電阻抗掃描成像技術(shù)在變電站接地網(wǎng)故障診斷中的應(yīng)用研究

陳建偉，錢洲亥，胡家元

（1.中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司，上海 200081；2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

電阻抗掃描成像技術(shù)在變電站接地網(wǎng)故障診斷中的應(yīng)用研究

陳建偉1，錢洲亥2，胡家元2

（1.中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司，上海 200081；2.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

采用電阻抗掃描成像技術(shù)對某220 kV變電站接地網(wǎng)的腐蝕和斷裂情況進(jìn)行檢測與診斷，檢測結(jié)果表明：接地網(wǎng)整體阻抗值為43 mΩ，各區(qū)域支路阻抗值都在允許范圍內(nèi)，接地網(wǎng)整體接地狀況良好。發(fā)現(xiàn)Ⅰ區(qū)域的8號引下線接地電阻大于50Ω，經(jīng)過開挖證明此引下線存在嚴(yán)重腐蝕，已與主接地網(wǎng)斷開，建議及時(shí)修復(fù)并采取保護(hù)措施。電阻抗掃描成像技術(shù)能夠?qū)\(yùn)行多年變電站的接地網(wǎng)腐蝕及斷裂狀況進(jìn)行快速有效診斷，減少接地網(wǎng)腐蝕診斷的盲目性和工作量，提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性。

電阻抗掃描成像；變電站；接地網(wǎng)；故障診斷

0 引言

變電站接地網(wǎng)是重要的輸變電設(shè)備之一，具有將電力系統(tǒng)與大地相連、提供故障電流及雷電流的泄放通道、穩(wěn)定電位、提供零電位參考點(diǎn)等功能，是電力系統(tǒng)設(shè)備及人身安全的重要保障[1-2]。構(gòu)成接地網(wǎng)的均壓導(dǎo)體埋設(shè)在地下，常因施工時(shí)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(dǎo)致地網(wǎng)導(dǎo)體及接地引線腐蝕，甚至斷裂，使地網(wǎng)均壓導(dǎo)體之間或接地引線與均壓導(dǎo)體之間存在電氣連接不良的故障點(diǎn)。若遇電力系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障，將造成地網(wǎng)本身局部電位差和地網(wǎng)電位異常升高。過去一般是在發(fā)現(xiàn)接地電阻不合格或出現(xiàn)事故后，通過開挖地面來查找接地網(wǎng)的電氣連接故障點(diǎn)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(tǒng)安全運(yùn)行。因此，在不停電和不進(jìn)行大面積開挖狀態(tài)下，對變電站接地網(wǎng)故障診斷理論與實(shí)用化方法的研究值得關(guān)注[3]。

1 實(shí)驗(yàn)原理

接地網(wǎng)一般采用導(dǎo)電性良好的金屬材料，忽略土壤、濕度、溫度等外界環(huán)境的影響，其分布電感和分布電容也可忽略，則接地網(wǎng)就可以等效為純電阻網(wǎng)絡(luò)。采用一定的測量手段和計(jì)算方法，能夠求出實(shí)際中接地網(wǎng)導(dǎo)體中各支路的電阻值或其變化量，根據(jù)求出的各支路電阻值與設(shè)計(jì)時(shí)相應(yīng)支路電阻值相比較，進(jìn)而判斷導(dǎo)體腐蝕和斷裂情況。變電站中電力設(shè)備需要接地，而從接地網(wǎng)中引出了一些下引線，稱之為接地網(wǎng)可及節(jié)點(diǎn)，選擇一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，通過向接地網(wǎng)可及節(jié)點(diǎn)注入激勵(lì)電流源，就可以測得其他任意點(diǎn)與參考點(diǎn)間的電壓[4-6]。為此，在腐蝕診斷理論研究成果的基礎(chǔ)上完善了接地網(wǎng)腐蝕診斷實(shí)用化方法，提出了接地網(wǎng)故障診斷新技術(shù)——EIS（電阻抗掃描成像技術(shù)），采用正則化技術(shù)快速求解基于靈敏度矩陣的故障診斷方程，通過單點(diǎn)有序輪換激發(fā)多點(diǎn)接受測試，計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)接地網(wǎng)電阻抗檢測，并研制了接地網(wǎng)故障診斷裝置。該裝置采用16電極循環(huán)測量法，主要功能就是要完成對變電站接地網(wǎng)可及節(jié)點(diǎn)間電壓差的測量。

