基于模糊判據的接地網腐蝕程度診斷方法研究

辛明勇,徐長寶,駱柏鋒,徐振恒,劉子軒,魯彩江

(1.貴州電網有限責任公司電力科學研究院,貴州 貴陽 550002;2.南方電網數字電網研究院有限公司,廣東 廣州 511365;3.西南交通大學機械工程學院,四川 成都 610031)

0 引言

近年來,電力系統容量、電壓等級的提升對其安全不間斷運行提出了更高的要求。接地網是電力設備(如桿塔、變壓器、配電房等)中故障電流、雷電電流等的通道,也是電力系統安全運行的重要保障。由于投入運行年限的增加、施工不當(焊接不良、漏焊等)及地質條件等的影響,接地體極易變細甚至斷裂,導致接地電阻攀升、接地網性能降低。因此,定期評估接地網安全性能極其必要。在實際工程中,接地網缺陷檢測方法主要為整體開挖檢查并用兆歐表測接地電阻。當接地電阻不合格時,要選點開挖檢查。該方法影響電力系統的正常運行,盲目性大[1],會耗損大量的人力、物力、財力。

目前,國內外接地網缺陷檢測的方法主要有電網絡法、電化學法、電磁法等[2-6]。電網絡法通過接地體相關的電氣特性變化值,進行接地網的侵蝕程度及斷點判別[7]。電網絡法的缺點是當接地體存在局部侵蝕時,其電阻及電位變化很小。電化學法通過測量接地體的電化學特征參數,表征接地體的侵蝕情況。電化學法的缺點是無法判斷接地網的斷點情況[8]。電磁法利用接地引下線向接地網施加異頻正弦交流電,在地表采用接收裝置測量磁感應強度,以判別接地網的侵蝕程度及斷點[9]。

本文利用電磁法判別桿塔接地網的侵蝕程度,依據導體的等效直徑將導體腐蝕程度劃分為三個等級,并結合模糊判據計算接地網導體的侵蝕程度。仿真計算和試驗結果表明本文方法有效,可進一步應用于實際工程。

1 接地網腐蝕程度診斷理論基礎

1.1 簡單土壤結構下磁場分布

麥克斯韋方程組的微分形式為:

×D=ρ

(1)

×B=0

(2)

式中:B為磁通密度。

(3)

式中:E為電場強度;t為時間。

(4)

式中:H為磁場強度;J為傳導電流密度。

輔助方程為:

B=μ0H

(5)

式中:μ0為媒質的磁導率。

D=ε0E

(6)

式中:ε0為媒質的介電常數。

在簡單的理想土壤環境(單層均勻土壤)中,正弦時變電場為:

(7)

根據式(3)可得:

×E(t)=

(8)

(9)

1.2 模糊判據

貼近度是模糊數學中的概念,表示兩個模糊子集間的相似程度。其取值范圍為[0,1]。貼近度越大,則兩個模糊子集間的相似程度越高。本文應用模糊判據計算接地網導體正上方地表磁感應強度與數據庫樣本的模糊貼近度大小。

接地網導體正上方地表磁感應強度分布矩陣[10]為:

(10)

式中:anm(μk)為接地網第n行、第m列的導體段正上方的磁感應強度大小,k為每根導體段上的等距觀測點數目。

磁感應強度分布數據與數據庫樣本的模糊貼近度[11]為:

(11)

(12)

(13)

2 仿真計算

由于仿真計算模型相較于工程實際,其環境較為簡單,所以本文在仿真計算時作出以下假設。

①不考慮接地裝置周邊的埋地金屬(如自來水管、電纜支架等)以及相鄰桿塔接地裝置的干擾。

②忽略土壤因素的影響。假設土壤是均勻的,即土壤電阻率為一個定值。

③忽略電動力對接地導體的影響,把接地體當作一個純電阻網絡。

④腐蝕后的接地導體截面是規則形狀,腐蝕速率一致。

⑤接地導體的長度、橫截面積、電阻率等已知。

2.1 仿真模型

本文在CDEGS軟件中建立一種典型的桿塔接地網模型。形狀系數為1.0。每根接地導體為長12 m、等效直徑0.012 m的鍍鋅圓鋼。接地導體相對電阻率為109.7 Ω·m、相對磁導率為636。接地網埋深0.8 m。土壤電阻率為300 Ω·m。激勵電流為10 A、512 Hz的正弦信號[13]。

