變電站接地網(wǎng)研究及故障診斷分析

變電站接地網(wǎng)研究及故障診斷分析摘要電力系統(tǒng)的接地網(wǎng)是維護電力系統(tǒng)安全可靠運行、保障運行人員和電氣設(shè)備安全的重要措施.構(gòu)成接地網(wǎng)的導(dǎo)體埋在地下,常因施工時焊接不良及漏焊、土壤的腐蝕、接地短路電流電動力作用等原因,導(dǎo)致地網(wǎng)導(dǎo)體及接地引線的腐蝕,甚至斷裂，使地網(wǎng)的電氣連接性能變壞、接地電阻增高.為了保證和提高電網(wǎng)設(shè)備工作的可靠性、安全性，電網(wǎng)接地技術(shù)的應(yīng)用是必不可少的。電力系統(tǒng)接地網(wǎng)的一個非常重要的指標就是接地電阻，對接地電阻的測量將是判別接地網(wǎng)好壞的一個重要標準。顯然接地網(wǎng)的測量手段和方法也是十分重要的。本文結(jié)合工作實際，對接地網(wǎng)測量技術(shù)進行了較系統(tǒng)的研究。論文首先對接地網(wǎng)測量所采用的方法進行了分析和歸納，對每種不同的方法進行了比較分析,也對接地的幾個常用概念做了說明,對測量接地電阻的基本原理進行了闡述。電力系統(tǒng)接地網(wǎng)接地電阻這個指標是反映了地網(wǎng)總體水平,但是如果某一個支路電阻增大或支路導(dǎo)體腐蝕斷裂，接地電阻將很難反映出來。現(xiàn)有判斷地網(wǎng)腐蝕及斷點的常用方法就是“停電抽樣開挖”的辦法,往往帶有很大的盲目和實際操作上的困難，并且在接地工程竣工后對施工中的地網(wǎng)漏焊和虛焊也缺少有效的檢查驗收手段.本文將在電力系統(tǒng)正常運行的情況下，對如何確定變電站接地網(wǎng)的故障（包括斷點及腐蝕)位置的準確、可靠和簡單的診斷進行理論分析。通過接地網(wǎng)各引線間電氣參數(shù)的測量值來確定地網(wǎng)的斷點及腐蝕情況。本文建立了一個能準確反映地網(wǎng)各段導(dǎo)體電阻值和地網(wǎng)接地引線間電氣參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。地網(wǎng)各段導(dǎo)體電阻值和地網(wǎng)接地引線間電氣參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系是一個非線性關(guān)系，必需采用迭代方法進行求解，模擬系統(tǒng)仿真結(jié)果表明了方法的有效性。關(guān)鍵字:接地網(wǎng)接地電阻測量故障診斷RｅsearchontheＳｕbsｔatｉonGrｏｕｎdiｎgSystｅmａｎdＡnalysisofｔheＦaultＤiagnosisABSTＲACTGrｏｕnｄingsｙsｔｅｍｓusediｎelectriｃｐoweｒsystｅmｓaｒeimpoｒtanｔmeａｎｓtｏｋｅｅpaseｃｕrｅaｎｄｒeliabｌｅoｐerａt(yī)iｏｎofｔｈeｐｏwｅrsｙｓｔemｓ,andensuｒｅsaｆｅtｙofopｅrａｔｉｎgpersonnｅlandelｅctrｉcaleｑuiｐments。Ｃoｎｄｕctoｒsｔhａt(yī)ｆｏrmaｇrｏｕndingsyｓｔeｍaｒeburｉedｕｎdergrｏuｎｄ。Thｅｐooｒｑuａliｔyｗeｌｄingｗorｋoｒfａilureｔoｃｏndｕcｔｗｅldｉngworkiｎｔhecourｓeｏｆcｏｎstrｕctiｏｎ，sｏiｌｃｏｒｒosion,ｅｌecｔrodynamicseffeｃtsoｆgroundshoｒｔ-cirｃuitcｕrrent,etc．mａyleaｄtｏｃｏｒｒosｉoｎ,oreｖenbｒeak,ofgrｏundｉngsystemcｏndｕctorsaｎdgroｕndiｎgｗireｓ，ｒeｓuｌtiｎgiｎbadｅlectricａlｉnｔｅrcoｎnectｉoｎoftheｇrouｎｄｉｎｇsystems,andｉｎcreasinｇｏfelｅctrｉｃaｌrｅsistancｅtogroｕnd.Inoｒderｔoｓｅcｕｒｅandenhanｃerｅliａbiｌityanｄsaｆｅｔｙofwｏrkrelａｔｅｄtｏpoｗｅｒｓysｔemequipmｅｎｔ，gｒouｎｄiｎｇtechｎolｏgyｆortheｐowersｙstemaｒeｑuｉｔeneｃesｓaｒy。Eleｃtricａlrｅsisｔanceｔogrouｎdｉsavｅryimpｏrtａnｔindicaｔorfｏrgroundingsｙsteｍsｉnthepoweｒｓｙstｅms，andmeasｕrementofｒesiｓtａncetｏｇrｏｕnｄｉsanimportantcriｔｅrionadopｔｅｄtodeterｍinewhｅｔheｒagroundinｇsyｓteｍisｇoｏdoｒbaｄ．Ａsａreｓult,mｅansaｎｄmethodoloｇｉesｆoｒｒesｉstaｎｃeｍｅａsｕｒemｅntofgrouｎdingｓystｅmsａreｉmporｔaｎｔｒｅsearchtopicｓ.Ｔｈｉｓｐaｐｅrmakesaｎaｎalysisaｎｄsｕmmaryofthemｅｔhoｄolｏgieｓuｓｅｄinｔheｍeａｓurｅmentofgｒｏuｎｄiｎgsｙｓｔeｍs．Ｔheｄiffｅrentmethodologieｓaｒeｃomparｅd。Ｔhecｏmｍonlyｕseddefinitｉｏnsａswellastｈｅｒａt(yī)ionａlｅfoｒｍｅａｓｕｒemenｔofresｉstanｃｅｔｏgｒｏｕｎdarｅillustｒated。Resisｔaｎcetｏgroｕｎdforgrouｎdingsysｔｅｍｓｉntheｐowersysｔeｍs，aｓaninｄiｃaｔor，refｌeｃtsａnoveｒalｌlevｅlofgroundingsystems。Howeveｒ,inｃasｅofinｃｒeasｉｎgｉnｒesiｓtancｅinａsub－ｃircuiｔ，ｏｒofｃoｒrosｉoｎorｂreakｏｆｃonｄuctｏrｓinasub-circuit,rｅｓｉstancetoｇroｕｎdcoulｄhａrdlygｉvｅｒeｆleｃtion。Today,themetｈodologycomｍｏｎｌｙｕsｅｄｉnthepoｗｅrｓｙstemsｔｏdｅteｃtgroundingsyｓteｍcorrｏsionandbreaｋpｏｉｎtｓisｂｙperｆormingｓａｍｐleexｃavａｔiｏnswiｔｈｔｈｅｅlｅctｒiｃiｔｙｔｕｒnｅｄoff.Obvioｕｓly，ｓuｃhmethｏｄｏｌｏgyisofteｎcarrｉｅdｏuｔｗiｔｈmuｃhｂlindnesｓandgreａt(yī)dｉfficultyｉnｐrａctiｃe，ａndｄuringｔｈeinspectionandaｃceｐｔａncｅcoｎdｕcｔedafteｒａgｒoｕｎｄinｇproｊｅctｉscｏmplｅted，ｅffeｃｔivemeaｎsａreｌackｉｎgｔodetｅｃｔfaiｌｕreｔocｏnduｃtwelｄinｇworkandpoｏrquａｌitywelｄｉnｇworkｏｎgｒoundｉngｓystemsinｔhecourｓｅｏfｃonsｔrucｔion。Thｉｓpａｐeｒｐresentｓathｅｏｒeｔicａlaｎalysisｏnａnａccuｒａｔｅ,ｒeliａbｌeａｎdsimpｌeｄｉagnoｓisｍethodoflocaｔｉonsoｆｆａｉluｒedｉagnoｓiｓ（inclｕdiｎgbreakｐoinｔsaｎdcorｒｏsion)ofsubstaｔｉoｎgｒounｄingｓystemswiｔhｔhｅnormalｏpｅｒaｔioｎoftｈepowｅｒｓyｓｔemｓ.Meａsuｒementｖａlueｓｏｆｅlｅctrｉcａlpａrameterｓｂetｗeengｒoｕndiｎgｓysｔemwirescａnbｅuｓedtｏdetｅrmｉnｅbｒeakｐoiｎtsａndｃｏrrｏsioｎｓtaｔusofgrouｎdinｇsystｅms。