淺談變電站接地網(wǎng)故障診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀

王詩雅　王幫亮　高淑萍

【摘 要】維持電力系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運行，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按要求利用接地引下線將電氣設(shè)備和接地網(wǎng)連接起來，保障接地網(wǎng)運行性能的良好，供應(yīng)電力系統(tǒng)的可靠運行。基于此安全性的要求，本文首先分析變電站接地網(wǎng)發(fā)生故障時，容易造成的實質(zhì)性危害情況，接著立足于此深入分析比較典型的變電站接地網(wǎng)故障檢測方法，最終在分析變電站接地網(wǎng)故障診斷技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，談?wù)勚饕收显\斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

【關(guān)鍵詞】變電站；接地網(wǎng)故障；故障診斷技術(shù)

中圖分類號： TM862 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）14-0156-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.071

0 引言

近些年來，隨著社會生產(chǎn)力水平的持續(xù)走高，國內(nèi)對于電力系統(tǒng)的建設(shè)取得了前所未有的顯著成就，同時還對接地網(wǎng)的安全性和可靠性提出了更高的要求。相對于國內(nèi)目前的大型變電站或者發(fā)電廠來講，接地網(wǎng)屬于比較隱蔽的支持裝置，通常以獨立的形式被埋于地下，直接影響到變壓器、斷路器、電壓互感器等多項設(shè)備的運行情況，一旦引發(fā)接地網(wǎng)故障，所造成的社會不良影響往往難以在短時間內(nèi)消解。

1 變電站接地網(wǎng)故障造成的實質(zhì)性危害

1.1 導(dǎo)致停電事故的發(fā)生

一旦變電站的接地網(wǎng)出現(xiàn)了故障問題，極容易導(dǎo)致變電站停電事故的發(fā)生。像是廣西合山電廠的110kV開關(guān)站，先是A相出現(xiàn)了接地故障問題，此后逐步引發(fā)了兩相短路甚至三相短路事故，最終導(dǎo)致整個電廠出現(xiàn)了停電事故，究其事故的主要原因，正是因為地面以下的接地網(wǎng)接地引下線，出現(xiàn)了大段的嚴(yán)重腐蝕現(xiàn)象。

1.2 加劇接地網(wǎng)腐蝕程度

曾經(jīng)有一次，廣東省的中試所在檢測站內(nèi)120多座已經(jīng)運行了至少十年的變電站時，主要采用了開挖檢測故障的方式，結(jié)果在檢測過程中發(fā)現(xiàn)至少存在60座變電站的接地網(wǎng)出現(xiàn)了故障現(xiàn)象。其中尤為明顯的故障問題，主要在于變現(xiàn)站接地網(wǎng)的虛焊、漏焊或者腐蝕情況，導(dǎo)致其中幾座已經(jīng)運行了將近20年的變電站，接地網(wǎng)位置均壓導(dǎo)體總面積的80%甚至已經(jīng)被嚴(yán)重腐蝕掉。除此之外，另有一些設(shè)備導(dǎo)體存在著多處斷裂點，一些接地網(wǎng)均壓導(dǎo)體的圓鋼材料，甚至已經(jīng)被故障腐蝕成細(xì)條形狀，嚴(yán)重影響了變電站的運行安全。

1.3 損壞接地網(wǎng)運行設(shè)備

很多時候，在變電站接地網(wǎng)出現(xiàn)電氣連接不良問題的基礎(chǔ)上，都會導(dǎo)致接地網(wǎng)的局部散流性能逐漸降低，最終反而容易使得變電站接地故障造成的危害進一步擴大。一些變電站出現(xiàn)的接地故障問題，往往在于系統(tǒng)發(fā)生了兩相短路接地故障，導(dǎo)致接地點和異相異點接地出現(xiàn)短路現(xiàn)象，招致故障電流燒壞了少數(shù)接地連接母線，加劇了電氣設(shè)備的過電壓程度。最終，隨著接地網(wǎng)故障時間的逐漸延長，變電站主控室的設(shè)備面臨著被故障損壞的風(fēng)險，進一步加劇接地網(wǎng)運行設(shè)備的損壞程度。

2 典型的變電站接地網(wǎng)故障檢查測試方法

2.1 自然電場檢測方法

自然電場檢測方法屬于物理檢測方法的主要類型，能夠直接測量金屬管道的腐蝕情況，從而在得到自然電位信息的情況下，盡快確定導(dǎo)致接地網(wǎng)出現(xiàn)故障問題的具體腐蝕位置。這種檢測方法的好處在于出錯率較小，此后隨著研究的深入出現(xiàn)了以金屬管道作為傳輸信號的電位自動測量方法，一定程度上能夠提高檢測接地網(wǎng)故障的效率，只是面臨著一些研究方面的瓶頸難題[1]。

