綜合地表電位和磁感應(yīng)強(qiáng)度的變電站接地網(wǎng)故障診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電網(wǎng)檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種綜合地表電位和磁感應(yīng)強(qiáng)度的變 電站接地網(wǎng)故障診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 接地網(wǎng)是變電站的重要組成部分，其工作的可靠性對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行影 響重大。由于變電站接地網(wǎng)長期埋于地下，不可避免地會受到土壤的電化學(xué)腐蝕，引起接地 網(wǎng)均壓導(dǎo)體存在腐蝕甚至斷裂等故障。這些故障會使得接地網(wǎng)性能大幅下降，且可能引發(fā) 事故并帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，找到一種能快速方便地對接地網(wǎng)故障類型及故障位置 進(jìn)行判斷的方法、進(jìn)而對接地網(wǎng)進(jìn)行修繕已成為電力行業(yè)現(xiàn)有接地網(wǎng)運(yùn)維工作中亟待解決 的問題。
[0003] 目前，接地網(wǎng)的故障診斷方法主要有三種：一是基于電路理論，通過建立故障診 斷方程并結(jié)合相應(yīng)優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)接地網(wǎng)的故障診斷，但該方法運(yùn)算較為復(fù)雜，診斷方程病 態(tài)程度較高影響診斷精度，且當(dāng)接地網(wǎng)僅局部存在輕微故障時(shí)難以通過該方法得到識別診 斷。二是基于電場理論，通過向接地網(wǎng)注入激勵(lì)電流探測地表電位分布，從而對接地網(wǎng)進(jìn)行 故障診斷，但該方法所需測點(diǎn)較多工作量大，且較難區(qū)分導(dǎo)體斷裂故障與腐蝕故障類型。三 是基于電磁場理論，通過向接地網(wǎng)注入激勵(lì)電流探測地表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度，根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng) 度的分布特征對接地網(wǎng)進(jìn)行故障診斷，但該方法測點(diǎn)布置需覆蓋整個(gè)接地網(wǎng)，而實(shí)際應(yīng)用 中由于變電站現(xiàn)場情況，難以實(shí)現(xiàn)對所有測點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確測量，且當(dāng)故障點(diǎn)位 于長導(dǎo)體中部時(shí)，該方法較難對故障位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種綜合地表電位 和磁感應(yīng)強(qiáng)度的變電站接地網(wǎng)故障診斷方法，該方法綜合變電站接地網(wǎng)的地表電位和磁感 應(yīng)強(qiáng)度的測試及計(jì)算結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)對變電站接地網(wǎng)故障類型及故障位置的高效、準(zhǔn)確判 斷。
[0005] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0006] -種綜合地表電位和磁感應(yīng)強(qiáng)度的變電站接地網(wǎng)故障診斷方法，其特征在于，包 括以下步驟：
[0007] 步驟1、使用數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算變電站接地網(wǎng)的理論地表電位及磁感應(yīng)強(qiáng)度；
[0008] 步驟2、應(yīng)用交流信號發(fā)生器通過一可及節(jié)點(diǎn)向變電站接地網(wǎng)注入交流激勵(lì)電流， 使用工頻參數(shù)測試儀和探測線圈分別沿接地導(dǎo)體上方測量地表電位和感應(yīng)電壓，進(jìn)而根據(jù) 感應(yīng)電壓計(jì)算磁感應(yīng)強(qiáng)度；
[0009] 步驟3、根據(jù)所述測點(diǎn)的地表電位及磁感應(yīng)強(qiáng)度測量值，分別應(yīng)用抗差最小二乘法 對每段導(dǎo)體的地表電位及磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而得出接地網(wǎng)導(dǎo)體的地表電位及磁感應(yīng) 強(qiáng)度；
