變電站門型構(gòu)架對地網(wǎng)腐蝕診斷的影響

史宏偉，劉守明

（國網(wǎng)河南省電力公司周口供電公司，河南 周口 466000）

0 引言

變電站的主接地網(wǎng)是電力系統(tǒng)過電壓保護裝置的重要組成部分，它以水平敷設(shè)的人工接地體為主，輔以垂直接地體，構(gòu)成變電站人工接地裝置。降低接地電阻主要靠大面積水平接地體，正常時具有均壓、散流、減小接觸電勢和跨步電壓的作用。但由于接地網(wǎng)導體埋在地下，常因土壤多年的腐蝕而使性能變差，威脅著電力系統(tǒng)的安全運行和站內(nèi)工作人員以及電氣設(shè)備的安全。因此，對接地網(wǎng)的腐蝕情況進行檢測，及時發(fā)現(xiàn)并排除隱患故障，顯得尤為重要[1—2]。

近年來，接地網(wǎng)研究與分析領(lǐng)域取得了大量成果[3—6]，尤其是接地網(wǎng)故障診斷領(lǐng)域取得了很大的進步。文獻［7—9］基于節(jié)點電壓法和參數(shù)識別法，以接地網(wǎng)中每段導體電阻增量為故障參量建立故障診斷方程，采用線性優(yōu)化方法求解。文獻［10］采用電磁場方法研究了導體斷裂的探測。文獻［11］利用能量最低原理和優(yōu)化技術(shù)，解決了腐蝕支路故障診斷理論中欠定方程的求解問題。文獻［12］通過大量仿真計算對大中型接地網(wǎng)腐蝕優(yōu)化診斷進行了研究，提出在接地網(wǎng)腐蝕診斷時采用分步分塊優(yōu)化測量的方法。

變電站內(nèi)門型構(gòu)架往往與接地網(wǎng)相連，應作為地網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)中的支路導體。但由于其連于接地網(wǎng)的具體位置并不明確，以往的接地網(wǎng)腐蝕診斷方法主要針對不考慮構(gòu)架的地網(wǎng)進行研究。因此分析增加構(gòu)架后對接地網(wǎng)腐蝕診斷結(jié)果的影響以及考慮構(gòu)架在接地網(wǎng)不同位置分布對診斷結(jié)果的影響程度具有現(xiàn)實意義。

1 故障診斷理論

變電站接地網(wǎng)導體常用尺寸為6 mm×60 mm、6 mm×50 mm、5 mm×50 mm、4 mm×40 mm的扁鋼或直徑為20 mm的圓鋼水平鋪設(shè)，若忽略土壤、溫度、濕度等因素的影響，可以把接地網(wǎng)視為純電阻網(wǎng)絡[13]。地網(wǎng)竣工時各段導體的長度、截面積和電阻率已確定，可知其原始電阻值。運行多年后，某些導體出現(xiàn)腐蝕或斷裂，其支路電阻值與原始值相比增大，這樣就得到2個拓撲結(jié)構(gòu)相同、支路電阻不同的電阻網(wǎng)絡。用適當?shù)臄?shù)學方法可推出接地網(wǎng)支路的電阻變化值，從而判斷地網(wǎng)腐蝕及斷點情況[14]。

圖1 接地網(wǎng)連接圖

假設(shè)如圖1所示接地網(wǎng)為n+1個節(jié)點、b條支路、m+1根引線構(gòu)成的純電阻網(wǎng)絡，在該網(wǎng)絡的第i、j端口加上一個電流值為I0的電流源，根據(jù)電路原理可得

從而得到端口電阻

式中，A為選定一個參考節(jié)點后接地網(wǎng)的關(guān)聯(lián)矩陣；Yb為支路導納矩陣；Yn為節(jié)點導納矩陣；Ib為支路電流矩陣；Un為節(jié)點電壓列向量；In為節(jié)點的電流源列向量；Ub為端口電壓列向量。

當網(wǎng)絡某支路發(fā)生腐蝕或斷裂時，網(wǎng)絡的端口電阻Rij變?yōu)?，?/p>

根據(jù)特勒根定理，可推導出端口電阻變化值和支路電阻變化值的關(guān)系。

2 變電站構(gòu)架對腐蝕診斷的影響

基于電網(wǎng)絡理論和特勒根定理建立的故障診斷方程，對診斷結(jié)果產(chǎn)生影響的有測量的端口電阻值和地網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)兩個因子。分析變電站內(nèi)構(gòu)架對診斷結(jié)果的影響時，考慮把構(gòu)架作為一個連接于地網(wǎng)兩個端點之間的等值電阻。仿真中均選擇地網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)不變（即不含構(gòu)架），分析構(gòu)架存在時的端口電阻值對診斷結(jié)果的影響。

