基于模糊判據(jù)的接地網(wǎng)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(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,貴州 貴陽 550002;2.南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司,廣東 廣州 511365;3.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610031)

0 引言

近年來,電力系統(tǒng)容量、電壓等級的提升對其安全不間斷運(yùn)行提出了更高的要求。接地網(wǎng)是電力設(shè)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(tǒng)安全運(yùn)行的重要保障。由于投入運(yùn)行年限的增加、施工不當(dāng)(焊接不良、漏焊等)及地質(zhì)條件等的影響,接地體極易變細(xì)甚至斷裂,導(dǎo)致接地電阻攀升、接地網(wǎng)性能降低。因此,定期評估接地網(wǎng)安全性能極其必要。在實(shí)際工程中,接地網(wǎng)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(dāng)接地電阻不合格時(shí),要選點(diǎn)開挖檢查。該方法影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行,盲目性大[1],會(huì)耗損大量的人力、物力、財(cái)力。

目前,國內(nèi)外接地網(wǎng)缺陷檢測的方法主要有電網(wǎng)絡(luò)法、電化學(xué)法、電磁法等[2-6]。電網(wǎng)絡(luò)法通過接地體相關(guān)的電氣特性變化值,進(jìn)行接地網(wǎng)的侵蝕程度及斷點(diǎn)判別[7]。電網(wǎng)絡(luò)法的缺點(diǎn)是當(dāng)接地體存在局部侵蝕時(shí),其電阻及電位變化很小。電化學(xué)法通過測量接地體的電化學(xué)特征參數(shù),表征接地體的侵蝕情況。電化學(xué)法的缺點(diǎn)是無法判斷接地網(wǎng)的斷點(diǎn)情況[8]。電磁法利用接地引下線向接地網(wǎng)施加異頻正弦交流電,在地表采用接收裝置測量磁感應(yīng)強(qiáng)度,以判別接地網(wǎng)的侵蝕程度及斷點(diǎn)[9]。

本文利用電磁法判別桿塔接地網(wǎng)的侵蝕程度,依據(jù)導(dǎo)體的等效直徑將導(dǎo)體腐蝕程度劃分為三個(gè)等級,并結(jié)合模糊判據(jù)計(jì)算接地網(wǎng)導(dǎo)體的侵蝕程度。仿真計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明本文方法有效,可進(jìn)一步應(yīng)用于實(shí)際工程。

1 接地網(wǎng)腐蝕程度診斷理論基礎(chǔ)

1.1 簡單土壤結(jié)構(gòu)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(qiáng)度;t為時(shí)間。

(4)

式中:H為磁場強(qiáng)度;J為傳導(dǎo)電流密度。

輔助方程為:

B=μ0H

(5)

式中:μ0為媒質(zhì)的磁導(dǎo)率。

D=ε0E

(6)

式中:ε0為媒質(zhì)的介電常數(shù)。

在簡單的理想土壤環(huán)境(單層均勻土壤)中,正弦時(shí)變電場為:

(7)

根據(jù)式(3)可得:

×E(t)=

(8)

(9)

1.2 模糊判據(jù)

貼近度是模糊數(shù)學(xué)中的概念,表示兩個(gè)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(gè)模糊子集間的相似程度越高。本文應(yīng)用模糊判據(jù)計(jì)算接地網(wǎng)導(dǎo)體正上方地表磁感應(yīng)強(qiáng)度與數(shù)據(jù)庫樣本的模糊貼近度大小。

接地網(wǎng)導(dǎo)體正上方地表磁感應(yīng)強(qiáng)度分布矩陣[10]為:

(10)

式中:anm(μk)為接地網(wǎng)第n行、第m列的導(dǎo)體段正上方的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小,k為每根導(dǎo)體段上的等距觀測點(diǎn)數(shù)目。

磁感應(yīng)強(qiáng)度分布數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫樣本的模糊貼近度[11]為:

(11)

(12)

(13)

2 仿真計(jì)算

由于仿真計(jì)算模型相較于工程實(shí)際,其環(huán)境較為簡單,所以本文在仿真計(jì)算時(shí)作出以下假設(shè)。

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(shè)土壤是均勻的,即土壤電阻率為一個(gè)定值。

③忽略電動(dòng)力對接地導(dǎo)體的影響,把接地體當(dāng)作一個(gè)純電阻網(wǎng)絡(luò)。

④腐蝕后的接地導(dǎo)體截面是規(guī)則形狀,腐蝕速率一致。

⑤接地導(dǎo)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(wǎng)模型。形狀系數(shù)為1.0。每根接地導(dǎo)體為長12 m、等效直徑0.012 m的鍍鋅圓鋼。接地導(dǎo)體相對電阻率為109.7 Ω·m、相對磁導(dǎo)率為636。接地網(wǎng)埋深0.8 m。土壤電阻率為300 Ω·m。激勵(lì)電流為10 A、512 Hz的正弦信號(hào)[13]。