Thispａpereｓtabliｓhesamatｈｅmａt(yī)ｉcａlｍｏdelthａt(yī)caｎaccurateｌｙｒｅfｌeｃttherｅlａt(yī)ionshｉｐbeｔｗeｅnｒesistaｎｃevaｌuesoｆgｒouｎdiｎgsystemcｏnｄｕctorsｅｇｍeｎtｓandｇｒounｄinｇsystｅmｗirｅs．Tｈeｍａt(yī)ｈeｍａｔｉｃａlreｌatｉonsｈipbeｔwｅeｎｒｅsistancevaｌuｅｓｏfgrｏuｎdｉngsｙsｔemcｏnduｃtorsｅｇmｅntｓandｇrounｄingwｉresiｓnoｎ-linear，sotｈｅiteｒativemeｔhodisａdopｔedｔoｆｉｎdtｈｅsoluｔｉoｎ.Kｅyｗorｄs:GｒoｕndingSystemＲｅｓistanｃeｔｏＧｒｏuｎdMｅasurｅｍentFaｉlｕrｅＤｉagnosｉs第一章變電站接地總體綜述１。1變電站接地的意義電力系統(tǒng)的接地網(wǎng)是維護電力系統(tǒng)安全可靠運行、保障運行人員和電氣設(shè)備安全的重要措施。隨著電網(wǎng)的發(fā)展、電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，接地短路電流越來越大,特別是變電站內(nèi)微機保護、綜合自動化裝置的大量應(yīng)用,這樣弱電元件對接地網(wǎng)的要求也越來越高。它不僅要滿足工頻短路電流的要求，還要滿足雷電沖擊電流、熱穩(wěn)定、設(shè)備接觸電位差、跨步電位差、地電流干擾等一系列的要求。我局就發(fā)生過接地不良而引起避雷器損壞的事故，也發(fā)生過接地網(wǎng)接地電阻不合格,現(xiàn)場又無法查找和處理，從而進行了接地網(wǎng)重新敷設(shè)的事情。從電力系統(tǒng)歷年的事故簡報中可以看出，由于接地裝置的問題而引起的主設(shè)備損壞、甚至變電所發(fā)電廠停運等事故己有多次，極大地危害了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。為了保證和提高電網(wǎng)設(shè)備工作的可靠性、安全性，電網(wǎng)接地技術(shù)的應(yīng)用是必不可少的.電網(wǎng)接地是為了在正常和事故以及雷擊的情況下，利用大地作為接地電流回路的一個元件，從而將設(shè)備接地處電位限制為所允許的電位。此時的電位大小除與電流的幅度和波形有關(guān)外,還和接地體的幾何尺寸以及大地的電性參數(shù)有關(guān)。原因一是接地體的幾何形狀比較復(fù)雜,二是地面下的地層結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,且各地都不一致.變電站接地系統(tǒng)一方面將故障電流流散到土壤中,另一方面使跨步電位差和接觸電位差限制在人體容許的安全范圍,以確保設(shè)備與人身安全。這幾年國電公司新頒布的二十五項重點反事故措施中，對接地問題也進行了重要規(guī)定，要求重要設(shè)備都必須是兩電接地，像變壓器(特別是變壓器的中性點）的接地必須要從地網(wǎng)的兩個不同的接地線分別進行兩點接地。從而我們可以看出,良好的接地裝置對于變電站是十分重要的.１.２變電站接地網(wǎng)運行工況變電站接地網(wǎng)的導(dǎo)體埋在地下，常因施工時焊接不良及漏焊、土壤的腐蝕、接地短路電流電動力作用等原因，導(dǎo)致地網(wǎng)導(dǎo)體及接地引線的腐蝕，甚至斷裂，使地網(wǎng)的電氣連接性能變壞、接地電阻增高。若遇電力系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障，將造成地網(wǎng)本身局部電位差和地網(wǎng)電位異常增加，除給運行人員帶來威脅外,還可能因反擊或電纜皮環(huán)流使得二次設(shè)備的絕緣遭到破壞.高壓串入控制室，使監(jiān)測或控制設(shè)備發(fā)生誤動或拒動而擴大事故,帶來巨大的經(jīng)濟損失和社會影響。在腐蝕性較強的土壤、特別是在腐蝕性強的鹽堿地中的地網(wǎng)，地網(wǎng)腐蝕特別嚴重。根據(jù)國外的調(diào)查研究表明,在腐蝕性較強的土壤中，地網(wǎng)金屬的年腐蝕率可達2．０mm，腐蝕性強的土壤中可達3．4mm,腐蝕性極強的土壤中可達８。０mｍ。因此在這些地區(qū)，地網(wǎng)腐蝕已構(gòu)成影響電力系統(tǒng)安全運行的重要因素。在我國,因地網(wǎng)腐蝕或發(fā)生斷裂而引起的電力系統(tǒng)的事故時有發(fā)生，每次事故都會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟損失。地網(wǎng)事故是變電站的一個心腹之患，接地網(wǎng)導(dǎo)體的腐蝕或斷裂是接地網(wǎng)接地電阻升高從而引起接地網(wǎng)事故的根本原因。同時,變電站運行中的電氣設(shè)備經(jīng)常由于雷電過電壓,操作過電壓造成損壞，這種設(shè)備事故損壞是直觀的,但對于接地裝置來講，過電壓對地網(wǎng)的損傷是不直觀的。因此，這種損壞往往被忽視,如有的過電壓故障時間較長,故障電流使接地網(wǎng)多處燒損，變電站地網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)高電位，對二次回路造成威脅,對人身安全構(gòu)成危險,嚴重時會造成變電站部分或全站停電、主設(shè)備損壞等惡果。1。3變電站接地的目的和用途變電站的接地就是將電氣裝置、建筑和設(shè)備中的某些導(dǎo)電部分，經(jīng)過接地線通過接地網(wǎng)接至接地極上。由于地中自然電場和人工電場的影響，設(shè)備接地處的電位常常不是等于零。當有電流通過接地體流入地中時，設(shè)備接地處的電位會相當高。在大地短路電流系統(tǒng)中，接地電位可能達２００0伏及以上。在雷擊時，接地體的電位可能達到數(shù)十萬伏,電流可達數(shù)十至數(shù)百萬千安,時間卻很短（一般為數(shù)十微秒）。由于接地體的電位升高，會使設(shè)備受到反擊過電壓的作用，設(shè)備有可能因此而被擊穿或引起誤動作。電流離開接地體在地中流散時，還會在地面上出現(xiàn)電位梯度。人體站在這樣的地面上,有可能受到接觸電位差和跨步電位差引起的電擊傷害。接地裝置是接地線和接地極的總和,埋入地中并直線與大地接觸的金屬導(dǎo)體，稱為接地極.接地線是指電氣裝置、設(shè)施的接地端子與接地極連接用的金屬導(dǎo)電部分。總結(jié)變電站接地的主要目的是：1)防止故障電流危害人身和設(shè)備;２）防止雷電流危害人身和設(shè)備;3)防止感應(yīng)電流危害人身和設(shè)備；４）防止開關(guān)設(shè)備操作過電壓損壞設(shè)備；５)保證施工人員和設(shè)備的安全等等。變電站的接地種類按用途可以分為以下三種:1)工作接地,即在電力系統(tǒng)電氣裝置中,為運行需要所設(shè)的接地（如中性點直接接地或經(jīng)其他裝置接地等）；2）保護接地，即電氣裝置的金屬外殼、配電裝置的構(gòu)架和線路桿塔等,由于絕緣損壞有可能帶電,為防止其危及人身和設(shè)備安全而設(shè)的接地;3）雷電保護接地，即為雷電保護裝置(避雷針、避雷線和避雷器等）向大地泄放雷電流而設(shè)的接地；在電力系統(tǒng)中,變電站的接地主要指是電氣設(shè)備的保護接地。也就是將電氣設(shè)備在正常運行情況下不帶電的金屬外殼、配電裝置的金屬構(gòu)架等和接地體之間作良好的金屬連接.１．