié)點(diǎn)）分布圖見(jiàn)圖6?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)的變電站設(shè)備和測(cè)量結(jié)果如表2所示。

圖5 10 kV室內(nèi)接地網(wǎng)斷裂點(diǎn)Fig.5 The fracture point of 10 kV indoor grounding grids

圖6 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)（可及節(jié)點(diǎn)）分布Fig.6 Distribution of field test point(accessible nodes)

表2 12號(hào)為參考點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果Table 2 Measurement result of 12 for reference points

通過(guò)查閱變電站內(nèi)接地網(wǎng)拓?fù)鋱D紙和以前接地網(wǎng)電阻測(cè)試報(bào)告，通過(guò)本文定位數(shù)學(xué)模型進(jìn)行Matlab編程仿真得到各導(dǎo)體支路電阻增大倍數(shù)如圖7所示。其中導(dǎo)體支路有1（1-2）、2（2-3）、3（3-4）、4（4-12）、5（12-17）、6（16-17）、7（16-13）、8（13-1）、9（13-14）、10（14-15）、11（15-12）、12（12-10）、13（10-11）、14（11-13）、15（5-13）、16（5-6）、17（6-7）、18（7-8）、19（8-9）、20（9-12）、21（1-5）、22（5-11）、23（1-6）、24（6-14）、25（14-16）、26（2-7）、28（7-17）、29（3-10）、30（10-17）、31（3-8）、32（8-12）、33（4-9）、34（9-15）、35（15-17）。

圖7 各支路電阻增大倍數(shù)Fig.7 Increasing multiples of each branch resistance

接地網(wǎng)導(dǎo)體支路腐蝕程度如表3所示。

表3 接地網(wǎng)導(dǎo)體支路腐蝕程度Table 3 Corrosion degree of the grounding conductor

從表3中可得出：支路17出現(xiàn)了輕度腐蝕，支路1～16和19～35均出現(xiàn)了中度的腐蝕情況，而支路18則為接地網(wǎng)腐蝕斷裂所在地即為風(fēng)極線502間隔的電流互感器與斷路器側(cè)的接地引出線之間，通過(guò)掀開(kāi)該部分蓋板查找，發(fā)現(xiàn)該處電纜溝內(nèi)銅排發(fā)生了嚴(yán)重腐蝕且已斷裂，如圖8所示。運(yùn)用該方法成功找到了故障斷點(diǎn)位置。

圖8 110 kV室外接地網(wǎng)斷裂點(diǎn)Fig.8 The fracture point of 110 kV outdoor grounding grids

從現(xiàn)場(chǎng)情況和仿真數(shù)據(jù)分析可以進(jìn)一步得出之所以會(huì)造成主接地網(wǎng)大規(guī)模發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，主要是因?yàn)椋?）漢壽位于洞庭湖區(qū)內(nèi)，天然潮濕多雨，接地網(wǎng)銅排極易發(fā)生腐蝕現(xiàn)象；2）該站接地網(wǎng)所選用的導(dǎo)體截面積不夠，根據(jù)相關(guān)規(guī)程應(yīng)采用的是100 mm2的銅排，并做好相應(yīng)防腐防潮工作；3）驗(yàn)收應(yīng)當(dāng)做好把關(guān)，并加強(qiáng)日常運(yùn)行中的接地網(wǎng)接地電阻檢測(cè)的頻度。

3 結(jié)語(yǔ)

筆者提出的接地網(wǎng)故障兩次定位法，有效地縮小了故障查找范圍，避免了算法的冗余，提高了診斷效率，并通過(guò)處理一起變電站現(xiàn)場(chǎng)接地網(wǎng)腐蝕斷裂的案例驗(yàn)證了該方法的正確性和有效性，其適用于110千伏及以上變電站內(nèi)開(kāi)環(huán)或閉環(huán)的接地網(wǎng)的故障定位，為以后變電站接地網(wǎng)故障的現(xiàn)場(chǎng)查找提供了一個(gè)很好參考借鑒。

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