重庆大学硕士学位论文
 
接地网腐蚀的诊断方法研究
A Method for Corrosion Diagnosis of Grounding Grid

摘    要

接地网是变电站实现良好接地的必要设施，但接地网的接地引线和水平均压导体常因多年的土壤腐蚀使接地性能不能满足热稳定性的要求，导致发生接地故障时接地短路电流可能烧坏地网、扩大事故并危及设备和人身安全。由于接地网埋设在地下，工程上一般通过大面积开挖查找接地网断点和腐蚀段，这种方法带有盲目性、工作量极大，影响电力系统的运行。为此，本论文较为系统地分析了接地网腐蚀诊断的基础理论，提出了一套新的诊断方法。
诊断方法运用故障诊断理论（模拟电路故障诊断理论）的基本理论和方法，在经过必要的简化和假设建立接地网模型后，利用特勒根定理生成故障诊断方程，并用数值迭代和最小二乘法的数学方法求解方程。在这些基础上，在MATLAB上编写了计算诊断程序，对小型电阻网络和接地网网络的各种故障情况进行了仿真计算和模拟实验，并分析了现场环境对诊断的影响。之后，到变电站进行了现场试验。模拟实验和现场试验中，对接地引线间电阻的精密测量使用QJ-44型直流双电桥，并用四端钮连接消除测量连接接触电阻的影响。在诊断过程中，本文采取分步逼近诊断的方法，先测量8～10组接地引线间的电阻，利用诊断程序做初步诊断，初步诊断虽不能准确诊断出故障，但可以指明故障的大概区域，接着在这些区域加测一些接地引线再诊断确定故障。本文的研究结果表明：（1）本文方法可以比较方便的诊断出接地网的腐蚀情况，包括腐蚀的位置（区域）和腐蚀的程度。（2）测量用接地引线的选取对诊断有重要的影响，根据接地网在土壤中的腐蚀机理，最好先分析可能腐蚀的区域、重点保障的设备的区域、接地引线的位置分布等实际情况，再决定选取接地引线测量；测量的接地引线太少时可能会有较大的诊断偏差，最终需测量的引线数量经本文总结大概需总节点数的10%。（3）腐蚀支路的电阻增大的计算值与实际值呈一定的对应关系，本文通过模糊诊断规则判断接地网的腐蚀情况；要较精确的求得腐蚀支路的腐蚀程度，需加测它的两端节点间电阻，再用诊断程序计算得出。

关键词：接地网，接地引线，腐蚀，故障，诊断
 
ABSTRACT

The ground grid is necessary to substation grounding, but the ground lead and conductor often corroded by the soil for many years makes the performance fall down and the grid would not meet the heat stability. When the system occur the ground fault, the great short current would burnout the grid, spread the emergency and damage the equipment and staff. Because the grid is under ground, to find the corrosion of the grid, large area cutting is adopted in the engineering. But the method is blind, large and influence the system operating. This paper systematically analyses the theories of the grounding grid corrosion diagnosis, and put forward a novel method to diagnosis. On these bases, miniature resistance and ground grid modes are simulated and tested, and some conclusions are extracted and proved, followed by the research of the influencing factors. In the last, the diagnosis method is used to the field of substations.
Through the research, some ideas can be obtained: (1) The election of nodes has important influence on the result of diagnosis. So it is necessary to analyse possible fault area, key equipment, the distribution of ground lead etc, before measured. The nodes are too few to make the diagnosis departure, and the total of nodes measured need reach 10% of all nodes of the ground grid. (2) The tentative diagnosis sometimes cannot diagnose the real fault, but it is near the real, So the real can be accelerated diagnosing by the result and thought of nearby nodes measured, and the idea of many motivations confirm the real fault. (3) The calculation are not always equal to the real values, though they are monotony. The gap of them will be greater when the corrosion of branch become heavier, and the calculation will be more accurate when measuring the go-and-return nodes of the fault branches. (4) When there is rosin joints in the grid, the tentative fault would be diagnosed near the rosin joints. After adding measured nodes, the real corrosion branch will be diagnosed. (5) The corrosion of ground lead may influence the result of diagnosis. If ground lead corroded is right in the corrosion branch, the stage of corrosion of the fault will be heavier; if not, there are maybe errors though the real fault also can be diagnosed. (6) In the ground grid corrosion diagnosis, there are some influencing factors such as the length of measuring conductors, the departure of mesh, the connection site between ground lead and grid conductor, fragmentary that would effect the result. These factors can be exclused by the method of nearby nodes measured and the thought of many motivations.
Keywords： Ground grid, ground lead, corrosion, fault, diagnosis

