基于模糊判据的接地网腐蚀程度诊断方法研究

辛明勇,徐长宝,骆柏锋,徐振恒,刘子轩,鲁彩江

(1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院,贵州 贵阳 550002;2.南方电网数字电网研究院有限公司,广东 广州 511365;3.西南交通大学机械工程学院,四川 成都 610031)

0 引言

近年来,电力系统容量、电压等级的提升对其安全不间断运行提出了更高的要求。接地网是电力设备(如杆塔、变压器、配电房等)中故障电流、雷电电流等的通道,也是电力系统安全运行的重要保障。由于投入运行年限的增加、施工不当(焊接不良、漏焊等)及地质条件等的影响,接地体极易变细甚至断裂,导致接地电阻攀升、接地网性能降低。因此,定期评估接地网安全性能极其必要。在实际工程中,接地网缺陷检测方法主要为整体开挖检查并用兆欧表测接地电阻。当接地电阻不合格时,要选点开挖检查。该方法影响电力系统的正常运行,盲目性大[1],会耗损大量的人力、物力、财力。

目前,国内外接地网缺陷检测的方法主要有电网络法、电化学法、电磁法等[2-6]。电网络法通过接地体相关的电气特性变化值,进行接地网的侵蚀程度及断点判别[7]。电网络法的缺点是当接地体存在局部侵蚀时,其电阻及电位变化很小。电化学法通过测量接地体的电化学特征参数,表征接地体的侵蚀情况。电化学法的缺点是无法判断接地网的断点情况[8]。电磁法利用接地引下线向接地网施加异频正弦交流电,在地表采用接收装置测量磁感应强度,以判别接地网的侵蚀程度及断点[9]。

本文利用电磁法判别杆塔接地网的侵蚀程度,依据导体的等效直径将导体腐蚀程度划分为三个等级,并结合模糊判据计算接地网导体的侵蚀程度。仿真计算和试验结果表明本文方法有效,可进一步应用于实际工程。

1 接地网腐蚀程度诊断理论基础

1.1 简单土壤结构下磁场分布

麦克斯韦方程组的微分形式为:

×D=ρ

(1)

×B=0

(2)

式中:B为磁通密度。

(3)

式中:E为电场强度;t为时间。

(4)

式中:H为磁场强度;J为传导电流密度。

辅助方程为:

B=μ0H

(5)

式中:μ0为媒质的磁导率。

D=ε0E

(6)

式中:ε0为媒质的介电常数。

在简单的理想土壤环境(单层均匀土壤)中,正弦时变电场为:

(7)

根据式(3)可得:

×E(t)=

(8)

(9)

1.2 模糊判据

贴近度是模糊数学中的概念,表示两个模糊子集间的相似程度。其取值范围为[0,1]。贴近度越大,则两个模糊子集间的相似程度越高。本文应用模糊判据计算接地网导体正上方地表磁感应强度与数据库样本的模糊贴近度大小。

接地网导体正上方地表磁感应强度分布矩阵[10]为:

(10)

式中:anm(μk)为接地网第n行、第m列的导体段正上方的磁感应强度大小,k为每根导体段上的等距观测点数目。

磁感应强度分布数据与数据库样本的模糊贴近度[11]为:

(11)

(12)

(13)

2 仿真计算

由于仿真计算模型相较于工程实际,其环境较为简单,所以本文在仿真计算时作出以下假设。

①不考虑接地装置周边的埋地金属(如自来水管、电缆支架等)以及相邻杆塔接地装置的干扰。

②忽略土壤因素的影响。假设土壤是均匀的,即土壤电阻率为一个定值。

③忽略电动力对接地导体的影响,把接地体当作一个纯电阻网络。

④腐蚀后的接地导体截面是规则形状,腐蚀速率一致。

⑤接地导体的长度、横截面积、电阻率等已知。

2.1 仿真模型

本文在CDEGS软件中建立一种典型的杆塔接地网模型。形状系数为1.0。每根接地导体为长12 m、等效直径0.012 m的镀锌圆钢。接地导体相对电阻率为109.7 Ω·m、相对磁导率为636。接地网埋深0.8 m。土壤电阻率为300 Ω·m。激励电流为10 A、512 Hz的正弦信号[13]。

