牵引变电所接地网在线监测系统及监测数据分析

史耀政，刘立超



牵引变电所接地网在线监测系统及监测数据分析

史耀政，刘立超

分析牵引变电所接地网接地电阻测试原理，在利用电路网络和矩阵理论归纳出接地网腐蚀、断裂诊断数学模型基础上试制接地网在线监测系统，并在牵引变电所投入试运行，经对测试数据的分析对比验证了该在线监测系统数据监测的准确性。

牵引变电所；接地网；在线监测；工频干扰

0 引言

接地网是电气化铁路牵引供电系统的重要组成部分，其性能直接关系到人身和设备的安全及铁路运输秩序。而随着近年来电气化铁路建设规模的高速增长，系统供电容量持续增加，经接地网流入大地的工作电流和故障电流越来越大，为了确保人身及设备安全和系统的可靠运行，对接地网的安全性要求越来越严格。特别是随着微电子及数字设备在牵引供电系统中的大量应用，这些设备的硬件大多采用TTL或COMS集成电路，其工作电压较低且要求具备严格的接地系统作为电位参考点，如果接地网性能恶化，将对这些设备产生强烈的传导干扰及过电压反击危险，严重危及设备本身及供电系统安全。

接地网主体深埋于变电所地表以下，检修和维护工作都难以开展，只能通过测试数据来判断其性能状态。由于接地网测试工作异常繁杂，需耗费大量人力物力，另外需测试人员具有较强的现场工作经验才能保证测试结果的准确性，因此不适宜作为常规年检工作项目。为了降低定检预试工作量，我国现行《电力设备预防性试验规程》和《牵引变电所运行检修规程》均明确规定其检测周期以“不超过6年”为宜，但在实际运行过程中，接地网的性能指标经常会随时间推移而发生较大改变，特别是在地质结构复杂的地区，接地网性能甚至会随季节更替而发生明显变化，当其安全指标值超出一定范围时极易发生事故，危及供电系统运行安全，造成设备损坏和人员伤害。

针对变电所接地网在传统运维方式下存在的弊端，近年来，国内外诸多机构开始致力于研发接地网在线监测装置，旨在解决上述日益突出的技术矛盾。历经多年的技术沉淀，接地网在线监测技术已日趋成熟，本文即以包兰铁路包头西变电所安装的“接地网在线监测系统”为例，简要介绍接地网在线监测系统的结构原理，并对现场监测数据进行分析与探讨。

1 系统结构及工作原理

1.1 系统结构

接地网在线监测系统主要由变频功率输出单元、数据采控单元、滤波组件、后台数据处理及控制单元等几部分组成，如图1所示。装置安装在牵引变电所控制室内，其电流极与电压极设置在牵引变电所周围或所内比较空旷的区域。系统采用当前最先进的数字选频测量（电子对抗）技术，具有超强的抗干扰能力，彻底消除了由工频感应、零序电流、谐波和杂散信号干扰造成的测量误差。装置采用正弦波大功率信号源作为测试电源，多频点采集数据，克服了双点异频插值法的局限性。

图1 接地网在线监测系统结构组成

1.2 系统工作原理

1.2.1 接地电阻测试

“接地电阻”值表征发生接地故障或雷击时接地网上的绝对电压升高程度，如果能将绝对电压升高限制在一定的安全范围内，则相对电压升高水平也较易被控制，可确保设备及人身安全，所以，“接地电阻”被看作为衡量接地网安全水平之首要因素[1]。接地电阻监测原理如图2所示。系统在监测接地电阻时，采用大功率异频设备在被测接地网与电流极间激起回路电流，使用多路电压采集器同步采集各被测设备与电压极之间的电压波形，通过滤波分析计算各设备与零电位之间的异频电压差，即通过监测53=53/53的变化趋势，监测被测接地网接地阻抗的变化趋势。监测系统输出频率为45～55 Hz，通过高精度选频与自动换挡技术，根据被测阻值变化自动切换量程，保证高低量程范围的测量精度。

图2 接地电阻监测原理

1.2.2 接地体腐蚀诊断

牵引变电所接地网敷设完成后，随着时间的推移，由于受土壤环境的电化学、化学和物理等因素影响，容易造成接地导体发生严重腐蚀、断裂，并因此导致系统事故。目前对于接地网的检修，均是在发现其阻值严重超标或引发相关事故后，再通过人工选点开挖寻找接地网故障点或腐蚀段，该方法通常具有盲目性、开挖工作量大、速度慢等缺点，不利于接地网故障的及时排查。

接地网在线监测系统利用电路网络和矩阵理论实现腐蚀诊断功能，如图3所示。接地网的所有节点和支路均埋设于地下，可将其看作一个纯电阻网络，即“黑匣子”，而站内各电气设备的接地引线即为该“黑匣子”网络的可及节点或可测点。显然，端口电阻的大小不仅取决于接地网的结构，还取决于整个接地网中每个导体的电阻值[2]。如果接地网中某个导体发生腐蚀或断裂，其电阻增大，则端口电阻也随之发生相应变化。通过测量端口电阻的变化，应用适当的算法来确定接地网各段导体的阻值变化，即可对接地网的腐蚀状态进行量化评估，节省大量的人力、物力。

图3 接地网的网络结构

定义图3中接地网节点总数为，支路总数为，任意导体电阻为k，节点和节点之间的端口电阻为R，节点和节点之间支路为“支路+1”。定义电路网络的关联矩阵为，为支路导纳矩阵，N为节点导纳矩阵，为支路电压矩阵，N为节点电位矩阵，s为电压源列向量，为支路电流矩阵。