典型桿塔接地網模型如圖1所示。

圖1 典型桿塔接地網模型

圖1中:OABC為接地網導體;O′A′B′C′為在接地網導體正上方地表處設置的磁感應強度等距觀測線。最小故障設為1 m(如圖中MN),觀測線步長設為0.2 m。A(12,0,0)、B(12,12,0)、C(0,12,0)均可接接地引下線(即可及節點)。I處箭頭向下代表連接激勵正極。I′處箭頭向上代表連接激勵負極。

2.2 不同腐蝕程度地表磁感應強度

為研究接地網導體腐蝕程度不同時地表磁感應強度的分布情況,本文對M(12,5.5,0)到N(12,6.5,0)(即局部接地體)、A(12,0,0)到B(12,12,0)(即整個接地體)接地網導體作從無腐蝕、腐蝕程度加深直至斷裂的模擬仿真,即等效直徑分別為12 mm(無腐蝕)、8.89 mm(腐蝕)、6.28 mm(腐蝕)、3.14 mm(腐蝕)、1.57 mm(腐蝕)、0 mm(斷裂)。

在接地網導體的不同狀態下,觀測線A′B′處磁感應強度分布如圖2所示。

圖2 觀測線A＇B＇處磁感應強度分布

由圖2可知:在腐蝕程度不同時,地表磁感應強度不同;腐蝕越嚴重,地表磁感應強度變化越與無腐蝕時磁感應強度變化不同。對此,可以進一步運用貼近度計算腐蝕程度。

2.3 不同腐蝕程度貼近度計算

經Matlab計算MN段與AB段不同等效直徑與無腐蝕理想狀態下的磁感應強度貼近度可得,w1=w2=0.5。

貼近度計算結果如表1所示。

表1 貼近度計算結果

由表1可知,導體腐蝕程度越大,其磁感應強度與無腐蝕情況下的貼近度越小。通過貼近度數值的大小可以評估導體腐蝕程度。數值越小,則導體腐蝕越嚴重。依據貼近度的大小可以將腐蝕程度劃分為以下等級:當貼近度大于0.7且小于1.0時為輕度腐蝕;當貼近度大于0.6且小于等于0.7時為中度腐蝕;當貼近度小于等于0.6時為重度腐蝕(含斷裂)。

3 接地網腐蝕程度診斷

3.1 試驗模型

為驗證所提腐蝕程度診斷方法的可行性,本文設計了一個形狀系數為1.0的接地體模型。模型參數為:每根接地導體為長6 m、橫截面為40 mm×4 mm的鍍鋅扁鋼;接地導體電阻率為1.78×10-7Ω·m;相對磁導率為200;接地導體埋深為0.2 m;土壤電阻率為2 000 Ω·m。

試驗模型簡化俯視如圖3所示。

圖3 試驗模型簡化俯視圖

圖3中:A′B′C′D′為圖1中的觀測點;F為斷點;激勵為300 mA、512 Hz的正弦交流電。

3.2 試驗方法

本文測量兩個最短距離可及節點間的腐蝕程度。試驗步驟如下。

①按照上述參數構建接地試驗模型,在AB段導體中點F處切斷。節點間用鱷魚夾連接,并將對應節點進行標記。通過串接不同阻值的電阻,等效為相應的腐蝕程度。

②采用vLoc3發射機對接地網施加電流激勵。

③采用vLoc3接收機對不同狀態下的導體進行磁感應強度的測量。

④對所測數據進行計算與分析。

接地網模型試驗情況如表2所示。

表2 接地網模型試驗情況

3.3 試驗結果

在F點斷開時,AB觀測線上未能測到有效的磁感應強度。在F點腐蝕程度不同時,AB觀測線上實測磁感應強度不同。隨著腐蝕程度加深,AB觀測線上磁感應強度變化與未腐蝕時磁感應強度變化明顯不同。

不同腐蝕程度下磁感應強度分布如圖4所示。

圖4 不同腐蝕程度下磁感應強度分布

本文利用Matlab軟件計算不同腐蝕程度實測值與無腐蝕實測值的貼近度。

貼近度計算結果如表3所示。

表3 貼近度計算結果

將表3結果與腐蝕程度劃分進行對比,可驗證本文所述方法的合理性。

4 結論

本文基于電磁感應原理,應用CDEGS軟件對典型桿塔接地網進行模擬仿真,分析了接地網導體存在不同腐蝕程度時地表磁感應強度的分布情況。本文基于模糊判據的方法,分別對不同程度腐蝕時磁感應強度與理想狀態(即不存在腐蝕)下的磁感應強度進行了貼近度計算,并對接地網導體腐蝕程度劃定了輕度、中度和重度腐蝕三個級別。通過接地網模型試驗,驗證了本文所述理論及方法的實用性。該方法在接地網導體的檢測和維護方面具有重要的工程應用潛力。