目   录

摘    要 II
ABSTRACT II
1  绪论 1
1.1问题的提出及研究意义 1
1.1.1问题的提出 1
1.1.2研究的意义 3
1.2 国内外研究现状 3
1.2.1接地引线腐蚀检测的研究 3
1.2.2 接地网腐蚀和断点检测的研究 3
1.3 本文研究的方法和内容 4
1.4 预期结果和意义 5
2 理论基础 6
2.1 概述 6
2.2 理论基础 6
2.2.1 接地网在土壤中的腐蚀机理 6
2.2.2 故障诊断理论 7
2.2.3模拟电路故障诊断理论 9
2.2.4 数学方法 10
2.3 故障诊断方程的建立 10
2.3.1 基本思想 10
2.3.2 特勒根定理的简介 11
2.3.3 故障诊断方程的建立 12
2.4 计算方法的介绍 15
2.4.1 基本思想 15
2.5 小结 16
3 仿真计算 17
3.1 概述 17
3.2 仿真计算的步骤和测量点的优化方案 17
3.2.1 仿真计算的步骤 17
3.2.2 测量优化方案 18
3.3 小型网络的仿真计算 19
3.3.1 单支路故障的诊断 19
3.3.2 两支路故障的诊断 22
3.3.3 三支路故障的诊断 23
3.4 变电站接地网的仿真计算 25
3.4.1 单支路发生腐蚀的诊断 26
3.4.2  双支路腐蚀 29
3.5 小结 32
4 模拟实验 34
4.1 实验目的 34
4.2 实验内容和试验过程 34
4.3 测试方法及装置 35
4.3.1 直流双电桥 35
4.3.2 四端钮连线法 38
4.4 小型电阻网络的实验 39
4.3.1单支路腐蚀 40
4.3.2双支路腐蚀 41
4.3.3三支路腐蚀 43
4.5 接地网的模拟实验 45
4.5.1  接地网单支路腐蚀的诊断 48
4.5.2 接地引线故障的诊断 50
4.5.3接地网节点虚焊（或漏焊）的诊断 52
4.6 小结 54
5 影响因素 55
5.1 测量引线的影响 55
5.2 接地引线连接位置的影响 56
5.3 接地网网格偏移的影响 58
5.4接地网残缺 60
5.5小结 62
6 结    论 63
致    谢 64
参 考 文 献 65
  