4一些規(guī)程中對變電站接地方面的要求變電站的接地電阻值是接地系統(tǒng)的重要技術(shù)指標,它是衡量接地系統(tǒng)的有效性、安全性以及鑒定接地系統(tǒng)是否符合設(shè)計要求的重要參數(shù)。由于土壤電阻率的各向異性與土壤電阻率測量值的誤差,以及其他在規(guī)程和計算中無法考慮的復(fù)雜地形因素，接地系統(tǒng)的接地電阻計算值雖然對設(shè)計有一定的指導(dǎo)作用,但是施工完成后，還必須通過實測來確定其真實值.目前設(shè)計接地系統(tǒng)經(jīng)常采用等值電阻率來等效實際復(fù)雜的土壤結(jié)構(gòu)，進行地網(wǎng)接地電阻的估算，其結(jié)果往往是設(shè)計值與實際值相差甚遠，在這種情況下更有必要對接地系統(tǒng)完成施工后的接地電阻進行測量。接地電阻的測量是接地系統(tǒng)驗收和運行過程中檢查其合格與否的重要手段，也是檢驗接地系統(tǒng)在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時能否發(fā)揮作用的重要措施。如何簡便、準確地測量發(fā)變電站接地系統(tǒng)，特別是大型接地系統(tǒng)的真實接地電阻是長期困擾電力工作者的一大難題.1)變電站電氣裝置的接地電阻—直接接地的大電流接地系統(tǒng)。一般情況下,接地裝置的接地電阻應(yīng)符合下式要求：R≤2０00／I（１-1)式中:R—考慮到季節(jié)變化的最大接地電阻，W；I—計算用的流經(jīng)接地裝置的接地短路電流，A；２)變電站電氣裝置的接地電阻—不接地或經(jīng)消弧線圈接地和高電阻接地的小電流接地系統(tǒng)。一般情況下，接地裝置的接地電阻應(yīng)符合下式要求：R≤2５０/I（1-2）式中:Ｒ-考慮到季節(jié)變化的最大接地電阻,Ω;Ｉ—計算用的接地故障電流,A；但不宜大于10W。３）變電站獨立避雷針（含懸掛獨立避雷線的架構(gòu)的接地電阻一般不應(yīng)大于10W.要符合DL/T6２０—1９９7《交流電氣裝置的過電壓保護和絕緣配合》的要求。１．５接地的幾個基本概念1）接地極：埋人地中并直接與大地接觸的金屬導(dǎo)體，稱為接地極.兼作接地極用的直接與大地接觸的各種金屬構(gòu)件、金屬井管、鋼筋混凝土建(構(gòu)）筑物的基礎(chǔ)、金屬管道和設(shè)備等稱為自然接地極。2）接地線:電氣裝置、設(shè)施的接地端子與接地極連接用的金屬導(dǎo)電部分。3）接地裝置：接地線和接地極的總和。4)接地網(wǎng)：由垂直和水平接地極組成的供發(fā)電廠、變電所使用的兼有泄流和均壓作用的較大型的水平網(wǎng)狀接地裝置。5）集中接地裝置：為加強對雷電流的散流作用、降低對地電位而敷設(shè)的附加接地裝置,一般敷設(shè)3-5根垂直接地極在土壤電阻率較高的地區(qū)，形成放射形水平接地極。６）接地電阻:接地極或自然接地極的對地電阻和接地線電阻的總和，稱為接地裝置的接地電阻,接地電阻的數(shù)值等于接地裝置對地電阻與通過接地極流人地中電流的比值。按通過接地極流人地中工頻交流電流求得的電阻，稱為工頻接地電阻。按通過接地極流人地中沖擊電流求得的接地電阻,稱為沖擊接地電阻。7）接地裝置對地電位:電流經(jīng)接地裝置的接地極流人大地時，接地裝置與大地零電位點之間的電位差.８)跨步電位差:接地短路（故障)電流流過接地裝置時，地面上水平距離為0．8m的兩點間的電位差，稱為跨步電位差。1.6變電站接地網(wǎng)的需要面對的幾個問題１)接地網(wǎng)的的接地電阻問題。2）接地網(wǎng)均壓的問題。3)設(shè)備接地的問題。４）接地線的熱穩(wěn)定問題。５）接地網(wǎng)腐蝕的問題。這是目前變電站接地網(wǎng)需要面對的幾個方面.其中，接地網(wǎng)的均壓和接地線熱穩(wěn)定的問題在變電站的接地設(shè)計過程考慮的比較多，而接地電阻、設(shè)備接地的可靠性、接地網(wǎng)腐蝕的問題是變電站實際運行中應(yīng)重點考慮的問題。接地電阻直接關(guān)系到接地短路和雷電流入地時電位升高問題，設(shè)備接地的好壞關(guān)系到雷擊時產(chǎn)生殘壓過高和反擊過電壓是否損壞設(shè)備的問題。接地網(wǎng)的腐蝕會使接地網(wǎng)的電氣參數(shù)發(fā)生變化，甚至造成電氣設(shè)備的接地與地網(wǎng)之間、地網(wǎng)的各部分之間形成開路,這是接地裝置必須面對而又無法回避的一個現(xiàn)實問題，這都是本文主要考慮的問題。第二章變電站接地網(wǎng)接地電阻測量和測量方法的分析2．1變電站接地電阻測量方法的發(fā)展與現(xiàn)狀根據(jù)接地電阻的定義:接地電阻應(yīng)該是從接地極到無窮遠處的土壤的總電阻。然而在實際測量時，測量引線是不可能設(shè)置在真正的無窮遠處的,而且測量回路的存在必然導(dǎo)致輔助電極的存在，而輔助電極的引入必然會使地中的電流場發(fā)生畸變從而影響到地面電位的分布。所以在測量過程中，必須考慮到輔助電極的影響.顯然，輔助電極對地網(wǎng)外地面電位的影響與其和接地網(wǎng)的距離有直接的關(guān)系。為了盡量減小電流極的影響，要求電流極的距離越遠越好。根據(jù)接地電阻的定義，最初人們對接地電阻的測量是使用伏安兩點法。就是簡單的在距離地網(wǎng)較遠的位置布置一個電極，直接將輔助電極與地網(wǎng)兩端電壓和電流的比值作為地網(wǎng)接地電阻值。從使用效果來看，這種方法測量誤差很大，測量可靠性和重復(fù)性都非常差。目前已基本不使用這種方法。隨著電力技術(shù)的不斷發(fā)展，對接地電阻的理解和分析也愈加深入,從60年代開始,電位降測量理論逐漸得到了廣泛的認可.時至今日，ANSI/IEEＥ標準仍然推薦使用電位降法來測量接地電阻,也就是布置電流極和電壓極兩個輔助電極，通過不斷改變電壓極位置測量得到接地體與電壓極之間的電位降曲線，分析測量曲線,得到接地電阻的測量值.但由于電位降測量法需要反復(fù)多次測量,工作量很大，而電位降曲線的繪制相對也比較困難,很不利于現(xiàn)場操作。因此，國內(nèi)外研究人員在電位降理論基礎(chǔ)上發(fā)展了一系列簡化測量理論，其中最常采用的是由電位降法衍生出的三極電位補償法,包括我國電力系統(tǒng)過去以及目前仍大量使用的０．6１８法和30度夾角法。根據(jù)使用的儀器不同,又產(chǎn)生了許多不同的測量方法,如電流表－-功率表法、電橋法、電位計法等.2。2接地網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展狀況１)犧牲陽極實現(xiàn)地網(wǎng)的主動保護。在土壤電阻率相對較低的地區(qū),地網(wǎng)接地電阻值容易滿足要求，但腐蝕問題比較突出。金屬腐蝕一般可分為：電化學(xué)腐蝕、雜散電流腐蝕和細菌（微生物)腐蝕。對地網(wǎng)來說，以電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象最為嚴重.根據(jù)這一現(xiàn)象中的“微電池”和“宏電池”的機理,提出了以犧牲性陽極,積極保護以陰極形式存在的地網(wǎng)的觀點，并在實踐中取得了成功。據(jù)推算,采用該保護方法可使地網(wǎng)的使用年限延長到４0年。２）深孔或非單層接地的降阻措施。在土壤電阻率相對較高的地區(qū),接地電阻值很難達到要求,通常采用的對策是將地網(wǎng)外延，由于地網(wǎng)敷設(shè)在廠（站）外，必然導(dǎo)致高電位外引,形成安全隱患，同時也需要附帶經(jīng)濟賠償條件。平面布置的接地極之間，在近距離內(nèi)會產(chǎn)生屏蔽作用.深孔接地卻利用了三維空間，而且還將高電位引向大地深層。