[0010] 步驟4、將實(shí)際的接地網(wǎng)地表電位及磁感應(yīng)強(qiáng)度與正常工況下理論計(jì)算所得的地 表電位及磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行比較，對同一接地導(dǎo)體，分別繪制正常工況與實(shí)際工況下的地表 電位及磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線，并計(jì)算其綜合灰色絕對關(guān)聯(lián)度ADI ;
[0011] 若一接地導(dǎo)體的電位及磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線中某一部分曲線的ADI小于1. 7,則判斷 該部分曲線所對應(yīng)的導(dǎo)體部分存在腐蝕故障；若一接地導(dǎo)體的電位及磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線中某 一部分曲線的ADI小于0. 9,則判斷該部分曲線所對應(yīng)的導(dǎo)體部分發(fā)生斷裂故障，從而完成 對變電站接地網(wǎng)的故障類型及故障位置診斷。
[0012] 所述的步驟1中的使用數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算變電站接地網(wǎng)的地表電位及磁感應(yīng)強(qiáng) 度，具體為：
[0013] la)將節(jié)點(diǎn)數(shù)目為m的接地網(wǎng)分為n段導(dǎo)體，計(jì)算這n段導(dǎo)體之間的互阻抗矩陣 R，其中，矩陣元素Ru表示i段導(dǎo)體和j段導(dǎo)體之間的互阻抗，其計(jì)算公式為：
[0015] i = 1，…，n ; j = 1，…，n
[0016] 式中，土壤電導(dǎo)率；e ^為真空介電常數(shù)；e 土壤相對介電常數(shù)；e E= e ^ \為土壤介電常數(shù)；1 ,與h分別為第i段及第j段導(dǎo)體長度；1 ,，為第i段導(dǎo)體的鏡 像長度；Du為將第i段與第j段導(dǎo)體之間的距離；D 為將第i段導(dǎo)體鏡像與第j段導(dǎo)體 之間的距離；
[0017] lb)使用T型等效電路分別表示這n段導(dǎo)體，即1段導(dǎo)體對應(yīng)1個(gè)T型等效電路， 所述的T型等效電路由第i段導(dǎo)體的自電感L、自電阻&、第i段和第j段導(dǎo)體之間的互感 M、第i段導(dǎo)體的對地電容C和對地電導(dǎo)G組成，其中i = 1，…，n，j = 1，…，n ;經(jīng)T型電路 等效后，所述接地網(wǎng)共有m+n個(gè)節(jié)點(diǎn)及2n段導(dǎo)體；
[0018] lc)計(jì)算接地網(wǎng)經(jīng)T型等效電路等效后各段導(dǎo)體的關(guān)聯(lián)矩陣A，其中，關(guān)聯(lián)矩陣A 的行對應(yīng)于接地網(wǎng)經(jīng)T型等效電路等效后的節(jié)點(diǎn)數(shù)目m+n，關(guān)聯(lián)矩陣A的列對應(yīng)于支路數(shù)目 2n，關(guān)聯(lián)矩陣A中的任意元素ay的定義為：
[0020] Id)計(jì)算經(jīng)T型等效電路等效后具有m+n個(gè)節(jié)點(diǎn)和2n條支路的接地網(wǎng)的阻抗矩陣 Z，其計(jì)算公式為：
[0022]式中，My為接地網(wǎng)各支路經(jīng)T型等效后的互感矩陣；ki為經(jīng)T型等效后第i段 導(dǎo)體長度，其中i = 1，…，2n 』為第i段導(dǎo)體與第j段導(dǎo)體之間的距離；Z &為第i段 導(dǎo)體的內(nèi)阻抗；h為土壤磁導(dǎo)率，并假設(shè)土壤和空氣磁導(dǎo)率相同；
；U = 為導(dǎo)體磁導(dǎo)率；U ^3導(dǎo)體相對磁導(dǎo)率；P。為導(dǎo)體電阻率；r ^為導(dǎo)體半徑；I Jyr。)、 分別為零階及一階貝塞爾函數(shù)；
[0023] le)根據(jù)關(guān)聯(lián)矩陣A和阻抗矩陣Z計(jì)算節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，為Y_=AZ1T;根據(jù)阻抗 矩陣R計(jì)算導(dǎo)納矩陣，為G=IT1;
[0024] If)計(jì)算接地網(wǎng)導(dǎo)體n段導(dǎo)體的中點(diǎn)電位，和節(jié)點(diǎn)電位妒"，通過求解接地網(wǎng)數(shù)學(xué) 模型的基本方程得到，所述的接地網(wǎng)數(shù)學(xué)模型的基本方程為：
[0026] 式中，G為nXn矩陣；f為n個(gè)中點(diǎn)電位列向量；f為m個(gè)節(jié)點(diǎn)列向量；
為m個(gè)節(jié)點(diǎn)注入電流列向量；
[0027] lg)計(jì)算接地網(wǎng)導(dǎo)體n段導(dǎo)體的泄漏電流分布，這可通過方程.
