变电站接地网故障定位研究

张 巍，钟著辉，李 炜，刘 洋，燕子飞，杨 毅，梁渊然，李 鹏

（1.湖北科技学院电子与信息工程学院，湖北咸宁437000；2.常德供电公司，湖南常德415000）

0 引言

变电站接地网是由垂直和水平接地极组成，供全站高低压电气设备、低压交流供电系统、电缆屏蔽、通信、计算机监控系统设备以及变电站维护检修时一些临时接地所使用，往往采用室外多接地极开环，室内少接地极闭环结构，其腐蚀断裂往往会造成严重后果，对变电站内设备和人员将造成危害：1）由于“N”点虚接地或不接地，站用变相电压不稳定，造成设备过压或欠压，同时也会影响直流系统的正常运行；2）直流系统接地查找即为继电保护及其自动化装置、通信装置、后台、事故照明、应急电源及断路器分、合闸操作供电的直流系统发生一点接地时的查找，一般采用接地查找仪进行，由于地为“假接地”，用接地查找仪很难判断；3）电缆屏蔽层环流使得二次设备绝缘破坏，高压窜入主控室，使保护和自动化装置发生误动或拒动，造成巨大的经济损失等。而为了找出故障位置，现场工作往往采用大面积掀电缆沟盖板来排查，此种方法费时费力，就此国内外学者进行了大量研究。文献[1]提出了应用电网络和矩阵理论建立故障诊断方程，并采用能量最低原理解决欠定方程求解问题；文献[2]采用灵敏分析法来进行故障诊断；文献[3]在文献[1]和文献[2]基础上提出了改进的故障诊断测量方案；文献[4]采用在可及节点中轮换电流源激励的位置建立增广故障诊断方程来解决问题；文献[5]针对拓扑结构变化，基于特勒根和最优化方法进行故障诊断。笔者在文献[3]基础上，根据变电站一般由主控制室、室外开关场和室内开关场三部分组成的特点，先利用电焊机接地扁铁来进行粗定位，确定含故障点部分，再运用电网络理论，通过Matlab编程仿真，对含故障点部分进行细定位，进而可以快速精确找到故障点。最后通过实例分析验证了该方法的快速性和有效性。

1 基本原理

1.1 接地网故障定位基本思想

由铜排焊接构成的变电站接地网可以等效成一纯电阻网络[6-8]，如图1所示。变电站接地网铺设完毕后，由于材料、电阻率等都已固定，其每段的接地网导体阻值也基本不变。当接地网中某些导体发生腐蚀和断裂时，反映出来的电阻必将增大，其任意两个可及节点（即接地引下线）之间的电阻也必然发生对应变化。

接地网故障定位基本原理就是先通过电焊机接地扁铁来进行粗定位，确定故障区域，然后测量故障区域接地网可及节点之间的电阻，根据该电阻的测量值和给定接地网的拓扑结构，应用电网络理论求出接地网每一段导体实际电阻值，并根据求得的导体增大倍数来判断导体腐蚀或者断裂等情况，从而实现对接地网故障定位。

图1 接地网电阻等效模型Fig.1 The equivalent model of grounding grid resistance

1.2 接地网故障定位数学模型

接地网故障定位数学模型是以电网络理论为基础，建立数学模型如下：接地网电阻模型由N个节点、K条支路、M个可及节点组成，并在两可及节点i、j间接一电压源（此时新增一条支路编号为K+1），如图1所示。采用电网络理论[9-13]得到如下关系式：

式中：GN为节点导纳矩阵；A为等效接地网络关联矩阵；G为支路导纳矩阵；UN为节点电压矩阵；US为支路电压源矩阵；U为支路电压矩阵；I为支路电流矩阵。

由公式（3）、（4）得出可及节点间电阻为

式中：K为支路总数；R1、R2.....RK分别为各接地网支路电阻值；UK+1、IK+1分别为U和I中的元素，并对应于第K+1条支路的电压和电流。

根据不同的可及节点可得到一系列非线性方程。

有约束条件的最优解为

式中为接地网导体电阻增量为端口电阻增量。

得到导体支路增大倍数为

式（8）中：η为增大倍数，Rh、Rq分别为接地网故障后支路电阻矩阵和接地网故障前支路电阻矩阵。

1.3 接地网故障判定依据

根据式（8）可以得出接地网中各个支路电阻增大倍数η，将其作为判断接地网腐蚀断裂的依据[3]，接地网导体支路故障程度判定标准见表1所示。

表1 接地网导体支路故障程度判定标准Table 1 Criterion for fault degree of conductor branch of grounding grid

1.4 接地网故障定位基本数据测量

为了对故障接地网进行进一步细定位，必须对接地网可及节点间的端口电阻进行测量。一般端口电阻值会非常小，但往往由于测量引线和接触电阻的影响（往往电阻测试仪无法消除该部分影响），可采用最基本的均压法来进行端口电阻测量，如图2所示。用外接电源给该网络某两个可及节点间加电源，与此同时串接一个高精度电阻，测量得到V1和V2，根据分压原理得到：