典型桿塔接地網(wǎng)模型如圖1所示。

圖1 典型桿塔接地網(wǎng)模型

圖1中:OABC為接地網(wǎng)導(dǎo)體;O′A′B′C′為在接地網(wǎng)導(dǎo)體正上方地表處設(shè)置的磁感應(yīng)強(qiáng)度等距觀測線。最小故障設(shè)為1 m(如圖中MN),觀測線步長設(shè)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(jié)點(diǎn))。I處箭頭向下代表連接激勵(lì)正極。I′處箭頭向上代表連接激勵(lì)負(fù)極。

2.2 不同腐蝕程度地表磁感應(yīng)強(qiáng)度

為研究接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕程度不同時(shí)地表磁感應(yīng)強(qiáng)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(gè)接地體)接地網(wǎng)導(dǎo)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(wǎng)導(dǎo)體的不同狀態(tài)下,觀測線A′B′處磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖2所示。

圖2 觀測線A＇B＇處磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

由圖2可知:在腐蝕程度不同時(shí),地表磁感應(yīng)強(qiáng)度不同;腐蝕越嚴(yán)重,地表磁感應(yīng)強(qiáng)度變化越與無腐蝕時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化不同。對此,可以進(jìn)一步運(yùn)用貼近度計(jì)算腐蝕程度。

2.3 不同腐蝕程度貼近度計(jì)算

經(jīng)Matlab計(jì)算MN段與AB段不同等效直徑與無腐蝕理想狀態(tài)下的磁感應(yīng)強(qiáng)度貼近度可得,w1=w2=0.5。

貼近度計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 貼近度計(jì)算結(jié)果

由表1可知,導(dǎo)體腐蝕程度越大,其磁感應(yīng)強(qiáng)度與無腐蝕情況下的貼近度越小。通過貼近度數(shù)值的大小可以評估導(dǎo)體腐蝕程度。數(shù)值越小,則導(dǎo)體腐蝕越嚴(yán)重。依據(jù)貼近度的大小可以將腐蝕程度劃分為以下等級:當(dāng)貼近度大于0.7且小于1.0時(shí)為輕度腐蝕;當(dāng)貼近度大于0.6且小于等于0.7時(shí)為中度腐蝕;當(dāng)貼近度小于等于0.6時(shí)為重度腐蝕(含斷裂)。

3 接地網(wǎng)腐蝕程度診斷

3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

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

試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃喕┮暼鐖D3所示。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃喕┮晥D

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

3.2 試驗(yàn)方法

本文測量兩個(gè)最短距離可及節(jié)點(diǎn)間的腐蝕程度。試驗(yàn)步驟如下。

①按照上述參數(shù)構(gòu)建接地試驗(yàn)?zāi)Ｐ?在AB段導(dǎo)體中點(diǎn)F處切斷。節(jié)點(diǎn)間用鱷魚夾連接,并將對應(yīng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記。通過串接不同阻值的電阻,等效為相應(yīng)的腐蝕程度。

②采用vLoc3發(fā)射機(jī)對接地網(wǎng)施加電流激勵(lì)。

③采用vLoc3接收機(jī)對不同狀態(tài)下的導(dǎo)體進(jìn)行磁感應(yīng)強(qiáng)度的測量。

④對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與分析。

接地網(wǎng)模型試驗(yàn)情況如表2所示。

表2 接地網(wǎng)模型試驗(yàn)情況

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

在F點(diǎn)斷開時(shí),AB觀測線上未能測到有效的磁感應(yīng)強(qiáng)度。在F點(diǎn)腐蝕程度不同時(shí),AB觀測線上實(shí)測磁感應(yīng)強(qiáng)度不同。隨著腐蝕程度加深,AB觀測線上磁感應(yīng)強(qiáng)度變化與未腐蝕時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化明顯不同。

不同腐蝕程度下磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖4所示。

圖4 不同腐蝕程度下磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

本文利用Matlab軟件計(jì)算不同腐蝕程度實(shí)測值與無腐蝕實(shí)測值的貼近度。

貼近度計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 貼近度計(jì)算結(jié)果

將表3結(jié)果與腐蝕程度劃分進(jìn)行對比,可驗(yàn)證本文所述方法的合理性。

4 結(jié)論

本文基于電磁感應(yīng)原理,應(yīng)用CDEGS軟件對典型桿塔接地網(wǎng)進(jìn)行模擬仿真,分析了接地網(wǎng)導(dǎo)體存在不同腐蝕程度時(shí)地表磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布情況。本文基于模糊判據(jù)的方法,分別對不同程度腐蝕時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度與理想狀態(tài)(即不存在腐蝕)下的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行了貼近度計(jì)算,并對接地網(wǎng)導(dǎo)體腐蝕程度劃定了輕度、中度和重度腐蝕三個(gè)級別。通過接地網(wǎng)模型試驗(yàn),驗(yàn)證了本文所述理論及方法的實(shí)用性。該方法在接地網(wǎng)導(dǎo)體的檢測和維護(hù)方面具有重要的工程應(yīng)用潛力。