3)降阻劑的使用問題。盡管圍繞降阻劑的使用問題有許多爭論，但也不乏使用降阻劑比較成功的實例。這一方面是因為降阻劑的效果不是十分明確，不能保證使用的可靠性和長時間性，另外一方面對周圍土壤的環(huán)境也存在一定的破壞。所以很多人對它的使用保持緘默，但是同時它在實際應(yīng)用中也確實解決了一些現(xiàn)場的難題，所以會產(chǎn)生比較大的分歧。４)地網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計。等間距布置存在地位分布不均勻的問題，如果采用不等間距布置,即從地網(wǎng)邊緣到中心，導(dǎo)體間距按一定規(guī)律增加,確定合理的導(dǎo)體根數(shù),使導(dǎo)體上的泄漏電流密度更均勻，并由此顯著地減小地網(wǎng)接地電阻及地表面的電位梯度和最大接觸、跨步電位差。近幾年來，利用建筑物基礎(chǔ)中的鋼筋作為接地體，形成立體接地網(wǎng),由于具有耐腐蝕、耐用、阻值較穩(wěn)定、可節(jié)約鋼材等優(yōu)點，越來越受人關(guān)注。２．３變電站測量接地電阻的基本原理2．３．1接地電阻的基本概念接地裝置工頻接地電阻的數(shù)值,等于接地裝置的對地電壓U與通過接地裝置流入地中的工頻電流I的比值.接地裝置的對地電壓是指接地裝置與地中電流場的實際零位區(qū)之間的電位差。實際零電位區(qū)是指沿被側(cè)接地裝置與測量用的電流極之間連接線方向上電位梯度接近于零的區(qū)域。實際零電位區(qū)范圍的大小，與測量用的電流極離被測接地裝置的距離的大小、通過被測接地裝置流人地中測試電流的大小以及測量用的電壓表的分辨率等因素有關(guān).用電壓表和電流表分別測量接地裝置與電壓極之間的電位差Ｕ和通過接地裝置流人地中的測試電流I，由U和I得到接地裝置的工頻接地電阻日Ｒ=U/I圖２－１半球形接地極示意圖Fｉｇ2-1DiａgrａmofＨeｍｉｓpｈｅricaｌＧｒoｕｎdｉnｇEｌｅcｔｒoｄe2.3.２測量方法的基本分類接地電阻的測量方法到目前為止尚沒有明確的分類。但按所處角度的不同,大致可分為:1)按測試極位置來分,可分為導(dǎo)則法、補償法和電位降法.補償法又分為直線、三角布置。２）按測試極數(shù)量,可分為三極法、四極法、多極法。3)按測試電流，可分為大電流法和小電流法。大電流法包括三極法、四極法、瓦特表法等。小電流法包括儀表法、異頻法、白噪聲(功率譜高階譜）法。4)按測試干擾消除方法，可直接分為四極法、倒相法、異頻法、瓦特表法、基于白噪聲（功率譜高階譜）法、附加串接電阻法、雙電位極引線法、電位極引線中點接地法、相位差法、直流法、數(shù)值計算法等等。這些分類方法既互相包含又各有不同，只是看人們用于不同的領(lǐng)域、不同的研究方向、不同的使用方式作為參考而用。２。3。3變電站測量接地電阻常用方法介紹１)導(dǎo)則法導(dǎo)則法是接地裝置工頻特性參數(shù)的測量導(dǎo)則中推薦使用的方法,在很多書籍里也形象地稱這種方法為遠離法.對于半球形接地電極來說,要使得測量的接地電阻Ｒ符合實際接地電阻,那么就要是測量用的電流極和電壓極與被測地網(wǎng)的距離趨向無窮大,即可滿足要求。但實際上是很難做到的。因為實際變電站接地網(wǎng)的面積都比較大，那么測量用的導(dǎo)線要非常長，壓降和誤差都會非常大。如果取測量用的電壓極和被測地網(wǎng)的距離是5倍被測地網(wǎng)的大?。ㄖ笇嶋H地網(wǎng)的半徑）,測量用的電流極和被測地網(wǎng)的距離是１０倍被測地網(wǎng)的大小，那么實際上所測量的接地電阻Ｒ與實際地網(wǎng)的接地電阻相差1０％。即測量結(jié)果比實際值偏?。?％,這在工程上是可以接受的。圖２－2電極布置和電位分布示意圖Fig2-2ＤiaｇrａｍofElectrodｅＬayoutanｄPｏｔentiａlDｉｓtｒiｂutｉon上圖中，Ｇ一被測接地網(wǎng)；P-測量用的電壓極；C－測量用的電流極但在實際應(yīng)用中，變電站的地網(wǎng)形狀并不是半球形,而介乎圓盤電極和圓環(huán)電極之間.那么實際地網(wǎng)的最大對角線距離就是代表實際地網(wǎng)的大小，按照上面電壓極和電流極所取的對地網(wǎng)距離，那么所測量的接地電阻值就會比實際接地電阻值小５%——8％,這在實際工程應(yīng)用中都是可以接受的。2）三極法圖2－3所表示的點P是實際零電位區(qū),實際零電位區(qū)是指沿被測接地裝置與測量用的電流極C之間連接線方向上電位梯度接近于零的區(qū)域。圖２—3三極法原理接線圖Fｉｇ２—3ＤiａgramｏｆWiｒｉｎgｂyＵsingＴhrｅe-ＥlｅcｔrｏｄeSyｓtem圖中,E--—測量用的工頻電源;I-——交流電流表；Ｕ－—－交流電壓表在接地裝置工頻特性參數(shù)的測量導(dǎo)則中推薦使用三極法測量接地電阻。三極即指G、P、C，其中，Ｄ是被測接地裝置的最大對角線長度，那么點Ｐ可以認為是處在實際的零電位區(qū)內(nèi).如果想較準確地找到實際零電位區(qū)，可以把電壓極沿測量用電流極與被測接地裝置之間連接線方向移動三次，每次移動的距離約為的5％，然后再測量電壓極與接地裝置之間的電壓。如果電壓表的三次指示值之間的相對誤差不超過５％,則可以把中間位置作為測量用電壓極的位置。把電壓表和電流表的指示值代人R=U/I中去，得到被測接地裝置的工頻接地電阻Ｒ.3)補償法(0.618法）在導(dǎo)則法中所測得的接地電阻仍要比實際值小10％，這是由于零位面的移近使接地裝置和零位面間的電位差降低所引起的。如果把電壓極由５0%的零位面右移到6１。８％的負電位處,則電壓表的讀數(shù)即可相應(yīng)增大,從而補償了由于零位面移近而帶來的固有誤差。補償法通常用在地網(wǎng)尺寸大、用導(dǎo)則法測量對電壓和電流引線過長而造成困難時.補償法是一種人為的修正方法，還可推廣應(yīng)用到電壓極和電流極按三角布置的情況。在現(xiàn)場實際測試工作中，電流極和電壓極成一定夾角布置，經(jīng)常取電壓極和電流極為相等的距離,它們之間的夾角ｑ=30度的測試方法(即30度夾角測試法，電流極與電壓極與被測接地體具有相同的長度，夾角為３0度),此時測得的R即為實際接地電阻.４)四極法當被測接地裝置的最大對角線較大，或在某些地區(qū)(山區(qū)或城區(qū))按要求布置電流極和電壓極有困難時,可以利用變電所的一回輸電線的兩相導(dǎo)線作為電流線和電壓線。四極法的四極是指被測接地裝置G，測量用的電流極C和電壓極P以及輔助電極Ｓ,由測量到的接地裝置和輔助極、接地裝置和電壓極以及電壓極和輔助極之間的電壓,和通過接地裝置流人大地中的電流，求出被測接地裝置的工頻接地電阻。5)接地電阻測量儀法電流電壓表法需要專門的測量電源，因此它的廣泛應(yīng)用受到條件的限制,在一些場合可以采用接地電阻測量儀法。目前,接地電阻測量儀法得到廣泛的應(yīng)用,概括起來可以分為二種：一種是傳統(tǒng)的接地搖表法,采用手搖電機作電源;另一種是鉗表法.上海交通大學(xué)工程碩士論文第二章變電站接地網(wǎng)研究及故障診斷分析第11頁ＺＣ－8型是目前我國使用最廣泛的接地搖表。這種測量儀屬電位計型，用磁電系檢流計做指零儀，儀表備有機械整流器或相敏整流器，以便將交流轉(zhuǎn)化為檢流計所需的直流電源，并可消除地中工頻雜散電流對測量的影響,此外，在電壓出線的回路中還串聯(lián)了一個電容以隔斷直流。手搖發(fā)電機輸出電流的頻率為1０５-１2０Ｈz，ＺC－8型測量儀由于其電源容量小,不能提供大的測量電流，許多實踐表明其測量值隨干擾電流值的加大而明顯增大,即抗干擾能力低。鉗口式接地電阻測量儀電源為干電池。主要分為單鉗式和雙鉗式.測試原理是一樣的，都有兩個線圈，雙鉗口式兩線圈是分開的，單鉗口式把兩個線圈合并在一個鉗口上。