某110 kV老旧变电站接地网系统改造前的评估

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(1. 国网浙江省电力公司 电力科学研究院，杭州 310014； 2. 国网浙江省电力公司 台州供电公司，台州 317000；3. 杭州意能电力技术有限公司，杭州 310014)

应用技术

某110kV老旧变电站接地网系统改造前的评估

胡家元1,郑德富2,沈晓明1,许蓬莱2,李延伟3,曹求洋1

(1. 国网浙江省电力公司 电力科学研究院，杭州 310014； 2. 国网浙江省电力公司 台州供电公司，台州 317000；3. 杭州意能电力技术有限公司，杭州 310014)

为提高变电站接地网改造效率，采用电阻抗成像(EIT)技术对某110 kV老旧变电站开展接地网改造前状态评估，并对地网建模成像。检测发现，除目视可见断点外，接地网引下线存在5处隐蔽断点，急需处理；而水平地网所处土壤腐蚀性弱，各支路阻抗值增幅均在允许范围，未出现明显锈蚀。据此，为该变电站制定了仅更换引下线、不改造水平地网的个性化维修方案，显著降低改造成本、避免接地材料浪费。电阻抗成像技术可实现对接地网腐蚀的快速准确诊断，将接地网从“黑箱状态”转变为“可视状态”，改善接地网腐蚀检查的盲目性，提升设备管理水平。

变电站；接地网；电阻抗成像(EIT)；腐蚀评估

变电站接地网是重要的输变电辅助设备，它将电力系统与大地相连、为故障电流及雷电流提供泄放通道，是设备及人员安全的重要保障[1]。接地网深埋地下，受焊接施工不良、土壤腐蚀等影响，常存在导通不良等缺陷，且不易被发现[2-3]。若系统发生接地短路故障，将造成地电位异常升高而威胁人员安全，甚至会因电压反击破坏二次设备[4]。

某110 kV变电站建于1992年，周边工业发达，属于重酸雨区。运维人员巡检发现:接地网引下线腐蚀严重，全站有十余处明显断点(见图1)；部分设备存在着泄流不良、轻微放电现象，安全风险突出。电力公司高度重视变电站接地网腐蚀问题，鉴于该地网已服役25 a，初步计划整体改造。然而，接地网整体改造不仅投资巨大、费时费力，而且将造成变电站长时间停电，代价高昂；若能预先对接地网进行全方面的性能评估，获得各接地部件的缺陷情况、当前状态、剩余寿命等关键信息，将有助于制订最为经济有效的接地网改造方案，利于降低改造成本及损失。鉴于此，本工作对接地网开展改造前的评估。

国内外关于接地网性能主要是通过测量接地电阻来表征[5],但该指标无法反映接地网腐蚀程度，甚至在接地网存在断点时，接地电阻仍可能处于正常范围。而传统接地网腐蚀开挖检查存在工作盲目性大、结果无法代表整个地网等不足。目前，国内外学者也构建了多种接地网腐蚀诊断技术[4,6-8]，但大多停留在实验室探索阶段，较少应用为现场，更未见有实现接地网直观成像的报道。本工作采用自主开发的接地网腐蚀评估技术[9-10]，对该变电站开展接地网电阻抗成像检测、土壤腐蚀性分级、开挖验证等一系列工作，准确掌握接地网受腐蚀侵害程度及当前性能状态，提出了个性化维修方案，以期指导后续接地网的合理改造。

图1 接地网引下线断点Fig. 1 Breakpoint of the down line

1 接地网电阻抗成像技术

1.1 技术原理

若忽略土壤、湿度等因素的影响，接地网金属可视为纯电阻[11]。根据接地网规格，可获得其初始电阻值；当地网发生腐蚀减薄或断裂时，该支路的电阻值将较初始值增大[12]。通过对比两者差异，可以表征导体的腐蚀和断裂情况。

接地网电阻抗成像技术以电网络理论为基础，借鉴于核磁扫描成像原理，从某一点(引下线)向接地网中注入电流并测取其他点(引下线)的反馈电压，以单点激发多点轮换的16通道循环检测方法，完成对接地网支路阻抗值的测试；之后利用软件处理检测数据，绘制地网直观腐蚀图像，实现对接地网的断点定位及腐蚀评估。假设接地网具有n个节点和b条支路，各支路电阻的计算见式(1)～(5)。该技术借助引下线即可实现对整个接地网的检测(见图2)，无需开挖地网，快速便捷。

式中:A为网络的关联矩阵；Yb为支路导纳矩阵；Yn

图2 接地网电阻抗成像技术测试原理Fig. 2Test principle of EIT technology for grounding grid

为节点导纳矩阵；Ub为支路电压向量；Un为节点电压向量；In为节点电流向量；Ib为支路电流向量。

Un0为节点电压的测量值，U(R)为节点电压计算值，需要找到一组R使得f(R)最小，从而求得符合测量值的支路电阻。

minf(R)=1/2‖U(R)-Un0‖2,R=

通过求解式(5)就可得出各支路电阻的最优解，通过与电阻抗标称值对比，判断各支路导体的腐蚀和断裂情况。

1.2 测试方法

本次测试利用自主研制的接地网腐蚀成像检测仪，采用区块化测试方式，从某处引下线向接地网注入1 A直流电，循环检测该区块内其他15处引下线导出的电压信号(约数百mV)，数据采集间隔为4 s，数据为SD卡存储。具体如下：