1  绪论
                                                    
1.1问题的提出及研究意义
1.1.1问题的提出
接地是在电气设备和大地之间实现确定的电气连接，它使电气设备的所有部分，在任何时候都能通过提供的低阻抗途径，均衡整个系统的能量并排泄入地，按正常规定公差保存在同一电位。[1]
变电站内集中了重要的电气设备，如发电机、变压器、断路器等，为实现良好的接地，需要满足三个方面的要求：[2]
（1） 工作接地。这是根据电力系统正常运行方式的需要而接地。例如，将三相系统的中性点接地。
（2） 保护接地。这是为了保证人身的安全，将高压电气设备的金属外壳接地。
（3） 防雷接地。这是针对防雷保护的需要，以降低雷电流通过时的地电位升高。
变电站接地是工作接地、保护接地和防雷接地三者的统一，一般的作法是敷设接地网，然后再避雷针和避雷器下加设集中接地体。其中，接地网常用4╳40mm的扁钢或Ф20mm的圆钢水平敷设，排列成长孔型或方孔型，埋入地下（0.6～0.8）m，其面积大体与发电厂和变电站的面积相同，变电站的电气设备通过接地引线与接地网相连。但是由于接地网埋设在地下，常因土壤多年的严重腐蚀，接地网均压导体和接地引线变细或断裂，使接地网接地性能变坏，当系统发生接地短路故障时，可能发生接地故障。[3]
一旦发生接地故障，将带来严重的危害，其表现主要如下：[1]
（1） 沿大地表面的危险电位梯度。
（2） 由于过电压上升而造成的电力设备绝缘损坏。
（3） 电力系统的中性点的偏移。
（4） 电力继电保护装置误动。
（5） 通过管线和低压电路等装置的高压转移。
（6） 电力设备机壳上的危险电压。
（7） 接地体周围的土壤风干。
从上面列举的情况可以看出，如果变电站发生接地故障，可能带来巨大的经济损失和社会影响，特别是我国面临日益紧张的用电需求，电力系统规模和容量的迅速增长，接地短路电流越来越大，对接地技术的要求越来越严格，不但接地电阻值要低，而且均压效果必须良好，维护水平更要提高，否则，变电站发生接地故障时，就会烧毁电气设备，造成惨重损失。[4]
例如1985年3月13日在胡集变电站和1986年4月25日在潜江变电站发生的接地故障，都因35kV小电流接地系统发生两相短路接地与异相异点接地形成短路，使接地网部分或整个接地网通过大电流，烧断接地引线和部分接地连接母线。设备外壳和端子箱上出现工频高压，造成工频高压进入主控室损坏设备，使直流保险熔断大大延长短路故障的切除时间，造成主变压器损坏。这两个变电站都是70年代建设的，接地网的接地引线和母线截面设计值为4╳40mm和4╳25mm，已经偏小，但实际敷设接地引线为Ф6mm，连接接地母线为Ф8mm，使接地留下严重隐患，从而使事故扩大。[5]
许多变电站在运行管理上，往往只重视接地网接地电阻的测量值，忽略了对设备接地引线和接地连接母线截面的检查和热稳定校验。[6]例如，云南省电力试验研究所专业技术人员，历时一年多对集团公司所属的24个220kV及以上变电站,88个 110kV变电站的接地网进行了调查。发现的问题主要有：[7]
（1） 大部分运行年限在10年以上的变电站，由于接地网所用材料当时未采取任何防腐蚀措施、接地网所处土壤环境腐蚀性、投运时间较长等原因，因而存在不同程度的腐蚀，严重者多处出现断裂现象。
（2） 部分发电厂、变电站的接地引下线存在截面偏小和腐蚀较严重现象。而国内很多发电厂、变电站事故扩大的主要原因是由于接地装置缺陷造成的，如：热稳定不满足要求而将接地装置熔断，应引起高度重视。
从上面两个例子，我们可以知道，由于许多变电站原设计考虑的裕度已不够充分，不能满足短路电流热稳定的要求，加上接地网的严重腐蚀，时间一长，锈层逐渐加厚，截面逐渐减少，结果在事故发生时造成接地引线或接地连接母线的烧断，导致事故的扩大。
由于接地网埋设于地下，工程上对接地网接地性能好坏的检测一般通过接地电阻的大小来间接判断，但无法了解接地网的腐蚀情况，因为在传统接地电阻测试方法中,只要测量处的接地体不发生断路,即使在接地网被严重腐蚀,接地电阻也容易达到标准要求。所以工程上一般都是在发现地网接地电阻不合格或发生地网引起的事故后，通过大面积开挖查找接地网断点和腐蚀段，这种方法带有盲目性、工作量极大，还影响电力系统的运行。
1.1.2研究的意义
为此，本文研究一种新的接地网诊断方法，能在不停电和不对地网大面积开挖的情况下，通过测量接地引线之间的电阻变化，利用一些理论和方法，对地网的腐蚀情况进行检测，及时发现故障隐患，防止由于接地不良造成的危害，保障电力系统安全可*运行。
1.2 国内外研究现状
 为了监视接地网的运行状况，相关领域的许多前辈做了很多有益的工作，下面主要分析有代表性的两种方法：
1.2.1接地引线腐蚀检测的研究
刘宝成《低电压大电流法检测接地网技术研究》
其测试原理是在两接地引线间注入大电流（交流），用电压表测量端口的电压大小，若接地网状况良好，电压表读数应很小；如两接地引下线之间的接地体已被腐蚀变细或断开，电压表读数将会出现异常，从而了解接地网的运行状况。[8]
优点：可有效测量接地体的通流能力，可以重点测量可能通过较大故障电流的地方和设备，比如变压器中性点，断路器外壳，架构及避雷器底座等，从而一定程度上排除事故隐患。
缺点：a.这种测量方式由于缺乏必要的理论分析和数据处理，没有判断的量化标准，不能对接地网腐蚀情况做出全面和综合的判断；（分析可见3.4.1，p）