圖２－4鉗型表法測量示意圖Ｆｉg2－4DiagramofMeaｓuｒeｍeｎｔｗitｈClampMｅter兩個線圈中有一個為電源線圈，它在接地裝置回路中感應(yīng)的電壓為U，另一個是測量線圈,它測得接地裝置回路中的電流為Ｉ，則IUＲＲZG／＝＋（２－１）式中GR——被測接地裝置的接地電阻;ＺR—-幾個接地電阻并聯(lián)等效電阻。當GＲ〉＞ZR式(2—1）簡化為ＩURＧ/=（2－2）由此分析,測量儀不需打輔助測量極和斷開接地引線,可進行在線監(jiān)測.同時鉗表法測得的是回路電阻，因此不但可測接地裝置接地電阻值，還可以發(fā)現(xiàn)整個接地回路的接觸和連接情況。另外鉗形表法測得的是異頻（或高頻)回路電阻,不能簡單認為測量得到的就是工頻接地電阻,兩者之間是近似關(guān)系,需結(jié)合現(xiàn)場實情，分析所測接地電阻的誤差特性。接地電阻測試儀體積小巧,電源方便,操作簡單，適用于電線桿塔、微波塔、避雷針等小型接地裝置。由于輸出功率小或測試原理等方面的原因,接地電阻測試儀不適合……1R2RGR1－nＲｎR電壓線圈電流線圈大地網(wǎng)的測試。因此導(dǎo)則推薦，當接地裝置的最大對角線較小,且工頻接地電阻值大于0。5W時,也可以用接地電阻測量儀測量，但其電壓極和電流極應(yīng)按遠離法和補償法的要求布置。6)異頻法異頻法也稱變頻法［23]。異頻測量法使用變頻電源，地網(wǎng)干擾經(jīng)過選頻濾波被消除。即利用頻譜技術(shù)首先測量地網(wǎng)干擾信號頻譜,控制試驗電源頻率使之工作在未受干擾或干擾較小的頻段上，采用計算機進行數(shù)據(jù)處理,可從測量結(jié)果中拾取電流電壓的同相分量,并折算出地網(wǎng)工頻接地電阻值。異頻法較關(guān)鍵的問題是變頻電源和信號提取處理技術(shù)。以往測量往往用三倍頻（1５0Hz，用飽和變壓器零序輸出）、信號發(fā)生器和功率放大器復(fù)合組成。目前,采用電力電子技術(shù),利用正弦脈寬調(diào)制(SPＷM）原理已研制出性能優(yōu)良的異頻功率源.研究表明,地網(wǎng)的干擾信號比較復(fù)雜。在未注入電流時，接地裝置與電壓極之間測量到的干擾信號,可以發(fā)現(xiàn)在50Ｈｚ和150Hz附近幅度最大，在35Hｚ以下和６0—110Ｈz之間趨近于零.為了準確拾取有用信號，信號采集時，根據(jù)變頻電源的輸出頻率確定每周期固定采樣N點，使長度為N的序列中包含１個周期的有用信息。信息處理時，默認有用信號為基波，用傅立葉變換，求出有用信號的幅值和相位.對于如何處理這些信號,產(chǎn)生了二種思路：第一種是通過電壓、電流間相位差或者是工頻附近二個頻率源下的測量值的計算，消除引線間的互感電壓(包括接地電阻電抗的電壓分量）;第二種是通過工頻附近二個頻率電源下測得的接地電阻,利用插值法計算出工頻下的接地電阻值(包括電流、電壓引線間的互感）。異頻法的優(yōu)點是設(shè)備輕小、電流引線細、操作方便，且能比較有效消除地網(wǎng)中的工頻及高頻干擾.第一種思路的方法能消除引線間的互感電壓,但測得的接地電阻值為純電阻。第二種方法不能消除引線間的互感,必須借助電壓電流極成180°(或90°）布線或計算引線互感抗或放置電壓、電流極引線，來測量接地裝置的電阻和電抗分量。如何利用第二種方法,并與其他方法（如四極法等)相結(jié)合，來消除引線間的互感，是值得研究的問題.７）瓦特表法瓦特表法就是采用三極法的工作原理,通過測量電流和功率求得接地電阻２／IＰRＧ=(W)（2-3）式中,Ｐ-—接地電阻上的有功損耗(W）;Ｉ－-輸入接地裝置的交流電流有效值(A）瓦特表法[２4]（包括功率因數(shù)表，即在三極法的基礎(chǔ)上，加接功率因數(shù)表）的優(yōu)點是測量原理簡單明了、試驗操作簡單、測量數(shù)據(jù)少、計算方便。能消除測量引線間互感的影響，結(jié)合倒相法，能有效消除地網(wǎng)中各頻率成分(包括直流)的干擾電壓。同時測量電源容量可適當降低（根據(jù)干擾的大?。?且不受電源波形或非工頻干擾成分的影響.因此,水電廠接地設(shè)計導(dǎo)則推薦了該測量方法。但瓦特表法的缺點也非常明顯，一是瓦特表的內(nèi)阻不能比電壓極的接地電阻大許多,實際需要來修正壓回路中有電流流過，也改變了原來電流在地中的電場分另外。誤差還取決于表計（主要是瓦特表)上偏轉(zhuǎn)大小，當瓦特表偏轉(zhuǎn)格數(shù)大于5至10格（滿表75格）時，其誤差將穩(wěn)定在較小的水平上。這與實際測量也是相符的。還有，如果電壓極引線上的互感電壓足夠時,瓦特表的電壓線圈中電流與電流線圈中的電流之間的相位差f可能很大，存在超過瓦特表標定“功率因數(shù)ｆcos"的限值而引入額外誤差.因此，指針式瓦特表法的應(yīng)用受到限制.二是外接電流互感器變換后,帶來一個附加誤差，模擬測試可達5％左右.三是瓦特表測量值是純阻性量，對大型地網(wǎng)來說，所測數(shù)據(jù)將偏小.通過以上分析,瓦特表法測量接地電阻值將明顯偏小.8）基于白噪聲、高階譜的方法［25］白噪聲法是以白噪聲發(fā)生器為電源,用雙通道頻譜分析儀對電壓信號和電流信號進行分析處理，從而求出接地電阻的一種方法。所謂白噪聲就是其功率譜密度在所有頻率上都為常數(shù),具有平坦的功率譜密度，具有高斯分布的白噪聲叫做高斯白噪聲。白噪聲是一種頻率非常寬的信號,可以覆蓋所有的干擾頻率。雙通道頻譜分析儀以快速傅立葉變換（FFT）為基礎(chǔ)，可以得出被測接地網(wǎng)接地電阻的頻譜圖。如果沒有干擾則幅頻特性將是一條直線，此時電壓和電流的相干系數(shù)為１，如果有某一頻率的干擾，則在該頻率處的幅頻特性上將出現(xiàn)尖鋒，此時相應(yīng)的相干系數(shù)就會下降。尖鋒處的實際值可利用幅頻特性曲線的平滑性用插值法求得,也可按相干系數(shù)對幅頻特性進行線性回歸后求出.如果地中僅存在有限個諧波信號干擾時，可利用以上介紹的辦法。但當測試回路中存在有高斯分布干擾信號時，將引起測量誤差。并且當高斯分布干擾信號較大時,如信噪比為１,即當信號源與干擾功率相等時,則會出現(xiàn)很大的誤差.這種誤差是無法采用對幅頻特性進行線性回歸消除的.倘若采用噪聲相減的方法，即先測出不加白噪聲測試源時的干擾電壓功率譜,再測出加上白噪聲測試源時的電壓功率譜，兩者相減得出接地電阻的電壓功率譜.當干擾比較大時，其功率譜方差也很大，使得測量誤差大大增加。鑒于此,有些文章提出了基于高階譜的測量方法。即利用非高斯信號的高階譜非零,而高斯信號和諧波信號的高階譜為零來消除高斯噪聲的影響.干擾信號一般可以分為高斯干擾、非高斯干擾和諧波三種，分析認為地中的主要干擾為諧波干擾和高斯分布干擾。為了使用高階譜限制這二種干擾，選用非高斯白噪聲作為功率源。通過理論分析和計算機仿真，認為基于高階譜的方法對于高斯噪音和諧波干擾是不敏感的，可以消除高斯噪音和諧波千擾。從理論分析來看，基于白噪聲、高階譜的方法對于消除地網(wǎng)和外來高頻的干擾是比較有效的，但并沒有涉及如何消除測量引線間互感的問題,同時，測量結(jié)果為接地裝置的純阻性分量。９）雙電位極引線法、附加串接電阻法和電位極引線中點接地法雙電位極引線法原理如圖2-5，實踐中易做到雙電位極引線是對稱而平衡的,即對電流極引線、對大地均對稱,那么21EＥE＝=。一般情況下感應(yīng)電勢相位與所注入的測量電流差90o,也即與地網(wǎng)的電位升ＧU，Ｒ上的壓降ＩR差9０o?？梢詫懗鱿铝嘘P(guān)系式:22２12212)()(）（ＩＲＥEIＲU=－+=(2-4）2２1２2１3）(ＥUUUG++=（2-5）22223EUUＧ+＝（2－6）1２U、23U、１３U可由高內(nèi)阻電壓表測出,通過推導(dǎo)且根據(jù)接地電阻IURGG／=不難得到：１2２１222３2132/)(ＩUUUURＧ--＝（２－7)圖2－5雙電位極引線法原理圖Fig2—5DｉａgｒaｍｏfPrincｉpｌesｆｏrTwo-Pｏｔｅｎｔial－ElectｒodｅＬｅadＷiriｎgＭethod圖中,R－－外接的輔助電阻；１Ｅ、2E——引線上感應(yīng)電勢該方法巧妙利用了二根電壓引線的對稱性,實踐證明，方法是可行的。