2.1 變電站構(gòu)架電阻的確定

為模擬變電站構(gòu)架對地網(wǎng)腐蝕診斷的影響，需要計算變電站構(gòu)架電阻。對于不同電壓等級的變電站，雖然其構(gòu)架結(jié)構(gòu)不同，但都是由支柱和橫擔組成，所以可以把構(gòu)架等效成有橫擔電阻和支柱電阻構(gòu)成的純電阻結(jié)構(gòu)。

橫擔一般是鋼管組成主骨架、主骨架間用角鋼連接固定組成的網(wǎng)格式結(jié)構(gòu)。可先計算出橫擔各個部件的電阻值，然后用ATP軟件建立與實際橫擔結(jié)構(gòu)相同的模型，通過施加激勵源計算橫擔電阻的大小。針對支柱電阻的計算，由于一般采用等截面鋼管柱，通過其尺寸大小和所用鋼材的電阻率等相關(guān)參數(shù)，利用式（7）計算得出

式中，ρ為鋼材電阻率，取1.3×10-7Ω·m；l為支柱的長度，m；s為支柱的橫截面積，m2。

經(jīng)仿真計算，構(gòu)架等值電阻小于與其等長的地網(wǎng)支路電阻，但其阻值與支路電阻為同一數(shù)量級，若考慮引下線電阻和接觸電阻，會使構(gòu)架等值電阻大于計算值。此次研究將變電站構(gòu)架電阻等值為與其電阻值相同的水平地網(wǎng)進行分析。

2.2 變電站構(gòu)架影響的仿真研究

2.2.1 不考慮構(gòu)架時支路的腐蝕診斷

根據(jù)變電站現(xiàn)場測試的地網(wǎng)單位長度電阻在0.65 mΩ左右，建立每段支路導體為8 m的等間距分布的10×10接地網(wǎng)模型，則支路導體的標稱電阻值為0.005 2Ω。所建地網(wǎng)模型拓撲圖如圖2所示。

圖2 10×10地網(wǎng)拓撲圖

在圖2所示地網(wǎng)拓撲圖中，假設(shè)支路61（31—42節(jié)點對）、77（37—48節(jié)點對）、161（81—92節(jié)點對）、166（86—97節(jié)點對） 共計4條支路發(fā)生故障，電阻增大倍數(shù)依次為10倍、5倍、5倍、10倍，用來表示故障支路。

結(jié)合地網(wǎng)診斷研究中提出的不動點原則、小分塊結(jié)合大跨距原則等針對現(xiàn)場的測量方案，選取了編號25、30、91、96共4個節(jié)點為不動點，在此基礎(chǔ)上，利用ATP軟件在10×10的地網(wǎng)模型中測量了24對節(jié)點間的端口電阻，如表1所示。

表1 測量端口電阻值

在變電站現(xiàn)場實際診斷中，通過一次計算（即將全部測量端口電阻輸入診斷程序計算）往往不能得出準確的結(jié)果，通常會出現(xiàn)偽故障支路，需要在第一次診斷出的故障支路附近再選取若干測量數(shù)據(jù)代入診斷程序進行多次計算，最終得出真實故障支路。將測量數(shù)據(jù)全部代入診斷程序中，計算得出診斷結(jié)果如圖3和表2所示。

圖3 無構(gòu)架時仿真結(jié)果

由圖3和表2可以看出，盡管最終診斷出的電阻支路增大倍數(shù)與設(shè)定值有一定誤差，但相比其他支路的電阻變化情況，假設(shè)的4條故障支路電阻增大倍數(shù)相對明顯，即可以100%診斷出故障支路，對現(xiàn)場診斷有很好的指導意義。

