变电站门型构架对地网腐蚀诊断的影响

史宏伟，刘守明

（国网河南省电力公司周口供电公司，河南 周口 466000）

0 引言

变电站的主接地网是电力系统过电压保护装置的重要组成部分，它以水平敷设的人工接地体为主，辅以垂直接地体，构成变电站人工接地装置。降低接地电阻主要靠大面积水平接地体，正常时具有均压、散流、减小接触电势和跨步电压的作用。但由于接地网导体埋在地下，常因土壤多年的腐蚀而使性能变差，威胁着电力系统的安全运行和站内工作人员以及电气设备的安全。因此，对接地网的腐蚀情况进行检测，及时发现并排除隐患故障，显得尤为重要[1—2]。

近年来，接地网研究与分析领域取得了大量成果[3—6]，尤其是接地网故障诊断领域取得了很大的进步。文献［7—9］基于节点电压法和参数识别法，以接地网中每段导体电阻增量为故障参量建立故障诊断方程，采用线性优化方法求解。文献［10］采用电磁场方法研究了导体断裂的探测。文献［11］利用能量最低原理和优化技术，解决了腐蚀支路故障诊断理论中欠定方程的求解问题。文献［12］通过大量仿真计算对大中型接地网腐蚀优化诊断进行了研究，提出在接地网腐蚀诊断时采用分步分块优化测量的方法。

变电站内门型构架往往与接地网相连，应作为地网拓扑结构中的支路导体。但由于其连于接地网的具体位置并不明确，以往的接地网腐蚀诊断方法主要针对不考虑构架的地网进行研究。因此分析增加构架后对接地网腐蚀诊断结果的影响以及考虑构架在接地网不同位置分布对诊断结果的影响程度具有现实意义。

1 故障诊断理论

变电站接地网导体常用尺寸为6 mm×60 mm、6 mm×50 mm、5 mm×50 mm、4 mm×40 mm的扁钢或直径为20 mm的圆钢水平铺设，若忽略土壤、温度、湿度等因素的影响，可以把接地网视为纯电阻网络[13]。地网竣工时各段导体的长度、截面积和电阻率已确定，可知其原始电阻值。运行多年后，某些导体出现腐蚀或断裂，其支路电阻值与原始值相比增大，这样就得到2个拓扑结构相同、支路电阻不同的电阻网络。用适当的数学方法可推出接地网支路的电阻变化值，从而判断地网腐蚀及断点情况[14]。

图1 接地网连接图

假设如图1所示接地网为n+1个节点、b条支路、m+1根引线构成的纯电阻网络，在该网络的第i、j端口加上一个电流值为I0的电流源，根据电路原理可得

从而得到端口电阻

式中，A为选定一个参考节点后接地网的关联矩阵；Yb为支路导纳矩阵；Yn为节点导纳矩阵；Ib为支路电流矩阵；Un为节点电压列向量；In为节点的电流源列向量；Ub为端口电压列向量。

当网络某支路发生腐蚀或断裂时，网络的端口电阻Rij变为，即

根据特勒根定理，可推导出端口电阻变化值和支路电阻变化值的关系。

2 变电站构架对腐蚀诊断的影响

基于电网络理论和特勒根定理建立的故障诊断方程，对诊断结果产生影响的有测量的端口电阻值和地网拓扑结构两个因子。分析变电站内构架对诊断结果的影响时，考虑把构架作为一个连接于地网两个端点之间的等值电阻。仿真中均选择地网拓扑结构不变（即不含构架），分析构架存在时的端口电阻值对诊断结果的影响。

2.1 变电站构架电阻的确定

为模拟变电站构架对地网腐蚀诊断的影响，需要计算变电站构架电阻。对于不同电压等级的变电站，虽然其构架结构不同，但都是由支柱和横担组成，所以可以把构架等效成有横担电阻和支柱电阻构成的纯电阻结构。

横担一般是钢管组成主骨架、主骨架间用角钢连接固定组成的网格式结构。可先计算出横担各个部件的电阻值，然后用ATP软件建立与实际横担结构相同的模型，通过施加激励源计算横担电阻的大小。针对支柱电阻的计算，由于一般采用等截面钢管柱，通过其尺寸大小和所用钢材的电阻率等相关参数，利用式（7）计算得出

式中，ρ为钢材电阻率，取1.3×10-7Ω·m；l为支柱的长度，m；s为支柱的横截面积，m2。

经仿真计算，构架等值电阻小于与其等长的地网支路电阻，但其阻值与支路电阻为同一数量级，若考虑引下线电阻和接触电阻，会使构架等值电阻大于计算值。此次研究将变电站构架电阻等值为与其电阻值相同的水平地网进行分析。

2.2 变电站构架影响的仿真研究

2.2.1 不考虑构架时支路的腐蚀诊断

根据变电站现场测试的地网单位长度电阻在0.65 mΩ左右，建立每段支路导体为8 m的等间距分布的10×10接地网模型，则支路导体的标称电阻值为0.005 2Ω。所建地网模型拓扑图如图2所示。

图2 10×10地网拓扑图

在图2所示地网拓扑图中，假设支路61（31—42节点对）、77（37—48节点对）、161（81—92节点对）、166（86—97节点对） 共计4条支路发生故障，电阻增大倍数依次为10倍、5倍、5倍、10倍，用来表示故障支路。

结合地网诊断研究中提出的不动点原则、小分块结合大跨距原则等针对现场的测量方案，选取了编号25、30、91、96共4个节点为不动点，在此基础上，利用ATP软件在10×10的地网模型中测量了24对节点间的端口电阻，如表1所示。