通過推導(dǎo)分析,不難發(fā)現(xiàn)可以消除電壓極引線互感和地網(wǎng)電流的干擾，且能消除容性感應(yīng)誤差[26].不足之處是：①該方法只適合地網(wǎng)基本上呈阻性的場合；②當引線感應(yīng)電壓或地網(wǎng)干擾電流比較大時,需提高信噪比,即需要加大測量電流時，既要求輔助電阻的功率要大，又要求它的阻性穩(wěn)定，選擇比較困難；③試驗時需布置兩根對電流極引線、對大地對稱的電位極引線，且測量點在遠離升壓電源的電壓極處,對通信聯(lián)絡(luò)要求高；④對外來高頻干擾的敏感情況,有待進一步研究。在雙電位極引線法的基礎(chǔ)上，又提出了附加串接電阻法和電位極引線中點接地法。附加串接電阻法的原理與圖2－5相似，僅取消了一根電位極引線（接地裝置直接引出線)。通過這種方法可消除測量引線間互感的干擾,但如地網(wǎng)中有干擾電流，則須結(jié)合倒相法來消除。該方法盡管要求簡單一些,即不需兩根對稱、平衡的電位極引線,但缺點是除了雙電位極引線法不足之處的第①、②、④點外,倒相法的引入因測量數(shù)據(jù)增加、計算復(fù)雜，而加大了傳遞誤差。電位極引線中點接地法不需外接輔助電阻和對稱平衡的雙電位線，原理圖2—6所示。GE１IEＥ2①②③圖2-6電位極引線中點接地法原理圖Fig2－６ＤｉagｒaｍofPｒiｎcｉｐlｅｓfoｒMid－ｐｏinｔＧrouｎｄinｇofPｏteｎtiａl—ＥlectrｏdeLeadWiｒe。/媽媽該方法能消除測量引線互感的影響，結(jié)合倒相法可消除地網(wǎng)中不平衡電流的干擾。缺點是除了輔助電阻外，其他與附加串接電阻值一樣.實踐中最難的問題是中點如何確定，實際上幾何中點并不就是Ｍ/2點,因為各段線路互感并不是完全相等的，雖然有提出的解決辦法,但相當復(fù)雜,不太適合推廣應(yīng)用。10）雙矢量分析法雙矢量分析法測量接地電阻要求儀器同時測電流和電壓信號。電流信號即試驗電流，基本上是工頻的;電壓信號則含有工頻、諧波和高頻成分。首先對信號進行傅立葉分解,求出電流和電壓工頻基波成分,從而避免諧波和高頻的誤差[２７］。只要測出電流Ｉ和電壓U的大小及其相角差f并進行矢量分解，測出與電流同相的阻性分量，即可消除引線間互感.假設(shè)在較短的時間內(nèi)外界干擾基本穩(wěn)定不變，如果在同一結(jié)線的條件下用兩個不同的測量電流,分別測量得到１Ｕ、1I、１f和2Ｕ、2I、2f,或者將試驗電源倒相,測得３U、3I、3f,即可分別得到接地電阻：）/（）coscos（121１22ＩIUURG-－＝fｆ(2－8））/(）coscos（131１33IIUUＲＧ－-=ff（2－9）11)數(shù)值計算法數(shù)值計算法是用計算機數(shù)值計算的方法，根據(jù)測量用導(dǎo)線高度、導(dǎo)線間距、導(dǎo)線截面、土壤電阻率等線路參數(shù)，計算出電流線與電壓線間的互感電抗值及感應(yīng)電壓值，然GUIEK1K2后在測量電壓中加以扣除而消去互感影響[28］?？梢姡瑴y量用導(dǎo)線參數(shù)的測定工作量大,易出現(xiàn)誤差,計算方法也非常復(fù)雜，且計算值與實測值混合使用,精度仍不易保證，不適于現(xiàn)場應(yīng)用。1２）若帕一賴笛(Zupａ—Ｌaidinｇ）法應(yīng)用電位降法，采用近似的工頻交流試驗信號,對保持與所有外部連接的接地網(wǎng)電阻進行測量[２9］。該方法的優(yōu)點是:①可測出正常運行狀態(tài)下的接地網(wǎng)的接地電阻GR；②測出的是接地網(wǎng)的阻抗(含電阻);③不需拆開與接地網(wǎng)相連接的外部通道.缺點是電流極與電壓極及其引線不可互相藕合,以反方向18０o或90o角布置為好；電流極必須布置在很遠接地點上,因此測試工作量非常大，而且對試驗設(shè)備要求較高.13)多電極法所謂多電極法指在被測接地裝置四周布置多個電流極[３０]。采用多電極法的優(yōu)點有：①多電極布置為入地電流提供了多個通道,地中電流的分布范圍更廣，與真實的電流場分布更加接近，因而測量的電阻更接近真實性。②測量的接地電阻誤差更小，假設(shè)電流極的四周土壤電阻率是均勻的，且總電流I均勻流入，那么測量誤差與三極法下的誤差進行對比，要遠遠小于三極法。依此原理,增加的電流極只要圍繞被測電網(wǎng)布置,其數(shù)量和距被測地網(wǎng)距離均可據(jù)實際條件靈活處理，唯測量準確度的提高程度不同［3１].多電極法比較適合于受地域限制，電流極距被測地網(wǎng)距離難以拉開的情況，多極法的不足是需要多設(shè)置電流極及其引線。２。4各種不同的測量接地電阻方法的比較本章對不同的測量接地電阻的方法進行了分析，闡述了各種不同方法的不同的原理，同時每一種方法都有各自不同的特點和應(yīng)用范圍。在工程應(yīng)用中我們按導(dǎo)則布置的遠離法和補償法可以測得工程上可以接受的接地電阻值。接地搖表和鉗形表測量接地電阻，適合于小型接地裝置，不適合于對大型地網(wǎng)的測試,這些都是在實際應(yīng)用中必須要引起注意的地方。同時我們也要考慮到各種測量方法的抗干擾能力、測量結(jié)果的特性、實際測量的難易程度等等,我們才能在工程應(yīng)用中取得良好的效果,為了便于了解各種方法的不同之處,將各種不同的測量進行總結(jié),得出以下各種方法比較的對照表。表2－1測量接地電阻方法的比較Tab2—1Ｃomparisonsofdiｆfeｒentmｅasｕｒemenｔmｅthｏｄsfｏrｇrｏuｎdｉngｒesistaｎce消除干擾能力測試方法測試電流互感電壓不平衡電流高頻測試結(jié)果備注三極法工頻大電流無效結(jié)合倒相法無效阻抗四極法工頻大電流有效結(jié)合倒相法有效阻抗異頻法異頻小電流有效有效有效純電阻瓦特表法工頻大電流有效有效有效電阻誤差較大白噪聲法白噪聲無效有效有效純電阻雙電位極引線法工頻大電流有效有效-－-－－純電阻附加串接電阻法工頻大電流有效結(jié)合倒相法－－－——純電阻電位極引線中點接地法工頻大電流有效結(jié)合倒相法純電阻“中點”很難找多極法工頻大電流無效無效無效阻抗雙矢量分析法工頻大電流有效結(jié)合倒相法有效純電阻2.5測量接地電阻的干擾來源分析測量大地網(wǎng)接地電阻時的干擾可分為高頻干擾和工頻干擾.干擾的來源比較多,主要有以下幾個方面：1)高頻干擾，主要由電暈放電、無線電、廣播電磁場和天電等交變電磁場產(chǎn)生。它可以引起測量用電壓表指針擺動,讀數(shù)困難。減少干擾的通常辦法是在電壓表的兩端并接O．1Ｆm的電容，或者并接使用工頻容抗比電壓表的輸入阻抗大10０倍以上的電容器.２)流入地網(wǎng)的不平衡電流引起的干擾.由于電力系統(tǒng)三相負荷不平衡及輸電線路三相電參數(shù)不對稱，在中性點直接接地系統(tǒng)中就有不平衡電流經(jīng)接地網(wǎng)入地而成閉合電路，形成了接地電阻測量時的工頻干擾電流。同時電力設(shè)備處在強電場的作用下，在設(shè)備外殼不可避免地產(chǎn)生感應(yīng)電壓,這就會產(chǎn)生一些接地電流.這些干擾電流值取決于電力系統(tǒng)的容量、電壓和三相的不對稱程度以及所處電場的強度，一般有幾安培，有的甚至達幾十安培，而且沒有明確的規(guī)律可尋.實際測量時，往往從提高測量電路信噪比，采用加大注入電流、減小干擾信號、在測量結(jié)果計算中除去干擾信號或地網(wǎng)干擾經(jīng)過選頻濾波等辦法來提高測量的準確度。3)電壓極和電流極引線間互感電勢的干擾。