基于地表電位幅值和相角的接地網(wǎng)故障診斷方法研究

權(quán)學(xué)政，李朝霞

(西藏農(nóng)牧學(xué)院 電氣工程學(xué)院，西藏 林芝 860000)

0 引 言

變電站之所以能安全穩(wěn)定運行，接地網(wǎng)起到了關(guān)鍵的作用。而當(dāng)接地網(wǎng)出現(xiàn)腐蝕變細(xì)或腐蝕斷裂時，就會發(fā)生事故，從而影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，造成設(shè)備損壞，帶來經(jīng)濟(jì)損失[1]。因此準(zhǔn)確診斷并定位接地網(wǎng)的故障位置對電力系統(tǒng)的安全運行有著非常重要的意義。

傳統(tǒng)接地網(wǎng)故障診斷的方法是大面積抽查開挖地網(wǎng)，這種方法雖然簡單，但盲目性較大、工作量較大、排查速度較慢。為實現(xiàn)在不開挖情況下對接地網(wǎng)的故障進(jìn)行診斷，目前已有的接地網(wǎng)故障診斷方法主要有導(dǎo)通電阻法、電化學(xué)檢測法、磁感應(yīng)強度法以及地表電位法等[2]。導(dǎo)通電阻法是將接地網(wǎng)看成純電阻網(wǎng)絡(luò)，通過建立接地網(wǎng)的腐蝕診斷方程，并求解診斷方程得到接地網(wǎng)支路導(dǎo)體的變化值。但接地網(wǎng)各段導(dǎo)體的電阻都比較小，導(dǎo)致導(dǎo)體電阻變化并不明顯，使得故障診斷的靈敏度較低[3]。電化學(xué)檢測法是表征接地網(wǎng)材料腐蝕狀態(tài)和研究腐蝕機理最有效的手段，但傳統(tǒng)的電化學(xué)檢測系統(tǒng)對測量地網(wǎng)金屬的腐蝕狀態(tài)不夠準(zhǔn)確，并且測量過程中還存在一些干擾信號和雜散電流，因此電化學(xué)檢測方法也不能較好地用于接地網(wǎng)的腐蝕診斷[4-5]。磁感應(yīng)強度法是目前研究接地網(wǎng)腐蝕診斷的熱點之一，通過對變電站接地網(wǎng)直接施加激勵電流，測量地表面磁感應(yīng)強度分布，對接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕和斷裂狀況進(jìn)行診斷，但由于變電站內(nèi)存在很大的噪聲干擾，對于信噪比很低的電磁信號很難準(zhǔn)確測量，還需要技術(shù)上的突破[6-7]。地表電位法也是目前研究接地網(wǎng)腐蝕診斷的熱點之一，在接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一定時，接地網(wǎng)周圍的電位分布也將確定，當(dāng)接地網(wǎng)存在故障時會導(dǎo)致場源發(fā)生變化，接地網(wǎng)周圍的電場和電位分布也會隨著場源的變化而變化，即可根據(jù)這一變化確定接地網(wǎng)的故障位置[8-9]。

該文基于地表電位法來對接地網(wǎng)故障進(jìn)行診斷，但并不僅僅依據(jù)地表電位的幅值，而是還考慮到地表電位的相角這一因素，應(yīng)用地表電位的幅值與相角這2種因素對接地網(wǎng)正常狀態(tài)與腐蝕變細(xì)、腐蝕斷裂以及混合故障進(jìn)行仿真對比研究，從而使接地網(wǎng)故障診斷的準(zhǔn)確性有所提升。

1 接地網(wǎng)故障診斷原理及故障模擬

1.1 接地網(wǎng)故障診斷原理

假設(shè)電流I通過接地引下線流入接地網(wǎng)，根據(jù)恒定電流場理論，參考點選擇為無窮遠(yuǎn)處，運用格林函數(shù)原理，即可得到電極泄流電流在任一點P處產(chǎn)生的電位：

(1)

式中：J(Q)為電極表面S在點Q處的泄流電流密度；G(P,Q)為電極幾何形狀的格林函數(shù)。

泄流電流通過接地網(wǎng)流入大地中的總和與從接地極中流入的電流I相等，即

(2)

假設(shè)接地網(wǎng)導(dǎo)體上沒有電壓降，那么邊界條件即為

V|Γ=C

(3)

式中：C為常數(shù)。

方程式(1)～(3)為計算接地參數(shù)的基本方程，數(shù)值計算時要采用疊加原理，因此應(yīng)將接地網(wǎng)中的每個導(dǎo)體都要進(jìn)行割分，將其看成是點源或者是線源，從而得到n個微段，繼而求得每一個微段的電荷密度在一個點上生成的電位，這樣就把積分式轉(zhuǎn)化為求和計算。

假設(shè)一個長為L的電極，通過該電極所泄流的總電流為I，再把該電極分割成n個微段，第j個微段的長度記為Lj，該微段的中心表示為Oj，該微段所泄流的電流為Ij，則

(4)