2.2 電阻率的檢測方法

如今對于電阻率法的研究逐漸多了起來，主要在于電阻率法的檢測效果非常明顯。這種檢測技術(shù)能夠利用對稱四極方法，直接檢測土壤所含的電阻率，再結(jié)合得到的測量結(jié)果檢測接地網(wǎng)的實際腐蝕程度。只是該技術(shù)的研究多集中在對于接地網(wǎng)故障的診斷方面，目前還難以做到利用該檢測技術(shù)，準(zhǔn)確判斷接地體的具體故障情況，尤其對于水平網(wǎng)格狀均壓導(dǎo)體故障的檢測效果更不明顯。

2.3 極化阻抗檢測方法

對于一些像是管道圖層出現(xiàn)了破損點的變電站接地故障情況，使用極化阻抗檢測方法的檢測效果比較明顯，只是無法直接診斷接地網(wǎng)的故障情況。隨著研究程度的深入，技術(shù)人員往往可以直接向管道施加激勵脈沖，測量金屬在正常情況下以及腐蝕故障情況下的電導(dǎo)率變化情況，從而對電磁參數(shù)的穩(wěn)定性進行測量，最終在得知磁導(dǎo)率以及電導(dǎo)率診斷數(shù)據(jù)的前提下，就可以直接對變電站的接地網(wǎng)進行有效的故障診斷，未來對于該技術(shù)的研究還將取得進一步的突破，使其能夠為變電站接地網(wǎng)故障的診斷提供更具客觀性的參考。

3 變電站接地網(wǎng)故障診斷技術(shù)的研究現(xiàn)狀

3.1 電阻抗掃描成像技術(shù)的研究現(xiàn)狀

變電站接地網(wǎng)屬于非常關(guān)鍵的具有輸變電功能的設(shè)備，能夠幫助電力系統(tǒng)實現(xiàn)與地面的安全連接，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供零電位參考點，因此可以有效保護電力系統(tǒng)所含設(shè)備以及相關(guān)人員的安全性。一般來說，接地網(wǎng)的主體結(jié)構(gòu)均壓導(dǎo)體被鋪設(shè)在地面以下，容易受到土壤腐蝕、焊接不良等因素的影響，加劇接地網(wǎng)導(dǎo)體和接地引線的腐蝕程度，逐漸演變成容易導(dǎo)致電氣連接不良的潛在故障隱患。電阻抗掃描成像技術(shù)正是當(dāng)前引起廣泛關(guān)注的新型變電站接地網(wǎng)故障診斷技術(shù)，主要原理基于接地網(wǎng)可以被等效視為純電阻網(wǎng)絡(luò)，通過計算能夠檢測到接地網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)體每部分支路的電阻數(shù)值，經(jīng)過比較就可以得知接地網(wǎng)出現(xiàn)腐蝕或者斷裂現(xiàn)象的具體位置。立足于電阻抗掃描成像技術(shù)，可以將接地網(wǎng)的每一個節(jié)點視為一項參考點，向每個點注入激勵電流源即可得知任意點和參考點之間的電壓數(shù)值，此后便可以運用正則化技術(shù)根據(jù)靈敏度構(gòu)建的矩陣，輪換測試接地網(wǎng)的多個節(jié)點，繼而通過數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建，順利檢測到接地網(wǎng)的電阻抗，打造能夠檢測接地網(wǎng)故障的診斷裝置，準(zhǔn)確測量出接地網(wǎng)的腐蝕斷點位置[2]。

3.2 電磁場分析檢測接地網(wǎng)腐蝕斷點

就目前而言，技術(shù)人員使用電磁場分析的方法，檢測變電站接地網(wǎng)的腐蝕斷點故障，屬于研究較為廣泛的一項接地網(wǎng)故障診斷技術(shù)。這種接地網(wǎng)故障診斷技術(shù)，主要的診斷依據(jù)是電磁感應(yīng)原理，能夠通過向接地網(wǎng)注入正弦波激勵電流的形式，檢測出地面磁感應(yīng)的大致分布規(guī)律，此后再逐步根據(jù)地面腐蝕程度的差異，率先考量出地面磁感應(yīng)強度的分布情況，通過與接地網(wǎng)正常情況下的磁感應(yīng)強度分布規(guī)律進行對比，能夠有效診斷接地網(wǎng)的腐蝕情況。例如，首先可應(yīng)用CDEGS仿真模型，率先建立起類似于接地網(wǎng)運行情況的仿真模型，以便評估接地網(wǎng)運行基礎(chǔ)上電力系統(tǒng)的安全性能。接著，此后再逐漸對土壤結(jié)構(gòu)、接地網(wǎng)網(wǎng)格導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、電流注入位置，這三種容易對接地網(wǎng)地面磁感應(yīng)強度情況的因素構(gòu)建仿真模型，之后再與接地網(wǎng)導(dǎo)體在受到局部腐蝕影響下的磁感應(yīng)強度分布情況進行對比，有效診斷接地網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)是否處于正常[3]。此后，再逐漸利用Matlab軟件對程序進行編寫，計算接地網(wǎng)在不同腐蝕程度影響下，磁感應(yīng)強度的分布規(guī)律，繼而針對性的得到有關(guān)于接地網(wǎng)狀態(tài)的科學(xué)診斷結(jié)果。