注意测量时的电源引线必须于电压测量引线下方，方可避免接触电阻的影响。

图2 端口电阻测量Fig.2 The measurement of port resistance measurement

1.5 电焊机与接地扁铁关系及应用

电焊机的工作原理是利用短路产生的大量热量将焊条熔化在焊件上，其简单工作原理如图3所示。在新建变电站和大修技改中，无论是一次构架连接或是保护室内保护屏的固定等，电焊机都是必不可缺的工具。电焊机操作过程中往往出现电焊不正常现象，往往与接地扁铁是否连接可靠，形成接地短路回路有关。根据这一特点，可以用于变电站接地网故障定位的粗判断，通过将电焊机三相电源接于室外检修电源箱处，通过N点与接地网连接，构成一点接地，然后通过将接地扁铁分别与室外开关场、主控制室和室内开关场构成的T型区域接地网相连，电焊机能否进行正常点焊工作进行初步粗判断，若电焊机能够正常点焊，即说明该区域内无腐蚀断裂现象，否则应当进一步进行定位查找。

图3 电焊机工作原理Fig.3 Working principle of the welder

室外开关场、主控制室和室内开关场构成的T型区域为①区域，如图4所示。其判别方法如下：

1）若①靠近110 kV侧及10 kV室内能正常点焊，而主控室内点焊不成功，则初步可判断主控制室内发生了接地网腐蚀断裂现象并进行细定位。

2）若①靠近110 kV侧及主控室内能正常点焊，而10kV室内点焊不成功，则初步可判断10 kV室内发生了接地网腐蚀断裂现象并进行细定位。

3）若①靠近110 kV侧点焊不成功，则不能排除任何区域，需对每个部分进行下一步的细定位工作。

图4 T型分布区域Fig.4 T distribution

2 变电站接地网诊断现场试验

为了验证该方法的正确性，对湖南常德某110 kV变电站接地网腐蚀断裂情况进行现场实际应用。2015年10月20日，工作人员在进行汉寿某110 kV变电站全站综自改造前的施工准备时，发现整个变电站主接地网出现不通，并采用了该方法进行腐蚀断裂点排查。

1）施工场地自带检修电源箱接于室外检修电源箱处的三相交流电源，电焊机接于该检修电源箱上，通过电焊机接地扁铁进行粗判断：主控制室内接地网良好，室外110 kV设备区和室内10 kV设备区分别存在接地网故障。

2）对于室内10 kV设备区，由于室内拥有空调等恒温措施，发生接地网腐蚀断裂的概率很低，往往出现腐蚀断裂的地点为室与室之间的连接位置，通过翻开主控室进入10 kV高配室内的盖板发现电缆沟内接地铜排已缺失了一部分，10 kV设备区地网与大地“失联”，定位准确，如图5所示。

3）对室外110kV设备区进行腐蚀断点分析，现场测试点（可及节点）分布图见图6。现场测量点对应的变电站设备和测量结果如表2所示。

图5 10 kV室内接地网断裂点Fig.5 The fracture point of 10 kV indoor grounding grids

图6 现场测试点（可及节点）分布Fig.6 Distribution of field test point(accessible nodes)

表2 12号为参考点的测量结果Table 2 Measurement result of 12 for reference points

通过查阅变电站内接地网拓扑图纸和以前接地网电阻测试报告，通过本文定位数学模型进行Matlab编程仿真得到各导体支路电阻增大倍数如图7所示。其中导体支路有1（1-2）、2（2-3）、3（3-4）、4（4-12）、5（12-17）、6（16-17）、7（16-13）、8（13-1）、9（13-14）、10（14-15）、11（15-12）、12（12-10）、13（10-11）、14（11-13）、15（5-13）、16（5-6）、17（6-7）、18（7-8）、19（8-9）、20（9-12）、21（1-5）、22（5-11）、23（1-6）、24（6-14）、25（14-16）、26（2-7）、28（7-17）、29（3-10）、30（10-17）、31（3-8）、32（8-12）、33（4-9）、34（9-15）、35（15-17）。

图7 各支路电阻增大倍数Fig.7 Increasing multiples of each branch resistance

接地网导体支路腐蚀程度如表3所示。

表3 接地网导体支路腐蚀程度Table 3 Corrosion degree of the grounding conductor

从表3中可得出：支路17出现了轻度腐蚀，支路1～16和19～35均出现了中度的腐蚀情况，而支路18则为接地网腐蚀断裂所在地即为风极线502间隔的电流互感器与断路器侧的接地引出线之间，通过掀开该部分盖板查找，发现该处电缆沟内铜排发生了严重腐蚀且已断裂，如图8所示。运用该方法成功找到了故障断点位置。

图8 110 kV室外接地网断裂点Fig.8 The fracture point of 110 kV outdoor grounding grids

从现场情况和仿真数据分析可以进一步得出之所以会造成主接地网大规模发生腐蚀现象，主要是因为：1）汉寿位于洞庭湖区内，天然潮湿多雨，接地网铜排极易发生腐蚀现象；2）该站接地网所选用的导体截面积不够，根据相关规程应采用的是100 mm2的铜排，并做好相应防腐防潮工作；3）验收应当做好把关，并加强日常运行中的接地网接地电阻检测的频度。

3 结语

笔者提出的接地网故障两次定位法，有效地缩小了故障查找范围，避免了算法的冗余，提高了诊断效率，并通过处理一起变电站现场接地网腐蚀断裂的案例验证了该方法的正确性和有效性，其适用于110千伏及以上变电站内开环或闭环的接地网的故障定位，为以后变电站接地网故障的现场查找提供了一个很好参考借鉴。

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