大型接地網(wǎng)的尺寸很大，要求電流極和電壓極引線的長度很長,采用臨時布線的辦法很難實現(xiàn)。為此現(xiàn)場常用一條停用的低壓架空線（ｌOｋＶ或3５kV）作為測量回路,此時電流極和電壓極引線長距離平行,電流極引線在電壓極引線上造成的互感電勢引起的誤差十分顯著。此外，利用導(dǎo)線和大地之間進行測量接地電阻時,還存在地中的自然電場(電化學(xué)電場、擴散電場等）和大地所產(chǎn)生的集膚效應(yīng)以及激發(fā)極化效應(yīng)引起的干擾誤差。第三章接地網(wǎng)故障診斷基本原理及數(shù)學(xué)模型研究3．1接地網(wǎng)故障診斷的基本原理３.1。1接地網(wǎng)故障診斷的基本思想變電站的接地網(wǎng)由金屬導(dǎo)體焊接而成，大多為網(wǎng)格形狀。在工頻或直流電流作用下，相對于導(dǎo)體本身的電阻來說，其電感很小，另外接地網(wǎng)的導(dǎo)體段對地電容及泄漏電導(dǎo)要比導(dǎo)體段本身的電阻大得多，因此可以看作一個純電阻性的網(wǎng)絡(luò),如圖3－1所示。當接地網(wǎng)設(shè)計、竣工后,由于組成接地網(wǎng)的每一段導(dǎo)體的長度、截面積及材料都是確定的,因此其電阻值也是確定的［3２］。圖３—1接地網(wǎng)示意圖Ｆig３—1DiagraｍofGｒoundingＧrid接地網(wǎng)水平導(dǎo)體一般埋在地下０．8—１．0米深處,通過接地引線連接到地面上各種電氣設(shè)備的接地點.這些接地引下線是接地網(wǎng)所有導(dǎo)體中僅有的可以直接觸及的點,稱之為可及端點.當接地網(wǎng)某段導(dǎo)體發(fā)生故障時，其導(dǎo)電性能降低、電阻增大，那么任意兩個可及端點之間的電阻也必然發(fā)生相應(yīng)的變化[33].3．1.2接地網(wǎng)故障診斷的基本原理接地網(wǎng)故障診斷的基本原理就是通過測量接地網(wǎng)可及端點之間的電阻，根據(jù)該電阻的測量值和給定接地網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)，應(yīng)用適當?shù)挠嬎惴椒?，求出接地網(wǎng)每一段導(dǎo)體的實際電阻值.根據(jù)求得的導(dǎo)體電阻實際值與原始理論值的比值大小就可以判斷導(dǎo)體腐蝕或者斷裂的情況，從而實現(xiàn)對接地網(wǎng)故障的診斷[34］.接地網(wǎng)故障診斷是基于電路分析進行的［35］，因此首先建立相應(yīng)的電路分析模型（如圖３—２）.以下的分析都基于接地網(wǎng)等效的電阻網(wǎng)絡(luò)進行。將等效電阻網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點、支路按序編號，設(shè)節(jié)點總數(shù)為n，支路總數(shù)為b.在兩個可及端點（設(shè)節(jié)點編號分別為ｉ，ｊ之間連接一個電壓源，新增加的支路編號為１+b。定義該網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)矩陣為Ａ，支路阻抗矩陣為R，支路導(dǎo)納矩陣為Y，節(jié)點導(dǎo)納矩陣為NY，支路電壓矩陣為U，節(jié)點電壓矩陣為NU，支路電壓源向量為SU，支路電流矩陣為Ｉ[３6]。圖3-2接地網(wǎng)等效的電阻性網(wǎng)絡(luò)Ｆiｇ３—２EｌectriｃalＲｅsiｓtaｎｃｅＮｅｔwｏｒｋＥquｉvalenttoＧrounｄｉｎgGrｉd用節(jié)點法分析該電路網(wǎng)絡(luò),可以得到如下的關(guān)系式支路導(dǎo)納矩陣與阻抗矩陣的關(guān)系:１－＝ＲＹ（3－1)節(jié)點導(dǎo)納矩陣的定義式：TnAYAＹ=（３—2)節(jié)點電壓方程：SnnＡＹＵＹU1－－＝(3－3）支路電壓方程：ｎTUAU=（3—4）支路電流方程:ＳnTＹＵUYAI＋=（3—5)基于方程（3－1）～（3—５)可以得到可及端點ｉ，j之間電阻表達式為：），．．。。．.，（）（/2１１1bｂｂiｊRRＲfRfＩＵR=＝—=＋+（3—6)ijR節(jié)點i節(jié)點j其中,1+ｂU、1＋bＩ分別是矩陣U、I中的元素,對應(yīng)第1+b條支路的電壓和電流,1Ｒ、2R…bR分別是支路電阻值，也就是接地網(wǎng)每一段導(dǎo)體的電阻值。方程(3－６)給出了可及端點之間的電阻與接地網(wǎng)—-導(dǎo)體電阻的關(guān)系式，這個式子是非線性的。取不同的可及端點,可以得到一組非線性方程:），.．．．．．，(21)１（）1（bijＲRＲfR＝），．．.．。。，（２1)2（）2（bｉjRＲRｆR=（3－7）……),。....．,（２1)()(ｂmmｉjRＲＲfR=上述非線性方程組（3－7)正是接地網(wǎng)故障診斷最基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型［37］。通過測量得到一組端口電阻值，那么求解該方程組就可以得到接地網(wǎng)每一段導(dǎo)體的電阻值.非線性方程組(3－7）正是接地網(wǎng)故障診斷最基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型。３．2接地網(wǎng)故障診斷的線性化數(shù)學(xué)模型３。2。１線性化模型的構(gòu)建線性化模型求解非線性方程組最常用的方法是將方程組線性化，同時構(gòu)造合適的迭代算法去逼近非線性方程組原始的解。為了將方程組（3—７）線性化，首先利用特勒根定理對其形式做一定的變換。假設(shè)兩個電路網(wǎng)絡(luò)1W和網(wǎng)絡(luò)２Ｗ,網(wǎng)絡(luò)1Ｗ對應(yīng)為新建時的接地網(wǎng),網(wǎng)絡(luò)2W對應(yīng)當前的接地網(wǎng).兩個網(wǎng)絡(luò)具有相同的節(jié)點、支路以及編號，唯一不同的是支路電阻值。分別在兩個網(wǎng)絡(luò)的可及端點i,ｊ之間連接一個電壓源,由特勒根定理可以得到如下的關(guān)系式:0)０（１１=?+＝kkbkＩＵ(３－8)０)0（11=?+＝kｋbkＩＵ（3—9)將支路１+ｂ的約束:）0（1)0（)０(1＋+－=bijbIRU(3—10）1１+＋—=ｂijｂIＲＵ(3-１1）代入式（３－8)和（3—９)中，得:０/1)０（１）0（1）0（＝?=＋+=ｂbkｋbkijIIIUR(3－1２)１)0(1)0（１/++=?＝bｂkkbｋｉjIIIUR（３—１3)分別定義端口電阻增量ijRD和接地網(wǎng)導(dǎo)體電阻增量kRＤ:)0（iｊijijRRＲ-＝D(3—14))0(kkkＲRR-=D(3—1５）將式（3－13）與（３－12）相減,可以得到:1)0（1）0()0(１）0(／)(+＋=-?＝—=ＤbｂkkkkbkｉｊｉｊiｊIＩIUIＵＲRＲ＝1）0（1）0(）０（)0(1/）(＋＋=-?ｂｂkkkkkkbkＩＩIＩRIＩR=1）0(１)0(1／++=D?ｂｂkkkｂkIＩIIR(３—16）對于m個端口電阻值,可以建立一個ｍ維的方程組：＝D)1(ijR)１（1）０（)１(1）１()0（)1（１/＋＋=D?bｂｋkkbｋIIIIR=D)2(iｊR）2(1）０(）2（1）2(）０（）2(1/+＋＝D?bｂkｋｋbｋIIＩIR(3—1７)……＝Ｄ)(ｍｉｊR）(1）０（）（１)(）0（)(1／mｂｍbmkmkkｂｋＩIＩIR+＋=Ｄ?在方程組（3-１7）中ijＲＤ、)0（kI（k=1，2,…1+ｂ）是已知的，kRD是待求變量，ｋI（k=1，２，…1＋b）是取決于kＲD的未知量,用）０（kI的值近似kI,則方程組被線形化為：=D)1(ijR2)０（）１(1２)０()1(1/+＝D?bkｋbｋIＩR＝D)２（ijR2)0()2(１２)0（）2（1/+=D?