如圖1所示，在數(shù)據(jù)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(gè)節(jié)點(diǎn)間的電壓差值信號，數(shù)據(jù)多次采集并求均值。為了方便測量，在測量時(shí)可以以電流流出節(jié)點(diǎn)為電位參考點(diǎn)，測量其他節(jié)點(diǎn)的電位。當(dāng)接地網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，在同等的注入電流條件下，故障區(qū)域?qū)?yīng)地表電位會發(fā)生變化，而沒有故障的區(qū)域地表電位變化不大，因此可以根據(jù)地表電位是否變化來判斷接地網(wǎng)是否發(fā)生故障。該裝置能夠在不停電和不進(jìn)行大面積開挖的情況下，僅僅依靠接地網(wǎng)接地引下線間電阻，就能對接地網(wǎng)的腐蝕和斷點(diǎn)情況進(jìn)行快速準(zhǔn)確的檢測[7-10]。

2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用接地網(wǎng)電阻抗掃描成像儀對某220 kV變電站進(jìn)行接地網(wǎng)狀態(tài)評價(jià)及故障診斷。

2.1支路阻抗測量方案

圖1 數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)的。所以根據(jù)變電站等級分別采用全站測量法與分區(qū)測量法。全站測量法測試內(nèi)容少，工作量比較低，適用于110 kV及以下的變電站。分區(qū)測量法是根據(jù)接地引下線實(shí)際位置將變電站分成幾個(gè)區(qū)塊分別測量，工作內(nèi)容多，測得的數(shù)據(jù)精度較高，適用于110 kV以上的變電站[11]。本次試驗(yàn)為了測試整個(gè)接地網(wǎng)支路阻抗，采取分區(qū)測量法。

（1）區(qū)域劃分。將變電站分為10個(gè)區(qū)域依次編號為 A—J。

（2）引下線選取。在每一區(qū)域分別選取16個(gè)接地網(wǎng)引下線并編號，例如在A區(qū)選取16個(gè)引下線依次編號為A1，A2，…，A16，以此類推。

（3）數(shù)據(jù)采集。將接地網(wǎng)檢測裝置1—16號導(dǎo)線依次接入各個(gè)區(qū)域中引下線對應(yīng)位置，利用檢測裝置分別對每個(gè)區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

（4）判斷標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)測量結(jié)果得到的每個(gè)支路的電阻相對基準(zhǔn)值0.5 mΩ的增大倍數(shù)。按照表1的判斷標(biāo)準(zhǔn)，得出接地網(wǎng)各支路導(dǎo)體的腐蝕程度[11]。根據(jù)接地網(wǎng)掃描成像儀內(nèi)置軟件算法及長期測量經(jīng)驗(yàn)值，110 kV及以下變電站支路阻抗值增大倍數(shù)大于20，2 200 kV及以上變電站支路阻抗值增大倍數(shù)大于30，則接地網(wǎng)存在支路故障。

表1 接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕程度的劃分[11]

2.2 整體阻抗測量方案

由于接地網(wǎng)阻值較小，為減小測量誤差，本次試驗(yàn)采用四電極法測量接地網(wǎng)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(yàn)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(wǎng)引下線。

（2）Fluke儀調(diào)至測電阻檔。

（3）直接讀取電阻值。

2.3 引下線導(dǎo)通測試方案

為測試所選取接地網(wǎng)引下線導(dǎo)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(jù)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》中“接地裝置”的相關(guān)方法確定所選接地網(wǎng)引下線是否導(dǎo)通[12-13]。具體標(biāo)準(zhǔn)如下：