(1) 区域划分 将该110 kV变电站划分为3个区块，依次编号为A～C，见图3。

图3 接地网电阻抗成像测试分区图Fig. 3 Test positions of EIT technology for grounding grid

(2) 引下线选取 在每一区域分别选取16个接地网引下线并编号，例如在A区选取16根引下线依次编号为A1，A2，…，A16。

(3) 数据采集将检测装置1～16号探头依次连接各区块中引下线，分别对每个区域进行数据采集，见图4。

图4 接地网电阻抗成像测试Fig. 4 EIT test for grounding grid

1.3 故障判定依据

(1) 引下线导通性判据

依据《接地装置特性参数测量导则》[5]确定接地网引下线是否导通。判据如下：

a) 测试结果低于50 mΩ，表示接地状况良好；

b) 测试结果为50～200 mΩ，表示接地状况尚可，宜今后排查时重点关注；

c) 测试结果为200 mΩ～1 Ω，表示接地状况不佳，对重要设备应尽快检查；

d) 测试结果大于1 Ω，表示设备没有有效接地，应尽快处理。

(2) 水平地网支路腐蚀判据

依据《接地网腐蚀诊断技术导则》[13]判断接地网各支路是否存在严重锈蚀或断裂。判断如下:阻抗值增大倍数为0～5，支路正常或轻度锈蚀；阻抗值增大倍数为5～10，支路出现明显锈蚀；阻抗值增大倍数>10，支路出现明显锈蚀,严重锈蚀或断裂。

2 测试结果

2.1 引下线导通测试结果

导通测试覆盖所有引下线。在数据采集过程中，发现2号主变中性点消弧线圈刀闸支柱、避雷器接地刀闸支柱等5处引下线电压数据出现异常，部分引下线导通测试结果见表1。图5为避雷器接地刀闸支柱导通异常点位置。

如表1所示，A2、A3、B3、B4、C2等5处引下线的导通测试值大于1 Ω，判断该处引下线未有效接地，需开挖检查；其余引下线多处于接地尚可或接地不佳状态，说明引下线普遍存在腐蚀问题，导致电阻偏高。

表1 部分引下线导通测试值Tab. 1 Grounding resistance of down line

图5 接地刀闸支柱导通异常点Fig. 5 Down line breakpoint of grounding switch

2.2 接地网支路腐蚀测试结果

在如图3所示的变电站测试区域A、区域B及区域C内，依次分别选取16根引下线，利用图4中接地网电阻抗成像仪向接地网注入电流并测取电压，每个区采集3 840个数据。通过自主开发的接地网故障诊断程序计算现场采集的数据，得到接地网各支路阻抗值增大倍数，计算结果见图6。

由图6可见:水平地网各支路电阻的增大倍数多在5倍以下，最大增加倍数为6.8倍。依据接地网腐蚀程度判断标准，可认定水平地网大部分支路处于正常状态，仅变压器附近的区域C中有少量支路发生明显腐蚀，但也未呈现断股或严重减薄，因而不影响其接地性能。

利用接地网腐蚀诊断软件，可绘制该变电站接地网支路腐蚀状态的阻抗成像图，见图7。由图7可见，利用接地网电阻抗成像手段，可直观获得接地网支路腐蚀程度信息，将接地网从“黑箱状态”转变为“可视状态”。

(a) 区域A (b) 区域B (c) 区域C图6 接地网各支路阻抗增大值Fig. 6 Impedance value increase of grounding grid branch: (a) area A; (b) area B; (c) area C

图7 接地网支路腐蚀阻抗成像图Fig. 7 Impedance imaging of grounding grid branch

2.3 开挖验证

对5处引下线隐蔽故障点开挖确认，对水平地网支路腐蚀程度开挖验证。典型引下线断点见图8，水平地网支路开挖结果见图9。

图8 典型引下线锈蚀断裂点Fig. 8 Breakpoint of grounding down line

图9 水平地网支路腐蚀情况Fig. 9 Corrosion of grounding grid branch

由图8可见:开挖检查发现5处未导通引下线在土壤浅层位置锈蚀严重，已形成腐蚀断点。这是因为引下线该部分处于浅层土壤(埋深约0.1 m)，此深度的土壤含氧量充足，且因降水丰富土壤含水率高，引下线长期处于供氧充足的电解质环境之中，因而遭受了严重的电化学腐蚀[14]。

由图9可见:接地网水平支路状态较好，未见有明显锈层。水平地网在土壤中的腐蚀情况主要受土壤性质决定，影响因素包括土壤电阻率、含水率、pH、氧化还原电位等。依据《接地网土壤腐蚀性评价导则》[15]，对该变电站水平地网所处土壤取样分析，结果见表2。