ｂkkbkIIR（3—１8)……=D)（ｍiｊＲ2）0（)（12）０(）(1/mｂmkkbｋＩIＲ＋=Ｄ?上海交通大學(xué)工程碩士論文第三章變電站接地網(wǎng)研究及故障診斷分析第24頁方程組（3—18)的解只是原非線性方程組（3－7)的一個近似解，因此需要構(gòu)造合適的迭代算法去逼近非線性方程組原始的解。３。2。2線性迭代模型上面的內(nèi)容基本上解決了電網(wǎng)接地電阻故障分析的理論問題，但是面臨的方程組將很難求解，也不可能求得實際接地電阻的準確值．為了解決上述問題，實際中可以利用迭代算法去盡可能求得與實際相近的數(shù)值，換句話說可以求得在工程中能夠接受的實際數(shù)值。那么可以采用下面的方法:(1)利用方程（3-1)至（３－6），由）（nkR求得)（nkI。(2)利用)０(ijiｊijRRＲ-＝D=求解,。.．...)1,0（）(＝ＤnRnk。（3-19）(3）利用關(guān)系式）(）0()1(ｎkknｋRＲＲD—＝＋。在該迭代過程中，始終用線性方程組逼近原始的非線性方程組。由于)（ｎｋR越來越接近ｋR，因此用)（ｎkI的值近似kＩ的誤差也越來越小，線性方程組的解也更逼近原始非線性方程組的解。圖（3—3）給出了算法迭代過程的圖示,可以清楚地表明該算法正確收斂的情況。圖3—３算法迭代過程Fiｇ３-3ItｅｒativePrｏcｅdurｅforCaｌcｕlatiｏｎ）0(iｊRDijRDkRD)1(kRＤ）0(kRD０＝ｎ１=n３．2．3線性化數(shù)學(xué)模型中線性欠定方程組的求解問題在上述迭代過程中,每一次迭代都需要求解一個線性方程組:＝D)1(iｊRnbbnｋkｎkbkIIIIR）1(1)0(）1（１)1()0（)1（1／+＋=D?＝D）2(iｊRnbｂnｋknkbkＩＩＩIＲ）2（１）0(）2(１)2(）0（）２（1／＋+=Ｄ?（3-20）……=D)(mｉjＲnmbmｂnmｋmkｎkｂｋIIＩＩR)(1）０()(1）（)０(）(1／++=D?該方程組未知量的個數(shù)為接地網(wǎng)導(dǎo)體的數(shù)目b，方程的個數(shù)為實測的端口電阻的數(shù)目m，b往往是一個比較大的數(shù)目，例如:一個10×１０網(wǎng)格的接地網(wǎng)，b的值將超過220個。受測量工作量的限制，實測的端口電阻的數(shù)目m要小于ｂ,因此方程組是欠定的。理論上,欠定方程組有無窮多解.結(jié)合實際的工程問題，在這些解中往往只有范圍極小的一部分、甚至唯一的解是合理的。這就需要用合適的方法來求解該欠定方程組最合理的解。為此,構(gòu)造一個有約束條件的非線性規(guī)劃問題求該方程組的最優(yōu)解.Min２)(1)（）（）(）(2）（1)（），.。.，(lｉjmlnlijｎbｎｎRRRRRfD－?D=DＤD＝=2）(）（)（1）0（）（1)（)(1)0（)（）（１）／（lｉｊnlblbnｌkmｌlｋnｋbkＲＩIIＩRD－?D?＋+==(3－２１）條件）０(）１（）（0kｎknkRRＲ＋Ｄ￡D￡—），.。。2，1（bk＝該規(guī)劃問題求解的是線性欠定方程組在最小二乘意義上的最優(yōu)解,即對于方程組bＡX=，求使2bAX－,取得最小時的解Ｘ。用約束條件限制求解的區(qū)域，使得到的解比較合理，同時也有利于非線性規(guī)劃問題在實際計算時的效果和效率。對變量下界作非負限制，可以保證求得的解在工程問題中有實際意義;對變量上界作的步長限制,可以保證求得的解是初始點（即上一次迭代得到的結(jié)果)附近的最優(yōu)解［3８］，符合迭代過程的實際情況.３.３接地網(wǎng)故障診斷的非線性數(shù)學(xué)模型以上討論的是用線性化數(shù)學(xué)模型求解接地網(wǎng)故障診斷問題。實際上,也可以通過構(gòu)造非線性規(guī)劃問題直接求解接地網(wǎng)故障診斷原始非線性方程組的解。對于接地網(wǎng)故障診斷非線性方程組（３－7)，構(gòu)造如下非線性規(guī)劃問題:Min2）（1*）(２1）()，．。．，（lｉｊmllijbRRRＲＲg—?=＝2）(１2１)(）),。..，(（ｌｉjmlblＲＲRRf-?=＝（3—21）條件)0(）0（２０0ｋｋkRＲR￡￡），．.．2，１(bk＝同樣,該規(guī)劃問題求解的是非線性方程組在最小二乘意義上的解,并用約束條件限制求解的區(qū)域，使得到的解比較合理，同時也有利于非線性規(guī)劃問題在實際計算時的效果和效率。對變量下界限制的實際含義是當前接地網(wǎng)導(dǎo)體的電阻只可能比新建時增大；對變量上界的限制，是由于端口電阻與導(dǎo)體電阻的關(guān)系是一條飽和曲線,當導(dǎo)體電阻增大到一定值以后，端口電阻對應(yīng)的變化將非常微弱,很難在測量和計算中加以區(qū)分.以下用一個簡單的接地網(wǎng)模型的實際數(shù)據(jù)加以說明。如圖3－４所示2×2網(wǎng)格接地網(wǎng)模型，設(shè)正常支路電阻為1,分別計算支路(５-6)電阻增大到不同值時各端口電阻的數(shù)值。圖3－4２×2網(wǎng)格接地網(wǎng)模型Fig3—４Ｍodｅlｏf2×2ＧroｕnｄiｎｇGrｉd表(3－1)給出了支路（５-６）電阻分別為200、1０0０、2０00時各端口電阻的數(shù)值，其中的百分比是各數(shù)據(jù)基于相應(yīng)的支路電阻為200時數(shù)據(jù)的增量。表中所有百分比數(shù)據(jù)均小于１%，由此可見,導(dǎo)體電阻數(shù)據(jù)增大到200倍以上后,相應(yīng)的端口電阻數(shù)據(jù)的變化非常微弱,完全可以等同處理.事實上，當導(dǎo)體電阻增大到20０倍以上后，這一段數(shù)據(jù)都意味著導(dǎo)體極嚴重故障的情況,如此等同處理，對實際的分析結(jié)果也不會有什么影響.13２４６57９8上海交通大學(xué)工程碩士論文第三章變電站接地網(wǎng)研究及故障診斷分析第27頁表３－１:不同支路阻值情況下的計算結(jié)果Taｂ3-1Calculａt(yī)ionRｅsulｔｓBａsedＯｎDｉｆfeｒｅntＲｅｓiｓｔanceＶaluesｉnSubcircｕit支路(5－6）電阻值端口(3—7)電阻值端口（４－６）電阻值端口(２－8）電阻值端口(5-９）電阻值2０0１.６4820％1．５9２9０％1．39０30%1．2０930%１０００1。649６0.0８％1.598６0。36％1.39８20.５7%１．21230。２5%２0001．64９80.1%1。599３0。４%1.3996０。６7％1．212９0.3％因此,可以對上述優(yōu)化問題的變量上界作相應(yīng)的限制［３9］,而不會造成不良的后果。另外,上述非線性規(guī)劃問題的待求變量是），.．.2，1（bkRｋ=,kＲ在非線性規(guī)劃問題的目標函數(shù)中以1/kR的形式存在，因此使目標函數(shù)相對復(fù)雜，計算條件比較惡劣,不利于優(yōu)化問題的求解。在實際的計算模型中，利用），.。.2，１（/１bkＲYkK==作為非線性規(guī)劃問題的待求變量,簡化目標函數(shù)，使優(yōu)化計算的效果和效率都得到改善。3.4接地網(wǎng)故障診斷數(shù)學(xué)模型的算法實現(xiàn)以上的數(shù)學(xué)模型中,都涉及了有約束非線性規(guī)劃問題的求解。有約束的非線性規(guī)劃問題雖然比較復(fù)雜，但己經(jīng)有了非常成熟的理論和實用的算法。詳細內(nèi)容可以參看相關(guān)的文獻[4０]。美國Ｍatｈwork公司開發(fā)的面向科學(xué)和工程計算的高級語言Matｌａｂ,提供了優(yōu)化計算的工具箱