（1）測試結(jié)果在50 mΩ以下，表示接地狀況良好。

（2）測試結(jié)果在 50～200 mΩ，表示接地狀況尚可。

（3）測試結(jié)果在200 mΩ～1Ω，表示接地狀況不佳。

（4）測試結(jié)果在1Ω以上，表示設(shè)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(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果

3.1 整體阻抗

經(jīng)測量接地網(wǎng)整體阻抗值為43 mΩ，表明接地狀況良好。

3.2 支路阻抗計(jì)算結(jié)果

圖3所示為部分區(qū)域的支路阻抗相對基準(zhǔn)值的測量診斷結(jié)果，從圖中可以看到，A區(qū)與C區(qū)測量接地網(wǎng)區(qū)域支路阻抗最大增大倍數(shù)分別為8倍和7倍，屬于中度腐蝕程度。其余分區(qū)接地網(wǎng)各個(gè)支路阻抗最大增大20倍以下，各支路阻值都在允許范圍內(nèi)，接地狀況良好。

3.3 引下線導(dǎo)通測試結(jié)果

圖3 接地網(wǎng)支路阻抗計(jì)算結(jié)果

在試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集過程中，發(fā)現(xiàn)位于Ⅰ區(qū)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(shù)據(jù)出現(xiàn)異常。通過采取多次測量及包圍測量方式，測量數(shù)據(jù)如表2所示，發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)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(yàn)證8號引下線異常原因，選取包括8號引下線在內(nèi)的16個(gè)引下線并編號，然后測量各節(jié)點(diǎn)電壓變化，測得結(jié)果如圖4所示。

圖4 測量節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)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(yán)重腐蝕甚至已出現(xiàn)與接地網(wǎng)斷接的情況，導(dǎo)致其電位抬升明顯。同時(shí)從圖4中也可以發(fā)現(xiàn)1號、2號、6號引下線電位也出現(xiàn)一定抬升，說明這3處引下線也出現(xiàn)了不同程度的腐蝕，導(dǎo)致接地電阻增大。

3.4 現(xiàn)場開挖檢查

現(xiàn)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(jìn)行開挖，以便進(jìn)一步驗(yàn)證上述診斷結(jié)果。

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)：8號引下線已經(jīng)斷開，表面腐蝕較嚴(yán)重，出現(xiàn)紅棕色鐵銹。經(jīng)分析，由于施工安裝不規(guī)范，土壤沉降，土壤腐蝕等因素綜合作用，導(dǎo)致8號引下線腐蝕斷裂。建議更換接地網(wǎng)引下線，保證接地網(wǎng)電阻值合格，同時(shí)完善接地網(wǎng)腐蝕保護(hù)措施，施行陰極保護(hù)策略，包括犧牲陽極法以及外加電流陰極保護(hù)等。

4 結(jié)語

電阻抗掃描成像技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)變電站接地網(wǎng)故障高效快速的檢測，可以根據(jù)支路阻抗大小測出腐蝕嚴(yán)重區(qū)域，對接地網(wǎng)腐蝕斷點(diǎn)檢測尤其有效。它為變電站接地網(wǎng)腐蝕情況提供了準(zhǔn)確實(shí)用的優(yōu)化診斷方法，能夠在變電站運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行，并且有效避免大面積開挖，從而大大減少了接地網(wǎng)腐蝕診斷的盲目性和工作量，一定程度上提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性。該方法不但能夠?qū)\(yùn)行多年變電站的接地網(wǎng)腐蝕程度及斷裂狀況進(jìn)行快速準(zhǔn)確診斷，對新鋪設(shè)地網(wǎng)的質(zhì)量驗(yàn)收也有著實(shí)際意義。

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2017-09-15

陳建偉（1984），男，工程師，從事電站設(shè)備腐蝕與防護(hù)技術(shù)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(wǎng)浙江省電力公司科技項(xiàng)目（5211DS14005D）；杭州意能電力技術(shù)有限公司科技項(xiàng)目（EPRD2016-03）