牽引變電所接地網在線監測系統及監測數據分析

史耀政，劉立超

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牽引變電所接地網在線監測系統及監測數據分析

史耀政，劉立超

分析牽引變電所接地網接地電阻測試原理，在利用電路網絡和矩陣理論歸納出接地網腐蝕、斷裂診斷數學模型基礎上試制接地網在線監測系統，并在牽引變電所投入試運行，經對測試數據的分析對比驗證了該在線監測系統數據監測的準確性。

牽引變電所；接地網；在線監測；工頻干擾

0 引言

接地網是電氣化鐵路牽引供電系統的重要組成部分，其性能直接關系到人身和設備的安全及鐵路運輸秩序。而隨著近年來電氣化鐵路建設規模的高速增長，系統供電容量持續增加，經接地網流入大地的工作電流和故障電流越來越大，為了確保人身及設備安全和系統的可靠運行，對接地網的安全性要求越來越嚴格。特別是隨著微電子及數字設備在牽引供電系統中的大量應用，這些設備的硬件大多采用TTL或COMS集成電路，其工作電壓較低且要求具備嚴格的接地系統作為電位參考點，如果接地網性能惡化，將對這些設備產生強烈的傳導干擾及過電壓反擊危險，嚴重危及設備本身及供電系統安全。

接地網主體深埋于變電所地表以下，檢修和維護工作都難以開展，只能通過測試數據來判斷其性能狀態。由于接地網測試工作異常繁雜，需耗費大量人力物力，另外需測試人員具有較強的現場工作經驗才能保證測試結果的準確性，因此不適宜作為常規年檢工作項目。為了降低定檢預試工作量，我國現行《電力設備預防性試驗規程》和《牽引變電所運行檢修規程》均明確規定其檢測周期以“不超過6年”為宜，但在實際運行過程中，接地網的性能指標經常會隨時間推移而發生較大改變，特別是在地質結構復雜的地區，接地網性能甚至會隨季節更替而發生明顯變化，當其安全指標值超出一定范圍時極易發生事故，危及供電系統運行安全，造成設備損壞和人員傷害。

針對變電所接地網在傳統運維方式下存在的弊端，近年來，國內外諸多機構開始致力于研發接地網在線監測裝置，旨在解決上述日益突出的技術矛盾。歷經多年的技術沉淀，接地網在線監測技術已日趨成熟，本文即以包蘭鐵路包頭西變電所安裝的“接地網在線監測系統”為例，簡要介紹接地網在線監測系統的結構原理，并對現場監測數據進行分析與探討。

1 系統結構及工作原理

1.1 系統結構

接地網在線監測系統主要由變頻功率輸出單元、數據采控單元、濾波組件、后臺數據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，其電流極與電壓極設置在牽引變電所周圍或所內比較空曠的區域。系統采用當前最先進的數字選頻測量（電子對抗）技術，具有超強的抗干擾能力，徹底消除了由工頻感應、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，多頻點采集數據，克服了雙點異頻插值法的局限性。

圖1 接地網在線監測系統結構組成

1.2 系統工作原理

1.2.1 接地電阻測試

“接地電阻”值表征發生接地故障或雷擊時接地網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，則相對電壓升高水平也較易被控制，可確保設備及人身安全，所以，“接地電阻”被看作為衡量接地網安全水平之首要因素[1]。接地電阻監測原理如圖2所示。系統在監測接地電阻時，采用大功率異頻設備在被測接地網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備與電壓極之間的電壓波形，通過濾波分析計算各設備與零電位之間的異頻電壓差，即通過監測53=53/53的變化趨勢，監測被測接地網接地阻抗的變化趨勢。監測系統輸出頻率為45～55 Hz，通過高精度選頻與自動換擋技術，根據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 接地電阻監測原理

1.2.2 接地體腐蝕診斷

牽引變電所接地網敷設完成后，隨著時間的推移，由于受土壤環境的電化學、化學和物理等因素影響，容易造成接地導體發生嚴重腐蝕、斷裂，并因此導致系統事故。目前對于接地網的檢修，均是在發現其阻值嚴重超標或引發相關事故后，再通過人工選點開挖尋找接地網故障點或腐蝕段，該方法通常具有盲目性、開挖工作量大、速度慢等缺點，不利于接地網故障的及時排查。