求得。 其中，互阻抗矩陣R為nXn矩陣
為n維列向量，是每段導(dǎo)體 上的漏電流向量；癸^為n個(gè)中點(diǎn)電位列向量；
[0028] lh)根據(jù)求得的接地網(wǎng)導(dǎo)體的漏電流分布使用疊加原理計(jì)算地表電位分布，所述 的地表電位計(jì)算公式為：
[0030]式中，UiP為第i段導(dǎo)體漏電流在點(diǎn)P形成的地表電位；P為土壤電阻率；r5和zp 分別為第i段導(dǎo)體中點(diǎn)與點(diǎn)P間距離的極坐標(biāo)表示；
[0031] 對每段導(dǎo)體，分別計(jì)算其漏電流在接地網(wǎng)各地表點(diǎn)形成的電位，再將所有導(dǎo)體的 計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疊加，從而得到接地網(wǎng)的理論地表電位分布；
[0032]li)計(jì)算接地網(wǎng)導(dǎo)體n段導(dǎo)體的軸向電流分布，通過方程
求得，其 中，R"為i段導(dǎo)體自阻抗；//為i段導(dǎo)體上的軸向電流；分布為i段導(dǎo)體兩端點(diǎn)的 節(jié)點(diǎn)電位；
[0033] lj)根據(jù)求得的接地網(wǎng)導(dǎo)體的軸向電流分布使用疊加原理計(jì)算地面上的磁感應(yīng)強(qiáng) 度，地面上任一點(diǎn)P處的磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算公式為：
[0035]式中，BiP為i段導(dǎo)體軸向電流在點(diǎn)P形成的磁感應(yīng)強(qiáng)度；y^為真空磁導(dǎo)率；r為 i段導(dǎo)體中點(diǎn)與點(diǎn)P間距離；
[0036] 分別計(jì)算每段導(dǎo)體的軸向電流在接地網(wǎng)各地表點(diǎn)形成的磁感應(yīng)強(qiáng)度，再將所有導(dǎo) 體的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疊加，從而得到接地網(wǎng)的理論地表面磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。
[0037] 所述的步驟2,在選取測點(diǎn)時(shí)，以節(jié)點(diǎn)為分割點(diǎn)將接地網(wǎng)分成若干導(dǎo)體，并選取導(dǎo) 體的六等分點(diǎn)為測點(diǎn)；該測點(diǎn)的選擇方式大大減少了現(xiàn)場測試的工作量，對大型接地網(wǎng)尤 為明顯。
[0038] 所述的步驟2中的磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算公式為：
[0040] 式中，Bini為磁感應(yīng)強(qiáng)度某一方向分量的幅值；V。_"為感應(yīng)電壓信號幅度；f。為激勵(lì) 電流頻率；N為探測線圈匝數(shù)；S為探測線圈截面積；A為數(shù)據(jù)采集器對信號的放大增益。
[0041] 所述的步驟3中的根據(jù)部分地表電位或磁感應(yīng)強(qiáng)度測量值計(jì)算出全部地表電位 或磁感應(yīng)強(qiáng)度，具體是：
[0042] 3a)對某一導(dǎo)體，根據(jù)導(dǎo)體上的測點(diǎn)位置坐標(biāo)x = [X(l，Xl，…，x6]T及相應(yīng)測點(diǎn)的 含有現(xiàn)場測量誤差的地表電位或磁感應(yīng)強(qiáng)度測量值
，構(gòu)造正交多項(xiàng)式 {&0〇}，其遞推關(guān)系式為：
[0044] 式中，Pk(x)為首項(xiàng)系數(shù)為1的k次多項(xiàng)式；a k，0 k為多項(xiàng)式系數(shù)；
[0045] 根據(jù)Pk(x)的正交性得出ak，f3 k與Pk(x)