3.3 以診斷方程檢測變電站接地腐蝕

在正常情況下，接地網(wǎng)主要被埋設(shè)在地面以下，通過扁鋼或者水平圓鋼的相互連接，構(gòu)建成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在剛設(shè)計完畢之初可以直接根據(jù)導(dǎo)體長度、橫截面積以及土壤電阻率等指標(biāo)，計算最為初始的電阻數(shù)值。但是，在接地網(wǎng)運行多年時間以后，一部分導(dǎo)體支路會逐漸出現(xiàn)腐蝕或者斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致部分支路所產(chǎn)生的導(dǎo)體電阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于原始數(shù)值。結(jié)合接地網(wǎng)受到腐蝕前后的狀態(tài)來看，明顯能夠發(fā)現(xiàn)存在兩種具有相似拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、不同導(dǎo)體支路電阻的接地網(wǎng)電阻網(wǎng)絡(luò)，在這種情況下可以直接根據(jù)電網(wǎng)絡(luò)理論原理，得到每個端口電阻的具體數(shù)值。這時，接地網(wǎng)已經(jīng)開始出現(xiàn)了腐蝕現(xiàn)象，再加上接地網(wǎng)和變電站電氣設(shè)備主要靠接地引來連接，因此在測量接地引下線之間的電阻值，可以直接了解到在接地網(wǎng)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象前后，每個端口電阻數(shù)值的實際變化情況。根據(jù)特勒根定理，能夠發(fā)現(xiàn)接地網(wǎng)支路電阻和端口電阻之間的變化關(guān)系，此時可以建立故障診斷方程，根據(jù)計算得到的接地網(wǎng)腐蝕前后的支路導(dǎo)體電阻值數(shù)據(jù)，檢測到接地網(wǎng)各支路的腐蝕程度。

3.4 接地網(wǎng)故障智能診斷系統(tǒng)的研究

目前各行各業(yè)的生產(chǎn)模式都在逐步向現(xiàn)代化、智能化進行轉(zhuǎn)變，在接地故障診斷技術(shù)的研究方面，逐漸出現(xiàn)了接地網(wǎng)故障智能診斷系統(tǒng)技術(shù)，具有劃時代的意義。接地網(wǎng)故障智能診斷系統(tǒng)的運行原理，主要在于主測量控制系統(tǒng)，能夠幫助把控電流激勵源的具體注入位置，向變電站接地網(wǎng)傳輸穩(wěn)定的電流激勵信號，使其能夠保證測量系統(tǒng)的正常運行。接著，測量系統(tǒng)能夠收集到接地網(wǎng)接地引線附近的電位值情況，直接將其與未發(fā)生故障時接地引下線節(jié)點的電位值進行對比，得到詳細(xì)的對比參數(shù)之后，就可以直接判斷接地網(wǎng)的實際運行狀態(tài)，從而有效衡量接地網(wǎng)裝置出現(xiàn)腐蝕情況的具體位置以及實際腐蝕程度，極大的提高了接地網(wǎng)故障的檢測效率。這項接地網(wǎng)故障智能診斷系統(tǒng)的運行，主要依賴于PC平臺的正常作業(yè)，之后便可以利用PC平臺里面高性能的軟件系統(tǒng)資源，設(shè)計能夠檢測接地網(wǎng)故障情況的硬件電路，直接對現(xiàn)場的測量作業(yè)進行收集、輸送以及把控，利于直接利用軟件系統(tǒng)以及硬件結(jié)構(gòu)的智能化優(yōu)勢，實現(xiàn)對于接地網(wǎng)故障的詳細(xì)分析與診斷。

4 結(jié)束語

綜上所述，隨著電力能源在社會生產(chǎn)環(huán)節(jié)地位的提高，社會公眾對于電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性提出了新的要求，使得變電站頻發(fā)的接地網(wǎng)故障情況，引起了社會公眾的廣泛關(guān)注。結(jié)合國內(nèi)外現(xiàn)有的研究資料來看，對于變電站接地網(wǎng)故障的診斷技術(shù)，很大程度上還停留在理論研究的層面，可有效應(yīng)用于生產(chǎn)實踐的故障診斷新技術(shù)實屬不多見，因此還需進一步探索研究有效的診斷技術(shù)，全力提高故障診斷效率。

【參考文獻】

[1]陳建偉，錢洲亥，胡家元.電阻抗掃描成像技術(shù)在變電站接地網(wǎng)故障診斷中的應(yīng)用研究[J].浙江電力，2017，36（10）：27-30.

[2]盧銀花.氣體絕緣變電站接地網(wǎng)的沖擊特性和地表電位計算分析[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2017.

[3]張瑞強.變電站接地網(wǎng)接地性能及其故障診斷成像系統(tǒng)研究[D].重慶大學(xué)，2014.