接地網在線監測系統利用電路網絡和矩陣理論實現腐蝕診斷功能，如圖3所示。接地網的所有節點和支路均埋設于地下，可將其看作一個純電阻網絡，即“黑匣子”，而站內各電氣設備的接地引線即為該“黑匣子”網絡的可及節點或可測點。顯然，端口電阻的大小不僅取決于接地網的結構，還取決于整個接地網中每個導體的電阻值[2]。如果接地網中某個導體發生腐蝕或斷裂，其電阻增大，則端口電阻也隨之發生相應變化。通過測量端口電阻的變化，應用適當的算法來確定接地網各段導體的阻值變化，即可對接地網的腐蝕狀態進行量化評估，節省大量的人力、物力。

圖3 接地網的網絡結構

定義圖3中接地網節點總數為，支路總數為，任意導體電阻為k，節點和節點之間的端口電阻為R，節點和節點之間支路為“支路+1”。定義電路網絡的關聯矩陣為，為支路導納矩陣，N為節點導納矩陣，為支路電壓矩陣，N為節點電位矩陣，s為電壓源列向量，為支路電流矩陣。

根據電路理論，節點導納矩陣為

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）可得節點電位方程，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具有相同的拓撲結構，只是2個電路網絡的導體電阻不同。通過式（7）可以計算出第k段導體的電阻變化DR。

經過接地網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。

接地網每段導體變化后的實際電阻為

接地網消耗的能量為

式（9）即為接地網腐蝕、斷裂診斷模型的目標函數，可將其進一步簡化為[3]

接地網腐蝕或斷裂時，導體電阻增大，即DR≥0 (=1,2,3,…,)。因此其約束條件由等式約束條件（7）和電阻增量的非負約束2部分組成，再加目標函數式（10）就構成了接地網腐蝕、斷裂診斷的數學模型[4]。

通過求解方程組，可得每個導體電阻的變化量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導體的腐蝕或斷裂情況，然后綜合判斷腐蝕、斷裂點的準確位置。

2 現場數據分析

該接地電阻監測試制系統于2016年9月底安裝調試完成，并投入運行，收集約1年的監測數據，接地電阻數據變化趨勢如圖4所示。

2.1 接地電阻監測數據

從整體上看，2016年9月—2017年2月，由于進入旱季，所測電阻數據呈上升趨勢，電阻值從0.49W增大至0.508W，升高約3.5%；2017年4月—7月進入雨季，所測接地電阻數據呈下降趨勢，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，區間數據呈鋸齒狀變化，如圖5所示。當遇有雨雪天氣（圖中箭頭標記處），由于濕度增加，土壤導電性能提高，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進線，主變采用V/V接線，接觸網供電方式為直供加回流，正常運行時有系統回流或工頻零序電流注入地網，該電流在向遠方擴散過程中必然對測試產生較大的工頻干擾。圖6所示為在線監測裝置監測到的工頻干擾電壓趨勢數據。

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點時刻的干擾值明顯小于其他時段，該現象是由于相比白天而言夜間機車數量較少，變電所負荷較輕所致。

2.3 試驗電流變化

圖8為試驗電流趨勢圖，可以看出，試驗電流53總體呈現先下降再上升趨勢，在2017年2月—3月間達到最低值，其后因進入雨季，土壤導電性能改善使得電流數據呈鋸齒狀抬升。

圖8 試驗電流趨勢

2.4 腐蝕診斷監測

腐蝕診斷系統測點布置如圖9所示，在110 kV進線區、主變區、主控室、高壓室等設備聚集區域敷設共計13路監測點，組成13節點的電路網絡。按前述方法對各端口電阻進行測試，由于該站接地網完成大修維護不滿一年（地下接地體全部更換為純銅材質），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，經內部優化計算，系統最終判斷結論是各接地導體連接良好，且無明顯腐蝕跡象。

圖9 現場測點布置

3 結語

通過應用接地網在線監測技術，可以使相關部門及時掌握接地網的性能狀態，快速制定應急處理措施，有效預防人身及設備安全事故。基于對大量實時監測數據的分析，可全面研究各類接地網實際運行狀態特征，總結各類接地網的設計缺陷，掌握外界因素對其安全性能的影響，為制定相應的接地網整改措施提供科學依據，并為接地網的研究方向提供參考。

[1] 何金良，曾嶸. 電力系統接地技術[M]. 北京：科學出版社，2007.

[2] 陳先祿，劉渝根，黃勇. 接地[M]. 重慶：重慶大學出版社，2002.

[3] 何獻忠. 優化技術及其應用[M]. 北京：北京理工大學出版社，1995.

[4] 王勇，文輝清，呂征宇，等. 基于MATLAB的矩陣變換器空間相量調制研究[J]. 電力系統及其自動化學報，2004，16（5）：14-19.

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有限公司供電處，工程師。