電阻抗掃描成像技術在變電站接地網故障診斷中的應用研究

陳建偉，錢洲亥，胡家元

（1.中電華創電力技術研究有限公司，上海 200081；2.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

電阻抗掃描成像技術在變電站接地網故障診斷中的應用研究

陳建偉1，錢洲亥2，胡家元2

（1.中電華創電力技術研究有限公司，上海 200081；2.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

采用電阻抗掃描成像技術對某220 kV變電站接地網的腐蝕和斷裂情況進行檢測與診斷，檢測結果表明：接地網整體阻抗值為43 mΩ，各區域支路阻抗值都在允許范圍內，接地網整體接地狀況良好。發現Ⅰ區域的8號引下線接地電阻大于50Ω，經過開挖證明此引下線存在嚴重腐蝕，已與主接地網斷開，建議及時修復并采取保護措施。電阻抗掃描成像技術能夠對運行多年變電站的接地網腐蝕及斷裂狀況進行快速有效診斷，減少接地網腐蝕診斷的盲目性和工作量，提高了電力系統運行的安全可靠性。

電阻抗掃描成像；變電站；接地網；故障診斷

0 引言

變電站接地網是重要的輸變電設備之一，具有將電力系統與大地相連、提供故障電流及雷電流的泄放通道、穩定電位、提供零電位參考點等功能，是電力系統設備及人身安全的重要保障[1-2]。構成接地網的均壓導體埋設在地下，常因施工時焊接不良、漏焊、土壤腐蝕、接地短路電流電動力作用等原因，導致地網導體及接地引線腐蝕，甚至斷裂，使地網均壓導體之間或接地引線與均壓導體之間存在電氣連接不良的故障點。若遇電力系統發生接地短路故障，將造成地網本身局部電位差和地網電位異常升高。過去一般是在發現接地電阻不合格或出現事故后，通過開挖地面來查找接地網的電氣連接故障點或腐蝕段，但這種方法具有盲目性、工作量大、速度慢，還會影響電力系統安全運行。因此，在不停電和不進行大面積開挖狀態下，對變電站接地網故障診斷理論與實用化方法的研究值得關注[3]。

1 實驗原理

接地網一般采用導電性良好的金屬材料，忽略土壤、濕度、溫度等外界環境的影響，其分布電感和分布電容也可忽略，則接地網就可以等效為純電阻網絡。采用一定的測量手段和計算方法，能夠求出實際中接地網導體中各支路的電阻值或其變化量，根據求出的各支路電阻值與設計時相應支路電阻值相比較，進而判斷導體腐蝕和斷裂情況。變電站中電力設備需要接地，而從接地網中引出了一些下引線，稱之為接地網可及節點，選擇一個節點作為參考點，通過向接地網可及節點注入激勵電流源，就可以測得其他任意點與參考點間的電壓[4-6]。為此，在腐蝕診斷理論研究成果的基礎上完善了接地網腐蝕診斷實用化方法，提出了接地網故障診斷新技術——EIS（電阻抗掃描成像技術），采用正則化技術快速求解基于靈敏度矩陣的故障診斷方程，通過單點有序輪換激發多點接受測試，計算機數值計算的數學模型，實現接地網電阻抗檢測，并研制了接地網故障診斷裝置。該裝置采用16電極循環測量法，主要功能就是要完成對變電站接地網可及節點間電壓差的測量。

如圖1所示，在數據采集過程中，通過ARM（微處理器）控制16路通道接線座，采集2個節點間的電壓差值信號，數據多次采集并求均值。為了方便測量，在測量時可以以電流流出節點為電位參考點，測量其他節點的電位。當接地網發生故障時，在同等的注入電流條件下，故障區域對應地表電位會發生變化，而沒有故障的區域地表電位變化不大，因此可以根據地表電位是否變化來判斷接地網是否發生故障。該裝置能夠在不停電和不進行大面積開挖的情況下，僅僅依靠接地網接地引下線間電阻，就能對接地網的腐蝕和斷點情況進行快速準確的檢測[7-10]。

2 實驗方案

實驗采用接地網電阻抗掃描成像儀對某220 kV變電站進行接地網狀態評價及故障診斷。

2.1支路阻抗測量方案

圖1 數據采集裝置示意

支路阻抗測量主要是通過測量接地引下線阻抗來實現的。所以根據變電站等級分別采用全站測量法與分區測量法。全站測量法測試內容少，工作量比較低，適用于110 kV及以下的變電站。分區測量法是根據接地引下線實際位置將變電站分成幾個區塊分別測量，工作內容多，測得的數據精度較高，適用于110 kV以上的變電站[11]。本次試驗為了測試整個接地網支路阻抗，采取分區測量法。

（1）區域劃分。將變電站分為10個區域依次編號為 A—J。

（2）引下線選取。在每一區域分別選取16個接地網引下線并編號，例如在A區選取16個引下線依次編號為A1，A2，…，A16，以此類推。

（3）數據采集。將接地網檢測裝置1—16號導線依次接入各個區域中引下線對應位置，利用檢測裝置分別對每個區域進行數據采集。

（4）判斷標準。根據測量結果得到的每個支路的電阻相對基準值0.5 mΩ的增大倍數。按照表1的判斷標準，得出接地網各支路導體的腐蝕程度[11]。根據接地網掃描成像儀內置軟件算法及長期測量經驗值，110 kV及以下變電站支路阻抗值增大倍數大于20，2 200 kV及以上變電站支路阻抗值增大倍數大于30，則接地網存在支路故障。

表1 接地網導體腐蝕程度的劃分[11]