典型杆塔接地网模型如图1所示。

图1 典型杆塔接地网模型

图1中:OABC为接地网导体;O′A′B′C′为在接地网导体正上方地表处设置的磁感应强度等距观测线。最小故障设为1 m(如图中MN),观测线步长设为0.2 m。A(12,0,0)、B(12,12,0)、C(0,12,0)均可接接地引下线(即可及节点)。I处箭头向下代表连接激励正极。I′处箭头向上代表连接激励负极。

2.2 不同腐蚀程度地表磁感应强度

为研究接地网导体腐蚀程度不同时地表磁感应强度的分布情况,本文对M(12,5.5,0)到N(12,6.5,0)(即局部接地体)、A(12,0,0)到B(12,12,0)(即整个接地体)接地网导体作从无腐蚀、腐蚀程度加深直至断裂的模拟仿真,即等效直径分别为12 mm(无腐蚀)、8.89 mm(腐蚀)、6.28 mm(腐蚀)、3.14 mm(腐蚀)、1.57 mm(腐蚀)、0 mm(断裂)。

在接地网导体的不同状态下,观测线A′B′处磁感应强度分布如图2所示。

图2 观测线A＇B＇处磁感应强度分布

由图2可知:在腐蚀程度不同时,地表磁感应强度不同;腐蚀越严重,地表磁感应强度变化越与无腐蚀时磁感应强度变化不同。对此,可以进一步运用贴近度计算腐蚀程度。

2.3 不同腐蚀程度贴近度计算

经Matlab计算MN段与AB段不同等效直径与无腐蚀理想状态下的磁感应强度贴近度可得,w1=w2=0.5。

贴近度计算结果如表1所示。

表1 贴近度计算结果

由表1可知,导体腐蚀程度越大,其磁感应强度与无腐蚀情况下的贴近度越小。通过贴近度数值的大小可以评估导体腐蚀程度。数值越小,则导体腐蚀越严重。依据贴近度的大小可以将腐蚀程度划分为以下等级:当贴近度大于0.7且小于1.0时为轻度腐蚀;当贴近度大于0.6且小于等于0.7时为中度腐蚀;当贴近度小于等于0.6时为重度腐蚀(含断裂)。

3 接地网腐蚀程度诊断

3.1 试验模型

为验证所提腐蚀程度诊断方法的可行性,本文设计了一个形状系数为1.0的接地体模型。模型参数为:每根接地导体为长6 m、横截面为40 mm×4 mm的镀锌扁钢;接地导体电阻率为1.78×10-7Ω·m;相对磁导率为200;接地导体埋深为0.2 m;土壤电阻率为2 000 Ω·m。

试验模型简化俯视如图3所示。

图3 试验模型简化俯视图

图3中:A′B′C′D′为图1中的观测点;F为断点;激励为300 mA、512 Hz的正弦交流电。

3.2 试验方法

本文测量两个最短距离可及节点间的腐蚀程度。试验步骤如下。

①按照上述参数构建接地试验模型,在AB段导体中点F处切断。节点间用鳄鱼夹连接,并将对应节点进行标记。通过串接不同阻值的电阻,等效为相应的腐蚀程度。

②采用vLoc3发射机对接地网施加电流激励。

③采用vLoc3接收机对不同状态下的导体进行磁感应强度的测量。

④对所测数据进行计算与分析。

接地网模型试验情况如表2所示。

表2 接地网模型试验情况

3.3 试验结果

在F点断开时,AB观测线上未能测到有效的磁感应强度。在F点腐蚀程度不同时,AB观测线上实测磁感应强度不同。随着腐蚀程度加深,AB观测线上磁感应强度变化与未腐蚀时磁感应强度变化明显不同。

不同腐蚀程度下磁感应强度分布如图4所示。

图4 不同腐蚀程度下磁感应强度分布

本文利用Matlab软件计算不同腐蚀程度实测值与无腐蚀实测值的贴近度。

贴近度计算结果如表3所示。

表3 贴近度计算结果

将表3结果与腐蚀程度划分进行对比,可验证本文所述方法的合理性。

4 结论

本文基于电磁感应原理,应用CDEGS软件对典型杆塔接地网进行模拟仿真,分析了接地网导体存在不同腐蚀程度时地表磁感应强度的分布情况。本文基于模糊判据的方法,分别对不同程度腐蚀时磁感应强度与理想状态(即不存在腐蚀)下的磁感应强度进行了贴近度计算,并对接地网导体腐蚀程度划定了轻度、中度和重度腐蚀三个级别。通过接地网模型试验,验证了本文所述理论及方法的实用性。该方法在接地网导体的检测和维护方面具有重要的工程应用潜力。