根据电路理论，节点导纳矩阵为

N =T（1）

由基尔霍夫电流和电压定律，可得

=0 （2）

=T（3）

支路电流方程为

=T+s（4）

将式（4）代入式（2）可得节点电位方程，即

通过测量的端口电阻可得

U+1=RI+1=-RI0（6）

腐蚀或断裂前后的接地网具有相同的拓扑结构，只是2个电路网络的导体电阻不同。通过式（7）可以计算出第k段导体的电阻变化DR。

经过接地网接地引线流入大地的电流是按恒流场原理分布的，满足能量最低原理。

接地网每段导体变化后的实际电阻为

接地网消耗的能量为

式（9）即为接地网腐蚀、断裂诊断模型的目标函数，可将其进一步简化为[3]

接地网腐蚀或断裂时，导体电阻增大，即DR≥0 (=1,2,3,…,)。因此其约束条件由等式约束条件（7）和电阻增量的非负约束2部分组成，再加目标函数式（10）就构成了接地网腐蚀、断裂诊断的数学模型[4]。

通过求解方程组，可得每个导体电阻的变化量DR，将DR和R相比较，可以得到相对变化量，通过相对变化量判断接地网导体的腐蚀或断裂情况，然后综合判断腐蚀、断裂点的准确位置。

2 现场数据分析

该接地电阻监测试制系统于2016年9月底安装调试完成，并投入运行，收集约1年的监测数据，接地电阻数据变化趋势如图4所示。

2.1 接地电阻监测数据

从整体上看，2016年9月—2017年2月，由于进入旱季，所测电阻数据呈上升趋势，电阻值从0.49W增大至0.508W，升高约3.5%；2017年4月—7月进入雨季，所测接地电阻数据呈下降趋势，电阻值从0.508W降低至0.47W，降低约7.5%；2017年7月之后电阻值又开始上升，接地电阻值随季节变化呈周期变化趋势。

图4 接地电阻变化趋势

从局部上看，区间数据呈锯齿状变化，如图5所示。当遇有雨雪天气（图中箭头标记处），由于湿度增加，土壤导电性能提高，所测电阻值突然变小，之后随着土壤水分流失而缓慢上升。

图5 接地电阻局部变化趋势

2.2 工频干扰

所测牵引变电所为110 kV进线，主变采用V/V接线，接触网供电方式为直供加回流，正常运行时有系统回流或工频零序电流注入地网，该电流在向远方扩散过程中必然对测试产生较大的工频干扰。图6所示为在线监测装置监测到的工频干扰电压趋势数据。

从图6可以看出，工频干扰电压在2016年9月—2017年4月期间整体呈下降趋势，最大值约 8 V，最小值约1 V，后期一直在3～5 V之间徘徊，放大图形可以看出，工频干扰具有很强的周期性，如图7所示。

图6 工频干扰电压趋势

图7 工频干扰电压趋势局部图

由图7可以看出，凌晨2点时刻的干扰值明显小于其他时段，该现象是由于相比白天而言夜间机车数量较少，变电所负荷较轻所致。

2.3 试验电流变化

图8为试验电流趋势图，可以看出，试验电流53总体呈现先下降再上升趋势，在2017年2月—3月间达到最低值，其后因进入雨季，土壤导电性能改善使得电流数据呈锯齿状抬升。

图8 试验电流趋势

2.4 腐蚀诊断监测

腐蚀诊断系统测点布置如图9所示，在110 kV进线区、主变区、主控室、高压室等设备聚集区域敷设共计13路监测点，组成13节点的电路网络。按前述方法对各端口电阻进行测试，由于该站接地网完成大修维护不满一年（地下接地体全部更换为纯铜材质），因此各端口所测到的R和DR均非常小，各R均小于10 mW，DR更是低于1 mW，经内部优化计算，系统最终判断结论是各接地导体连接良好，且无明显腐蚀迹象。

图9 现场测点布置

3 结语

通过应用接地网在线监测技术，可以使相关部门及时掌握接地网的性能状态，快速制定应急处理措施，有效预防人身及设备安全事故。基于对大量实时监测数据的分析，可全面研究各类接地网实际运行状态特征，总结各类接地网的设计缺陷，掌握外界因素对其安全性能的影响，为制定相应的接地网整改措施提供科学依据，并为接地网的研究方向提供参考。

[1] 何金良，曾嵘. 电力系统接地技术[M]. 北京：科学出版社，2007.

[2] 陈先禄，刘渝根，黄勇. 接地[M]. 重庆：重庆大学出版社，2002.

[3] 何献忠. 优化技术及其应用[M]. 北京：北京理工大学出版社，1995.

[4] 王勇，文辉清，吕征宇，等. 基于MATLAB的矩阵变换器空间相量调制研究[J]. 电力系统及其自动化学报，2004，16（5）：14-19.

Analyzing is made for earthing resistance test principles for earthing network of traction substation, an online monitoring system is developed, on the basis of a mathematical model for corrosion and breaking diagnosis of earthing network deduced from the circuitry network and matrix theory, and is put into trial operation in the traction substation; the monitoring accuracy of the online monitoring system is verified after comparison of tested data.

Traction substation; earthing network; online monitoring; industrial frequency interference

U224.2+5

B

1007-936X(2018)02-0005-04

2018-01-15

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.02.002

史耀政.中国铁路呼和浩特局集团有限公司供电处，高级工程师；刘立超.中国铁路呼和浩特局集团有限公司供电处，工程师。