(5)

由疊加定理則可求出該電極所泄漏的電流I在P點處的電位：

(6)

式中：G(P,Qj)為以O(shè)j為等效中心的單位點電流源在P點生成的電位。當(dāng)把G(P,Q)定義為微元段j與場點P之間的互電阻，用Rj,P表示；Vj,P為第j段導(dǎo)體的單位電流源在點P上產(chǎn)生的電壓，則

(7)

1.2 接地網(wǎng)模型設(shè)計

由于對形狀規(guī)則的接地網(wǎng)已有不少研究，因此此文對不規(guī)則接地網(wǎng)進(jìn)行研究。接地網(wǎng)的模型采用60 m×20 m不規(guī)則的方式排列，導(dǎo)體半徑為5 mm 的實心銅，接地網(wǎng)埋深為0.8 m，土壤模型為均勻土壤，土壤電阻率為100 Ω·m。接地網(wǎng)模型如圖1所示。觀測點選取的方向為橫向，取接地網(wǎng)模型中30個觀測點進(jìn)行分析。觀測點13為電流注入點，其頻率為50 Hz，電流大小為4 A。

圖1 接地網(wǎng)模型圖Fig.1 Grounding grid model diagram

1.3 接地網(wǎng)的故障設(shè)置

由于接地網(wǎng)常年埋設(shè)在地下，其最常見的故障是就是由于腐蝕所帶來的接地網(wǎng)導(dǎo)體的腐蝕變細(xì)以及腐蝕斷裂，因此對導(dǎo)體的腐蝕變細(xì)及腐蝕斷裂進(jìn)行仿真研究。故障設(shè)置如表1所示。

表1 接地網(wǎng)故障設(shè)置Table 1 Grounding grid fault setting

2 結(jié)果分析

將無故障接地網(wǎng)觀測點的地表電位幅值與相角計算出來，以及將故障狀態(tài)下接地網(wǎng)觀測點的地表電位幅值與相角計算出來，并且用無故障接地網(wǎng)的地表電位幅值減去故障狀態(tài)下接地網(wǎng)的地表電位幅值，用無故障接地網(wǎng)的地表電位相角減去故障狀態(tài)下接地網(wǎng)的地表電位相角，從而對無故障與故障接地網(wǎng)地表電位的幅值差與相角差進(jìn)行分析。

2.1 腐蝕變細(xì)

接地網(wǎng)導(dǎo)體的故障分別在觀測點6—12之間和20—21之間進(jìn)行腐蝕變細(xì)模擬，模擬方法是將原來導(dǎo)體半徑為5 mm的接地體模擬成導(dǎo)體半徑為1 mm 的接地體。無故障與故障接地網(wǎng)的地表電位幅值與相角差曲線如圖2～3所示。

由圖2(a)可見，接地網(wǎng)導(dǎo)體變細(xì)以后，故障區(qū)域附近的地表電位幅值有明顯變化，觀測點6和12的地表電位幅值差都明顯大于0，但這并不能說明地表電位幅值之差大于0的兩觀測點之間即為故障區(qū)域，因為觀測點3的地表電位幅值差也大于0；雖然觀測點6和12的地表電位幅值差明顯比觀測點3的更加突出。由圖2(b)可見，觀測點3和6的地表電位相角差為同號，而觀測點6和12的地表電位相角差為異號。由圖3(a)可見，發(fā)生故障的區(qū)域其地表電位的幅值有明顯變化，即觀測點20和21的地表電位幅值差都明顯大于0。由圖3(b)可見，觀測點20和21的地表電位相角差為異號。

圖2 無故障與6—12之間導(dǎo)體變細(xì)的地表電位幅值與相角之差Fig.2 The difference in the amplitude and phase angle of ground surface potential between fault-free and 6—12 thinner conductors

圖3 無故障與20—21之間導(dǎo)體變細(xì)的地表電位幅值與相角之差Fig.3 The difference in the amplitude and phase angle of ground surface potential between fault-free and 20—21 thinner conductor

2.2 腐蝕斷裂

接地網(wǎng)導(dǎo)體的故障分別在觀測點6—12之間和20—21之間進(jìn)行腐蝕斷裂模擬，模擬方法是將原先完整的導(dǎo)體模擬為導(dǎo)體中間斷裂1 m。無故障與故障接地網(wǎng)的地表電位幅值與相角差曲線如圖4～5所示。

由圖4(a)可見，接地網(wǎng)導(dǎo)體斷裂后，故障區(qū)域附近的地表電位幅值有明的變化，觀測點6和12的地表電位幅值差都明顯大于0，同樣也不能說明地表電位幅值之差大于0的兩觀測點之間即為故障區(qū)域，因為觀測點3的地表電位幅值差也大于0;雖然觀測點6和12的地表電位幅值差還是明顯比觀測點3的突出。由圖4(b)可見，觀測點3和6的地表電位相角差為同號，而觀測點6和12的地表電位相角差為異號。由圖5(a)可見，發(fā)生故障區(qū)域的地表電位幅值有明顯變化，即觀測點20和21的地表電位幅值差都明顯大于0。由圖5(b)可見，觀測點20和21的地表電位相角差為異號。

