變電站接地網的故障診斷建模及信號測量方法研究

云南電網有限責任公司大理供電局 邵洪平 李學騰

我國的變電站建設竣工年限超過10年的，大多數存在接地網材質腐蝕的問題，究其原因是建設之初技術不成熟以及施工設備限制[1]，并且隨著變電站運行時間的增加，接地網位置出現了或多或少的腐蝕情況，這對變電站的運行來說絕對是一項安全隱患問題。為排除這一隱患，目前主要是建立接地網的故障診斷模型，這一模型建立原理是建立在接地網結構基礎的，在直流激勵的刺激作用下其特性原理等同成純阻性網絡[2]。不同運行狀態的模擬依靠調控接地支路電阻的數值實現，建立起實驗測量的數據樣本，對測試點反復進行電位測量實驗，記錄故障數據，在樣本的故障以及誤差數據中進行分析，并總結出減少誤差的可行性方案。

1 基于電網絡的接地網故障診斷方法

1.1 電網絡方法理論基礎

多個水平均壓導體通過組合構成了接地網，在電阻率的數值大小上，其土壤的數值是明顯大于接地網材質。為了實現在理論計算中的便利，常常對于土壤中其他因素不做考慮，將接地網看作純電阻網絡。設備與接地網之間通過接地引線相連，可節點是在接地引線布置中可測量的位置，從而實現了一個多端口網絡（圖1），將多端口網絡中的加個可及節點進行提取，獲得的網絡示意圖如圖2[3]。

當設計工作完成，并且設計成果已經竣工，則可以提取設計中所用材料的截面積、電阻率、長度等數值，那么各段導體的阻值可以應用電阻公式計算而得，命名為標稱值或設計值。由于變電站中接地網的運行年長逐漸增加，接地網的材料受到土壤及其他因素的共同作用下容易出現腐蝕或者開裂情況，此種狀況將會導致接地網的電阻值偏大，在數值上將大于設計值，此時的網絡系統呈現出支路電阻不同、但是結構相同的情況[4]。那么這一差值的測量，可以通過對故障前后兩個網絡施加激勵、進而獲得接地網腐蝕的實際情況。

在變電站與發電站中，水平與垂直接地結構是目前主要的接地網結構，接地干線將接地體連結成一起，構成結構復雜的網絡。文章在構建數學模型時對接地網進行了四項假設：對不同導體之間的電反應選擇忽略處理；對接地網的土壤腐蝕選擇忽略處理；對其他造成接地體影響的管道以及電纜設施對其造成的影響選擇忽略處理；假設水平網格上不止地下引線與連接節點。在上述四個假設的基礎上建立接地網故障診斷方程。

1.2 電網絡法診斷的數學模型求解

假設接地網中存在支路數量為b，節點數量為n+1，直流激勵源添加在第i,j節點，I0為電流數值[5]， 定義：當選定一個參考節點的關聯矩陣之后將其命名為A；Yb為Yn為節點導納矩陣；支路電流矩陣為Ib；節點電壓列向量為Un；節點的電流源列向量為In（0為非激勵接點的電流值）。

依據電路原理Yn=A×Yb×AT（1），由關聯矩陣A表示的KCL和KVL方程分別為：AIb=0（2）、Ub=A'Un（3）；推理演變得YnUn=In（4），進而求得端口電阻Rij=Ub+1/I0（5）。依據特勒根定理，假設電路N和N'是擁有相同的網絡結構，對支路以及節點的編號編制上采取符號對應方法，對應支路的參考方向相同，則有：6），（7），式中網絡N'的支路電流和電壓分別是Ik'、Uk'，網絡的支路電流和電壓分別是Ik、Uk。

再次定義一個正常運行的接地網模型，這個模型中網絡N中支路與節點的數量分別為b+1、n+1。其中接地引線的i,j端接引第b+1條支路。電源加設在第i,j端口，電流值為I0，Rij依據電路理論求得。

網絡N'表述為接地網發生腐蝕后的模型圖，加入電流值為I0的電流源，加入口i,j為端，求出Rij，知悉網絡N和網絡N'具有相同的拓撲結構。

支路k處的接地網網絡發生故障，支路電阻的變化為Rk變為Rk'，表述為：ΔRk=R'k-Rk（8），網絡的端口電阻呈現變化，即Rij變為R'ij：ΔRij=R'ij-Rij（9）。依據特勒根定理：（10）、由于兩個網絡在第i,j端的第b+1條 支路的電流都為I0，即：Ib+1=I'b+1=I0（12）、Ub+1=RijI0（13）、U'b+1=R'ijI0（14），代入（10）、（11）式中可得：式（15）減去（16）：

式中測量端口打的個數用m表述，通過Rk求解得Ik。后者由前者決定，但是由于實際中缺少具體的R'k數值，所以此時方程的解無法獲得，則需引入迭代方法。第一步，使Ik'(0)=Ik，代入方程組，方程組整體演變成線性方程組，方程中m

2 測量影響因素及消弱措施分析

2.1 影響因素

首先，經過實例的大量數據，可以知悉一定條件下，發、變電站可以視為純阻性網絡。在電阻網絡中可變的是激勵源位置、不變的是結構，節點數目增大的同時激勵源的位置也逐漸增大，方便建立起數量眾多的從方程組。仿真模型的數據準確性隨著方程組數量的增加結果更加準確，實用性效果更強。相比于少數的方程組來說，計算難度降低，預測結果更為精準。其次，根據電磁理論，發電站產生的磁場會造成磁場干擾，在對方程求解過程中是不寬容忽視的干擾問題。此外故障診斷的誤差也會由節點位置偏移導致，進而使電壓發生改變。在進行接地網的系列故障診斷中，需要依靠模型中的診斷方程對算法進行篩選，保證計算成果的準確性。

2.2 消弱措施

降低影響因素對故障結果的影響，保證測量的精準度，可以施行以下措施：

增加激勵源的數量。激勵源數量的增加意味著對電壓的測量節點增加，增加了電壓測量節點的比重，降低了誤差比例，減少誤差值。

選取正確的激勵源位置。在故障診斷的實際測量過程中，測量節點數量有限，因此測量中必須將節點最大程度利用，增加方程組的數量。由于在實踐中，眾多節點中存在無效節點，因此采取更改節點測量位置的方式，獲得多數據，便于發現故障點，提高模型的診斷效率。

減弱電磁場干擾。由于電環境周圍肯定存在磁，所以磁干擾無法避免，影響結果的精準度，為了盡量降低磁干擾，在實際測量中采取屏蔽測量方法，從而達到消除或降低磁干擾的作用。

優化測量方法。在實際測量中，測試電源容量小，而接地網的電阻值在數量上過小，因此數據漏測對最后的結果干擾極大，為降低這一影響，實踐中可以結合采用倒相法。這一方法在實際測量中的優點是數據漏測對結果干擾不大，同時還實現了干擾的消除。

通過以上論述，進行實踐的測量中綜合實際情況，對影響因素進行詳細分析，并采取控制措施，所以在實踐中，根據實際情況綜合應用以上方法，從而實現消除誤差、提高準確率的目的。

3 結語

在進行對接地網故障的相關研究理論基礎上，提出電網絡方法診斷接地網故障的應用方法，建立數學模型對接地網故障進行診斷，對計算模型的構造進行闡述，應用數學方法求解，一般使用非負最小二乘法。在影響因素的分析以及測量中，為減少誤差而提出制定了一系列的削弱措施。