表1 测量端口电阻值

在变电站现场实际诊断中，通过一次计算（即将全部测量端口电阻输入诊断程序计算）往往不能得出准确的结果，通常会出现伪故障支路，需要在第一次诊断出的故障支路附近再选取若干测量数据代入诊断程序进行多次计算，最终得出真实故障支路。将测量数据全部代入诊断程序中，计算得出诊断结果如图3和表2所示。

图3 无构架时仿真结果

由图3和表2可以看出，尽管最终诊断出的电阻支路增大倍数与设定值有一定误差，但相比其他支路的电阻变化情况，假设的4条故障支路电阻增大倍数相对明显，即可以100%诊断出故障支路，对现场诊断有很好的指导意义。

表2 无构架时诊断结果

2.2.2 考虑构架时支路的腐蚀诊断

加入构架电阻支路后，仿真计算中将保持地网拓扑结构不变，分析测量端口电阻改变对诊断结果的影响。考虑到影响因素研究实质是一个对比性研究，因此在仿真计算中，每次测量所选取的节点对和不考虑构架情况时保持一致。在本节中假设构架宽度为16 m（两段支路的长度），且其单位长度电阻值为支路单位长度电阻值的一半。

在现场变电站中，每个构架通常经过引下线单独与接地网相连，不存在构架与构架之间引线串联或并联后与地网连接，因此，只分析单一构架和两构架存在时对变电站接地网腐蚀诊断的影响。变电站多个构架同时存在可以看成多个两构架存在时的组合情况。

a）单一构架不同位置的影响。

为了分析的准确性，在分析单一构架不同位置的影响时，所选节点对和不考虑构架时所选节点对一致，且所选节点与图2所示编号相对应。通过测量及诊断，所得结果如表3所示。

表3 单一构架不同位置诊断结果

结合图2和表3，可以看出加入单一构架后，构架距离腐蚀支路由远至近时，在一定距离范围内对诊断结果的影响是一个渐变的过程。当构架与腐蚀支路距离大于单根支路长度3倍时，考虑构架时腐蚀支路增大倍数与没有考虑构架时腐蚀支路增大倍数相比变化不大；当构架与腐蚀支路距离在单根支路长度3倍范围之内时，腐蚀支路增大倍数与没有考虑构架时腐蚀支路增大倍数变化较大，且距离构架越近，差距越大；特别是当构架连接于腐蚀支路两端时，误差最大，如当构架处于75—97、81—103、31—53节点对时，支路 61、77、161、166分别比无构架时降低了59.7%、55%、66.7%和52.6%。考虑到数据测试时现场误差等因素，可以认为4条支路没有腐蚀或判定为轻度腐蚀，此时将会忽视真实腐蚀支路，即出现误判。

b）两个构架不同位置时的影响。

为进一步验证，下面考虑两个构架存在时对故障支路腐蚀诊断结果的影响情况。所选节点对依旧与不考虑构架时所选节点对一致，且所选节点与图2所示编号相对应。诊断结果如表4所示。

表4 两构架不同位置时的诊断结果

结合图2和表4可知，加入两个构架时，不论所加构架以任何方式布置，腐蚀支路距离构架较远时，对腐蚀诊断结果影响不大或没有影响；当腐蚀支路附近有构架时，考虑构架时腐蚀支路的诊断值小于不考虑构架时腐蚀支路的诊断值，并且腐蚀支路距离构架越近，诊断所得腐蚀支路电阻值增大倍数与不考虑构架时的诊断结果误差越大。

从诊断数据对比中，应当注意到，如果进行腐蚀诊断没有考虑构架影响，构架附近出现增大倍数较小的腐蚀支路时，应该考虑是否存在严重腐蚀。因为构架的存在降低了其附近腐蚀支路诊断的灵敏性而使腐蚀诊断倍数降低，在诊断测试中可能会遗漏这种真实的故障支路。

3 现场测试

根据所得结论，对河南省周口市某110 kV变电站进行现场测试，变电站接地网及接地引下线均采用直径为20 mm的圆钢，地网埋深0.8 m。测试时所编节点号和支路号如图4所示，变电站内钢型构架位置如图4中虚线所示。

由于构架引下线在主地网中所接具体位置在设计图纸中未标出，因此采用不含构架的地网拓扑图进行计算仿真。测量所得数据如表5所示。

表5 变电站节点端口电阻测试值

将测得数据代入重庆大学编制的地网腐蚀故障诊断软件中进行计算。得到诊断结果数据以及诊断图分别如表6和图5所示。

表6 腐蚀诊断数据

由表6和图5可以看出，支路37增大倍数为10倍，可以确定该支路有严重腐蚀。支路23增大倍数为4.9倍，可判断出该支路有腐蚀的可能。结合图4可以看出，支路23距离构架较近，考虑构架后该支路极有可能为严重腐蚀支路。因此，对37和23支路进行现场开挖，开挖结果如图6和图7所示。

4 结论

图4 变电站地网图

图5 腐蚀诊断结果图

图6 支路37开挖结果

考虑钢型构架影响时，不论构架位置如何布置、数目多少，进行腐蚀诊断测试时其附近支路的腐蚀倍数要比不考虑构架影响时低，且腐蚀支路距离构架越近，腐蚀倍数降低越明显；当构架接于腐蚀支路两端时误差最大，而对距离构架较远的腐蚀支路的诊断结果基本上没有影响。

图7 支路23开挖结果

根据文章分析结果可知，进行现场试时对构架附近的腐蚀倍数不太大的支路要特别考虑或作为开挖对象，以免遗漏这种真实的故障支路。

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