2.2 整體阻抗測量方案

由于接地網阻值較小，為減小測量誤差，本次試驗采用四電極法測量接地網整體阻抗，而Fluke接地電阻測試儀是基于四電極法的高精度接地電阻測試儀器，因此試驗中利用該儀器來測量接地電阻。測量步驟如下：

（1）將Fluke儀按圖4連接地網引下線。

（2）Fluke儀調至測電阻檔。

（3）直接讀取電阻值。

2.3 引下線導通測試方案

為測試所選取接地網引下線導通性，利用Fluke儀分別將每根引下線按圖2連接，分別測量每根引下線接地電阻，最后根據《電力設備預防性試驗規程》中“接地裝置”的相關方法確定所選接地網引下線是否導通[12-13]。具體標準如下：

（1）測試結果在50 mΩ以下，表示接地狀況良好。

（2）測試結果在 50～200 mΩ，表示接地狀況尚可。

（3）測試結果在200 mΩ～1Ω，表示接地狀況不佳。

（4）測試結果在1Ω以上，表示設備沒有有效接地。

圖2 四級法測量接地電極的電阻

3 測量數據與計算結果

3.1 整體阻抗

經測量接地網整體阻抗值為43 mΩ，表明接地狀況良好。

3.2 支路阻抗計算結果

圖3所示為部分區域的支路阻抗相對基準值的測量診斷結果，從圖中可以看到，A區與C區測量接地網區域支路阻抗最大增大倍數分別為8倍和7倍，屬于中度腐蝕程度。其余分區接地網各個支路阻抗最大增大20倍以下，各支路阻值都在允許范圍內，接地狀況良好。

3.3 引下線導通測試結果

圖3 接地網支路阻抗計算結果

在試驗數據采集過程中，發現位于Ⅰ區域110 kV A相副母線避雷器與1號主變壓器110 kV副母線閘刀之間的8號引下線接地電阻數據出現異常。通過采取多次測量及包圍測量方式，測量數據如表2所示，發現8號引下線接地電阻阻值均大于50Ω，其余各引下線均小于0.05Ω。

表2 8號引下線及周圍引下線接地電阻

表2數據表明8號引下線接地電阻過大，其阻值是正常情況下1 000倍左右。為驗證8號引下線異常原因，選取包括8號引下線在內的16個引下線并編號，然后測量各節點電壓變化，測得結果如圖4所示。

圖4 測量節點電壓變化趨勢

如圖4所示，8號引下線的電壓電位明顯大于電壓注入節點的電壓電位，8號引下線電壓抬升明顯，為241～380 mV，接地電阻為53.7Ω，流過的泄漏電流為4.5～7.1 mA。8號引下線泄漏電流在mA級別，從而證明此引下線存在嚴重腐蝕甚至已出現與接地網斷接的情況，導致其電位抬升明顯。同時從圖4中也可以發現1號、2號、6號引下線電位也出現一定抬升，說明這3處引下線也出現了不同程度的腐蝕，導致接地電阻增大。

3.4 現場開挖檢查

現場對位于110 kV A相副母線避雷器與1號主變壓器110 kV副母線閘刀之間的8號引下線進行開挖，以便進一步驗證上述診斷結果。

現場發現：8號引下線已經斷開，表面腐蝕較嚴重，出現紅棕色鐵銹。經分析，由于施工安裝不規范，土壤沉降，土壤腐蝕等因素綜合作用，導致8號引下線腐蝕斷裂。建議更換接地網引下線，保證接地網電阻值合格，同時完善接地網腐蝕保護措施，施行陰極保護策略，包括犧牲陽極法以及外加電流陰極保護等。

4 結語

電阻抗掃描成像技術能夠實現變電站接地網故障高效快速的檢測，可以根據支路阻抗大小測出腐蝕嚴重區域，對接地網腐蝕斷點檢測尤其有效。它為變電站接地網腐蝕情況提供了準確實用的優化診斷方法，能夠在變電站運行狀態下進行，并且有效避免大面積開挖，從而大大減少了接地網腐蝕診斷的盲目性和工作量，一定程度上提高了電力系統運行的安全可靠性。該方法不但能夠對運行多年變電站的接地網腐蝕程度及斷裂狀況進行快速準確診斷，對新鋪設地網的質量驗收也有著實際意義。

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2017-09-15

陳建偉（1984），男，工程師，從事電站設備腐蝕與防護技術研究工作。

（本文編輯：徐 晗）

Study on Application of Electrical Impedance Scanning in Fault Diagnosis of Grounding Networks in Substation

CHEN Jianwei1， QIAN Zhouhai2， HU Jiayuan2
（1.China Power Hua Chuang Electricity Technology Research Co.， Ltd.， Shanghai 200081 China；2.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014， China）

Electrical impedance scanning is used to detect and diagnose grounding grid corrosion and fracture in a 220 kV substation.The detection result shows that the overall grounding resistance value is 43 mΩ，the branch impedance values are within allowable range，which means that the overall grounding grid is in good condition.It is found that the value of grounding resistance of No.8 deflector is larger than 50Ω.After excavation，it is found that the deflector gets seriously corroded and disconnected with the main grounding grid.Timely repair and protective measures are suggested.Electrical impedance scanning can be used to detect and diagnose corrosion or fracture of grounding grid of old substations rapidly and effectively.It can reduce blindness and workload of grounding grid corrosion detection and improve safety and reliability of power system operation.

electrical impedance scanning；substation；grounding grid；fault diagnosis

10.19585/j.zjdl.201710006

1007-1881（2017）10-0027-04

TM206

B

國網浙江省電力公司科技項目（5211DS14005D）；杭州意能電力技術有限公司科技項目（EPRD2016-03）