b.变电站的电压干扰（如电力系统的不平衡电流在被测地网上的压降）、测量连接导线的电阻和测量线与接地引线的接触电阻无法消除或消弱，数据的准确性难以评估，限制了这种方法的工程应用。
1.2.2 接地网腐蚀和断点检测的研究
王旭东、张晓玲 《变电站接地网腐蚀和断点检测》
王旭东、张晓玲首次提出对电力系统变电站的接地网的腐蚀情况进行研究，其原理是将接地网等效为电阻性网络，将接地引线作为可测点，进而判断接地网的断点和腐蚀情况。他们都一定程度上从理论、仿真计算以及模拟实验对检测的方法做了研究，这些为本文进行更深入的研究打下了基础，但还存在以下问题：
a． 对方程的求解时，计算程序得出的结果与实际值有较大的差异，无判据对接地网的腐蚀和断点情况进行判断；
b． 没有研究接地引线间电阻大小和腐蚀的关系；
c． 由于接地引线间的电阻很小，大概只有几十～十几mΩ，此大小与测量时的连接接触电阻的大小同一数量级，因此测量接地引线间的电阻时必须采取合适的测量方法和设备，削弱和消除它们的影响；
d． 为运用于工程实际，必须要有较为简单的选取接地引线的方法和试验步骤。选取接地引线的原则、数量以及要求达到诊断的精度（包括腐蚀位置和腐蚀程度的判断）没有论述。
e． 现场试验可能遇到很多问题，比如设计施工和改造的图纸不全，接地引线的故障，网格偏移甚至接地网残缺等影响因数，这些情况的存在对诊断的精度的影响还需进一步的研究。[9][10][11]
1.3 本文研究的方法和内容
（1）数学模型
接地网埋在地下，相当于一个黑匣子，只知道它的拓扑结构和支路的标称值，其上有许多通到地面上的接地引线，这些接地引线是了解接地网状态的唯一“通道”。这样可以把接地网等效成多端口电阻网络，通过测量运行多年后的接地网接地引线间的电阻（即网络的端口电阻），与腐蚀前的端口电阻理论值做比较，得出端口电阻变化量，运用电路理论和特勒根定理，建立端口电阻变化量和支路导体电阻变化量的数学方程。
（2）计算方法
因为故障诊断方程是以较少的已知量去求较多的未知量，方程是欠定的，为解决方程的欠定问题，本文运用数值迭代和非负最小二乘法，较好的解决方程的欠定问题；
（3）仿真计算
为了验证接地网腐蚀诊断的基本理论和方法的正确性和可行性，并总结和归纳出故障诊断规则和规律，本文对两个接地网进行仿真计算，两个接地网的拓扑结构、网络规模、支路电阻的大小都有较大的区别，这样可以较全面的验证理论和方法的正确性和可行性，计算的内容有：单支路腐蚀、多支路腐蚀。仿真计算的情况和总结的规律将指导有以后的模拟实验，并为模拟实验所证明。
（4）测量方法
为测量出接地引线间的小电阻，从而求出计算程序需要的接地引线间的电阻变化量，必须采用精确的测量设备和合适的方法减少干扰和误差。本文使用QJ－44型直流双电桥，接线采用四端钮连接。同时由于诊断程序需要测量一组（几个或十几个）接地引线间的电阻，需要研究如何选取接地引线以更好的诊断出接地网的腐蚀情况。从理论上来说，数据越多诊断精度越高，诊断精度包括腐蚀定位的精度和腐蚀程度的精度，但在工程上意味着工作量的加大，因此要研究如何合理选取接地引线的原则和方法，既保证诊断的精度，又减少工作量。在本文中采用分步逼近诊断的方法：先初步选择一些测量接地引线，这些接地引线的选择是为了兼顾接地网重点诊断的要求，计算和判断出故障可能出现的支路（或区域），这时伪故障可能掩盖了真实故障支路；然后再对这些初步诊断出的故障支路进行验证，验证的方法是测量这些故障支路的两端节点间的电阻，再计算从而排除伪故障的影响，正确的找到真实故障支路。
（5）模拟实验
为验证理论和方法的正确性，本文构造两个网络，和仿真计算相结合对接地网的各种情况进行模拟实验，比较各个时候的计算值和测量值，彼此验证测量方法和计算程序的准确性。并对接地网的影响因素进行实验分析。由于仿真计算和模拟实验的模型是理想状态下的接地网，与现场实际情况有较大的差异，如：接地引线因腐蚀导致的电阻变化对测量和诊断的影响；当初接地网施工时由于疏失的造成的虚焊和漏焊问题；自然接地体的引入如设备构架、电缆沟等引起网络结构的变化以及接地网网格偏移等。为了了解这些因素对准确诊断的影响，本文进行了详细的实验和分析。
（6）现场试验
对几个不同的变电站进行试验，验证理论的可行性，并解决存在的问题。
1.4 预期结果和意义
本文研究电力系统发、变电站的接地网的腐蚀诊断，将接地网等效为电阻性网络，将接地引线作为可测节点，进而把接地网的腐蚀诊断问题，转化为根据端口测量值确定网络内部参数的问题，通过理论分析、模拟实验和现场试验，建立一个用于接地网腐蚀诊断的实用程序。
本文完成后，将为电力系统变电站提供一个简单可*的接地网诊断工具，实现在不停电和不对接地网大面积开挖的情况下，对接地网的腐蚀情况进行检测，指导工程技术人员对接地网的开挖检查，减少工作的盲目性和工作量，从而保障电力系统的安全运行
2 理论基础
2.1 概述
本章主要介绍接地网腐蚀诊断的理论和方法，首先重点介绍方法的理论基础，包括故障诊断理论、模拟电路故障诊断理论、接地网在土壤中的腐蚀机理、电路原理和数学方法。并在这些理论的基础上，结合本文的目的和接地网的实际情况，做出一些必要的分析。
然后在这些理论分析之后，对接地网做出一些必要的简化和假设，建立数学模型，并运用特勒根定理建立故障方程。因为故障方程是一个欠定方程，一般情况下多解，本文将详细的介绍方程的求解思想和过程，计算程序将列于附录。

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