圖4 無故障與6—12之間導(dǎo)體斷裂地表電位幅值與相角之差Fig.4 The difference in the amplitude and phase angle of ground surface potential between fault-free and 6—12 conductor fracture

圖5 無故障與20—21之間導(dǎo)體斷裂地表電位幅值與相角之差Fig.5 The difference in the amplitude and phase angle of ground surface potential between fault-free and 20—21 conductor fracture

因此，由上述兩個不同的單一故障可以得出，在觀測點地表電位幅值差都大于0且兩者之間的地表電位相角差為異號時，才能準(zhǔn)確診斷出故障區(qū)域。

2.3 混合故障

上文仿真模擬了單一故障的狀況，但實際中還存在大量的多個故障的現(xiàn)象，以2種故障混合進(jìn)行研究。接地網(wǎng)導(dǎo)體的故障分別在觀測點6—12之間和20—21之間進(jìn)行混合故障的模擬，無故障與故障接地網(wǎng)的地表電位幅值與相角差曲線如圖6～9所示。

圖6 無故障與6—12變細(xì)、20—21變細(xì)地表電位幅值與相角之差Fig.6 The difference in the amplitude and phase angle of ground surface potential between fault-free and 6—12，20—21 thinner conductor

圖7 無故障與6—12斷裂、20—21變細(xì)地表電位幅值與相角之差Fig.7 The difference in the amplitude and phase angle of ground surface potential between fault-free and 6—12 conductor fracture，20—21 thinner conductor

圖8 無故障與6—12變細(xì)、20—21斷裂地表電位幅值與相角之差Fig.8 The difference in the amplitude and phase angle of ground surface potential between fault-free and 6—12 thinner conductor，20—21 conductor fracture

圖9 無故障與6—12斷裂、20—21斷裂地表電位幅值與相角之差Fig.9 The difference in the amplitude and phase angle of ground surface potential between fault-free and 6—12，20—21 conductor fracture

由圖6～9可見，接地網(wǎng)存在兩種故障以后，故障區(qū)域的地表電位幅值都有較為明顯的變化，觀測點6和12以及觀測點20和21其地表電位幅值差都大于0，而且觀測點6和12的地表電位相角差為異號，觀測點20和21的地表電位相角差也為異號。

3 接地網(wǎng)診斷分析

根據(jù)所有曲線圖(a)的計算結(jié)果，最大幅值差和相角差見表2、表3。

表2 接地網(wǎng)故障區(qū)域地表電位幅值差Table 2 Ground potential amplitude difference in the fault area of grounding grid

表3 接地網(wǎng)故障區(qū)域地表電位相角差Table 3 Groundphase angle difference in the fault area of grounding grid

由表2可得出，無論是接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕變細(xì)還是腐蝕斷裂故障，觀測點6的地表電位幅值差的數(shù)值都比觀測點12的地表電位幅值差的數(shù)值要大，并且在接地網(wǎng)腐蝕斷裂故障中其數(shù)值要大的更加明顯，因此在故障導(dǎo)體方向與選取觀測點方向垂直時，觀測點離電流注入點越遠(yuǎn)則地表電位幅值下降越大。而在接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕變細(xì)故障中，觀測點20的地表電位幅值差的數(shù)值都比觀測點21的地表電位幅值差的數(shù)值要略小一些。但在接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕斷裂故障中，觀測點20的地表電位幅值差的數(shù)值都比觀測點21的地表電位幅值差的數(shù)值要明顯大一些。接地網(wǎng)混合故障中觀測點的地表電位幅值差要比同樣故障條件下2個單一故障中觀測點的地表電位幅值差要小。這說明混合故障會使地表電位幅值變化的幅度降低。

由表3可得出，接地網(wǎng)混合故障中觀測點的地表電位相角差要比同樣故障條件下2個單一故障中觀測點的地表電位相角差要小一些。這說明混合故障會使地表電位相角變化的幅度也會有所降低。

從所有曲線圖(b)的計算結(jié)果中可見，接地網(wǎng)故障區(qū)域的相角變化最為劇烈，也就是說故障區(qū)域相角之間的差值要比無故障區(qū)域相角之間的差值要大。

4 結(jié) 語

1)在應(yīng)用地表電位對接地網(wǎng)故障進(jìn)行診斷時，當(dāng)觀測點的地表電位幅值差都大于0且兩者之間的地表電位相角差為異號時，此觀測點之間的區(qū)域為故障區(qū)域。

2)仿真所注入的電流為4 A，在實際應(yīng)用時可提高電流的大小，從而使地表電位的幅值差有所增大，以利于提升故障辨識精度。

3)在應(yīng)用地表電位的相角差來診斷故障時，也需注意在實際應(yīng)用時，相角測量的精度是否能夠達(dá)到，還需要進(jìn)一步研究。