表2 無構(gòu)架時診斷結(jié)果

2.2.2 考慮構(gòu)架時支路的腐蝕診斷

加入構(gòu)架電阻支路后，仿真計算中將保持地網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)不變，分析測量端口電阻改變對診斷結(jié)果的影響?？紤]到影響因素研究實質(zhì)是一個對比性研究，因此在仿真計算中，每次測量所選取的節(jié)點對和不考慮構(gòu)架情況時保持一致。在本節(jié)中假設(shè)構(gòu)架寬度為16 m（兩段支路的長度），且其單位長度電阻值為支路單位長度電阻值的一半。

在現(xiàn)場變電站中，每個構(gòu)架通常經(jīng)過引下線單獨與接地網(wǎng)相連，不存在構(gòu)架與構(gòu)架之間引線串聯(lián)或并聯(lián)后與地網(wǎng)連接，因此，只分析單一構(gòu)架和兩構(gòu)架存在時對變電站接地網(wǎng)腐蝕診斷的影響。變電站多個構(gòu)架同時存在可以看成多個兩構(gòu)架存在時的組合情況。

a）單一構(gòu)架不同位置的影響。

為了分析的準確性，在分析單一構(gòu)架不同位置的影響時，所選節(jié)點對和不考慮構(gòu)架時所選節(jié)點對一致，且所選節(jié)點與圖2所示編號相對應。通過測量及診斷，所得結(jié)果如表3所示。

表3 單一構(gòu)架不同位置診斷結(jié)果

結(jié)合圖2和表3，可以看出加入單一構(gòu)架后，構(gòu)架距離腐蝕支路由遠至近時，在一定距離范圍內(nèi)對診斷結(jié)果的影響是一個漸變的過程。當構(gòu)架與腐蝕支路距離大于單根支路長度3倍時，考慮構(gòu)架時腐蝕支路增大倍數(shù)與沒有考慮構(gòu)架時腐蝕支路增大倍數(shù)相比變化不大；當構(gòu)架與腐蝕支路距離在單根支路長度3倍范圍之內(nèi)時，腐蝕支路增大倍數(shù)與沒有考慮構(gòu)架時腐蝕支路增大倍數(shù)變化較大，且距離構(gòu)架越近，差距越大；特別是當構(gòu)架連接于腐蝕支路兩端時，誤差最大，如當構(gòu)架處于75—97、81—103、31—53節(jié)點對時，支路 61、77、161、166分別比無構(gòu)架時降低了59.7%、55%、66.7%和52.6%?？紤]到數(shù)據(jù)測試時現(xiàn)場誤差等因素，可以認為4條支路沒有腐蝕或判定為輕度腐蝕，此時將會忽視真實腐蝕支路，即出現(xiàn)誤判。

b）兩個構(gòu)架不同位置時的影響。

為進一步驗證，下面考慮兩個構(gòu)架存在時對故障支路腐蝕診斷結(jié)果的影響情況。所選節(jié)點對依舊與不考慮構(gòu)架時所選節(jié)點對一致，且所選節(jié)點與圖2所示編號相對應。診斷結(jié)果如表4所示。

表4 兩構(gòu)架不同位置時的診斷結(jié)果

結(jié)合圖2和表4可知，加入兩個構(gòu)架時，不論所加構(gòu)架以任何方式布置，腐蝕支路距離構(gòu)架較遠時，對腐蝕診斷結(jié)果影響不大或沒有影響；當腐蝕支路附近有構(gòu)架時，考慮構(gòu)架時腐蝕支路的診斷值小于不考慮構(gòu)架時腐蝕支路的診斷值，并且腐蝕支路距離構(gòu)架越近，診斷所得腐蝕支路電阻值增大倍數(shù)與不考慮構(gòu)架時的診斷結(jié)果誤差越大。

從診斷數(shù)據(jù)對比中，應當注意到，如果進行腐蝕診斷沒有考慮構(gòu)架影響，構(gòu)架附近出現(xiàn)增大倍數(shù)較小的腐蝕支路時，應該考慮是否存在嚴重腐蝕。因為構(gòu)架的存在降低了其附近腐蝕支路診斷的靈敏性而使腐蝕診斷倍數(shù)降低，在診斷測試中可能會遺漏這種真實的故障支路。

3 現(xiàn)場測試

根據(jù)所得結(jié)論，對河南省周口市某110 kV變電站進行現(xiàn)場測試，變電站接地網(wǎng)及接地引下線均采用直徑為20 mm的圓鋼，地網(wǎng)埋深0.8 m。測試時所編節(jié)點號和支路號如圖4所示，變電站內(nèi)鋼型構(gòu)架位置如圖4中虛線所示。