表2 土壤理化特性值Tab. 2 Characteristic values of soil

根据单项评价指标判定，当土壤电阻率大于50 Ω·m，认为土壤腐蚀性弱；pH为6.5～8.5时，土壤腐蚀性弱；氧化还原电位大于400 mV时,腐蚀性弱。综合单项指标判定，该接地网所处土壤的腐蚀性较弱。

该变电站水平地网埋深约为0.8 m，此深度土壤中氧含量较低，且接地网所处土壤腐蚀性较弱，因而水平地网腐蚀程度较低，这与电阻抗成像图(图7)结果相符。鉴于接地网支路导流性能优良，仍处于使用寿命之中，故水平地网可不更换。

3 个性化改造方案及其优势

3.1 个性化改造方案

通过电阻抗成像检测，对该接地网腐蚀状态有了全面掌握，提出个性化改造方案如下：

(1) 采用50 mm×5 mm镀锌钢全部更换40 mm×4 mm老旧引下线，要求引下线垂直连接至水平地网，并辅以防锈漆增强引下线的耐蚀性；

(2) 测试证实了水平地网性能良好，仍在有效使用寿命内，因而无需改造更换；

(3) 完成改造后，再次进行全站接地网性能检测，确保所有故障点彻底消除。

3.2 个性化改造方案的优势

该接地网已服役25 a，局部呈现的腐蚀破坏较严重。以往依靠人工开挖检查时，对处于“黑箱状态”的接地网，特别是已服役数十年的老旧接地网，在发现严重缺陷后，因无法确定接地网其他部位的腐蚀状况，往往盲目地整体改造来彻底消除所有隐患，以确保变电站运行安全。但接地网整体改造存在诸多不足：(1) 一次性投资巨大,变电站需整体开挖，工程量庞大，费用在60万元以上；(2) 工程耗时长,停电作业时间长，间接损失巨大；(3) 接地材料浪费严重,大量远未达到使用寿命的接地金属也会被更换，造成材料浪费。

本改造方案与传统整体改造方案相比具有如下优势：(1) 投资成本大为降低,整个地网改动较小，接地体材料需求量、人工开挖工作量均显著减少，使得改造费用大幅降低;(2) 工程耗时显著缩短,本方案不涉及地网整体开挖，特别是不涉及主变等重要设备区域开挖，改造时无需停运变电站;(3) 避免接地材料浪费,本方案仅替换老化锈蚀的引下线，最大限度地保留仍具较长使用寿命的接地金属(如水平地网)，可避免材料浪费。

4 结论及建议

利用电阻抗成像技术对某110 kV变电站开展接地网改造前评估，排查出引下线5处隐蔽断点，检验了地网水平支路的良好导通性能，并对全地网建模成像；在全面掌握接地网腐蚀现状的基础上提出个性化改造方案。该改造方案与传统地网整体改造方案相比具有更强的针对性，将显著降低投资成本，缩短工程耗时，避免接地材料浪费。

基于电阻抗成像的接地网检测技术可在免开挖、免停电、无损状态下，实现对接地网的全覆盖腐蚀评估，将接地网由“黑箱状态”转变为“可视状态”。测试过程快速便捷，仪器简单且适合携带。该技术可准确掌握接地网受腐蚀侵害情况和当前性能状况，利于针对性地提出优化建议，改善了以往地网检测及改造的盲目性，具有推广价值。

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StateAssessmentfortheGroundingGridofan110kVOldSubstationBeforeReconstruction

HU Jiayuan1, ZHENG Defu2, SHEN Xiaoming1, XU Penglai2, LI Yanwei3, CAO Qiuyang1

(1. Zhejiang Electric Power Corporation Research Institute, Hangzhou 310014, China； 2. State Grid Taizhou Power Supply Company, Taizhou 317000, China; 3. Hangzhou Yineng Electric Technology Co., Ltd., Hangzhou 310014, China)

In order to improve the reconstruction efficiency, the grounding grid of an 110 kV substation was evaluated by the electrical impedance tomography (EIT) technology. Results indicated that five breakpoints of the down lines were found underground, but the impedance increase of grid was in a reasonable scope, proving that the level ground grid had not suffered serious corrosion. According to the evaluation results, a reconstruction program of just replacing the grounding metal of down lines was proposed, which could reduce the reconstruction cost of grounding grid and the waste of grounding metal. EIT technology could be used to evaluate the corrosion of grounding grid rapidly and effectively, which could reduce the blindness of grounding grid corrosion detection and improve the fine management level of grounding apparatus.

substation; grounding grid; electrical impedance tomography (EIT); corrosion evaluation

10.11973/fsyfh-201711013

2017-01-23

国网浙江省电力公司科技项目(5211DS16001N; 5211DS14005D)

胡家元(1986-)，工程师，博士，从事电力设备的腐蚀与防护研究

TM862

A

1005-748X(2017)11-0880-05