由于構(gòu)架引下線在主地網(wǎng)中所接具體位置在設(shè)計圖紙中未標出，因此采用不含構(gòu)架的地網(wǎng)拓撲圖進行計算仿真。測量所得數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 變電站節(jié)點端口電阻測試值

將測得數(shù)據(jù)代入重慶大學編制的地網(wǎng)腐蝕故障診斷軟件中進行計算。得到診斷結(jié)果數(shù)據(jù)以及診斷圖分別如表6和圖5所示。

表6 腐蝕診斷數(shù)據(jù)

由表6和圖5可以看出，支路37增大倍數(shù)為10倍，可以確定該支路有嚴重腐蝕。支路23增大倍數(shù)為4.9倍，可判斷出該支路有腐蝕的可能。結(jié)合圖4可以看出，支路23距離構(gòu)架較近，考慮構(gòu)架后該支路極有可能為嚴重腐蝕支路。因此，對37和23支路進行現(xiàn)場開挖，開挖結(jié)果如圖6和圖7所示。

4 結(jié)論

圖4 變電站地網(wǎng)圖

圖5 腐蝕診斷結(jié)果圖

圖6 支路37開挖結(jié)果

考慮鋼型構(gòu)架影響時，不論構(gòu)架位置如何布置、數(shù)目多少，進行腐蝕診斷測試時其附近支路的腐蝕倍數(shù)要比不考慮構(gòu)架影響時低，且腐蝕支路距離構(gòu)架越近，腐蝕倍數(shù)降低越明顯；當構(gòu)架接于腐蝕支路兩端時誤差最大，而對距離構(gòu)架較遠的腐蝕支路的診斷結(jié)果基本上沒有影響。

圖7 支路23開挖結(jié)果

根據(jù)文章分析結(jié)果可知，進行現(xiàn)場試時對構(gòu)架附近的腐蝕倍數(shù)不太大的支路要特別考慮或作為開挖對象，以免遺漏這種真實的故障支路。

［1］ 劉渝根，滕永禧，陳先祿.接地網(wǎng)腐蝕的診斷方法研究［J］.高電壓技術(shù)，2004，30（6）：19-21.

［2］ 崔翔，盧鐵.變電站接地網(wǎng)的斷點診斷方法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（2）：21-25.

［3］ Shirmohammadi D，Hong HW，Semlyken A，etal.Acompensationbased power flow method for weakly meshed dist ribution and transmission networks［J］.IEEE Trans on Power Systems，1988，3（2）：753-762.

［4］ 王守相，阮同軍，劉玉田.配電網(wǎng)潮流計算的回路阻抗法［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，1998，10（1）：12-16.

［5］ Zhang Fan，Cheng Carols.A modified Newton method for radial dist ribution system power flow analysis ［J］.IEEE Trans on Power Systems，1997，12（1）：389-397.

［6］ 張學松，柳焯，于爾鏗，等.配電網(wǎng)潮流算法比較研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1998，22（4）：45-49.

［7］ 劉浩，侯博淵.保留非線性的快速P-Q分解隨機潮流分析［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，1996，8（1）：8-17.

［8］ Sobierajski M.A method of stochastic load flow calculation［J］.Archiv Fur Elekt rotechnik，1978，4（1）：283-288.

［9］ 黃進安，吳惟靜.保留潮流方程非線性的電力系統(tǒng)概率潮流計算［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學報，1986，6（6）：3-12.

［10］ Borkowska B.Probabilistic load flow［J］.IEEE Trans on PAS，1974，93（3）：752-759.

［11］ 張曉玲，陳先祿.優(yōu)化技術(shù)在發(fā)、變電所接地網(wǎng)故障中的應用［J］.高電壓技術(shù)，2000，26（4）：64-66.

［12］ 王碩，劉渝根，游建川，等.大型接地網(wǎng)腐蝕優(yōu)化診斷［J］.重慶大學學報：自然科學版，2006，29（8）：33-35.

［13］ 劉渝根，吳立香，王碩.大中型接地網(wǎng)腐蝕優(yōu)化診斷實用化分析［J］.重慶大學報，2007（6）：11-13.

［14］ 肖新華，劉華，陳先祿，等.接地網(wǎng)腐蝕和斷點的診斷理論分析［J］.重慶大學學報：自然科學版，2001，24（3）：72-75.