综合地表电位和磁感应强度的变电站接地网故障诊断方法

综合地表电位和磁感应强度的变电站接地网故障诊断方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电网检测技术领域，尤其是涉及一种综合地表电位和磁感应强度的变 电站接地网故障诊断方法。
【背景技术】
[0002] 接地网是变电站的重要组成部分，其工作的可靠性对电力系统的安全稳定运行影 响重大。由于变电站接地网长期埋于地下，不可避免地会受到土壤的电化学腐蚀，引起接地 网均压导体存在腐蚀甚至断裂等故障。这些故障会使得接地网性能大幅下降，且可能引发 事故并带来巨大的经济损失。因此，找到一种能快速方便地对接地网故障类型及故障位置 进行判断的方法、进而对接地网进行修缮已成为电力行业现有接地网运维工作中亟待解决 的问题。
[0003] 目前，接地网的故障诊断方法主要有三种：一是基于电路理论，通过建立故障诊 断方程并结合相应优化算法实现接地网的故障诊断，但该方法运算较为复杂，诊断方程病 态程度较高影响诊断精度，且当接地网仅局部存在轻微故障时难以通过该方法得到识别诊 断。二是基于电场理论，通过向接地网注入激励电流探测地表电位分布，从而对接地网进行 故障诊断，但该方法所需测点较多工作量大，且较难区分导体断裂故障与腐蚀故障类型。三 是基于电磁场理论，通过向接地网注入激励电流探测地表面的磁感应强度，根据磁感应强 度的分布特征对接地网进行故障诊断，但该方法测点布置需覆盖整个接地网，而实际应用 中由于变电站现场情况，难以实现对所有测点的磁感应强度进行准确测量，且当故障点位 于长导体中部时，该方法较难对故障位置进行准确定位。

【发明内容】

[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种综合地表电位 和磁感应强度的变电站接地网故障诊断方法，该方法综合变电站接地网的地表电位和磁感 应强度的测试及计算结果，能够实现对变电站接地网故障类型及故障位置的高效、准确判 断。
[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006] -种综合地表电位和磁感应强度的变电站接地网故障诊断方法，其特征在于，包 括以下步骤：
[0007] 步骤1、使用数值计算方法计算变电站接地网的理论地表电位及磁感应强度；
[0008] 步骤2、应用交流信号发生器通过一可及节点向变电站接地网注入交流激励电流， 使用工频参数测试仪和探测线圈分别沿接地导体上方测量地表电位和感应电压，进而根据 感应电压计算磁感应强度；
[0009] 步骤3、根据所述测点的地表电位及磁感应强度测量值，分别应用抗差最小二乘法 对每段导体的地表电位及磁感应强度进行计算，进而得出接地网导体的地表电位及磁感应 强度；
[0010] 步骤4、将实际的接地网地表电位及磁感应强度与正常工况下理论计算所得的地 表电位及磁感应强度进行比较，对同一接地导体，分别绘制正常工况与实际工况下的地表 电位及磁感应强度曲线，并计算其综合灰色绝对关联度ADI ;
[0011] 若一接地导体的电位及磁感应强度曲线中某一部分曲线的ADI小于1. 7,则判断 该部分曲线所对应的导体部分存在腐蚀故障；若一接地导体的电位及磁感应强度曲线中某 一部分曲线的ADI小于0. 9,则判断该部分曲线所对应的导体部分发生断裂故障，从而完成 对变电站接地网的故障类型及故障位置诊断。
[0012] 所述的步骤1中的使用数值计算方法计算变电站接地网的地表电位及磁感应强 度，具体为：
[0013] la)将节点数目为m的接地网分为n段导体，计算这n段导体之间的互阻抗矩阵 R，其中，矩阵元素Ru表示i段导体和j段导体之间的互阻抗，其计算公式为：
[0015] i = 1，…，n ; j = 1，…，n
[0016] 式中，土壤电导率；e ^为真空介电常数；e 土壤相对介电常数；e E= e ^ \为土壤介电常数；1 ,与h分别为第i段及第j段导体长度；1 ,，为第i段导体的镜 像长度；Du为将第i段与第j段导体之间的距离；D 为将第i段导体镜像与第j段导体 之间的距离；
[0017] lb)使用T型等效电路分别表示这n段导体，即1段导体对应1个T型等效电路， 所述的T型等效电路由第i段导体的自电感L、自电阻&、第i段和第j段导体之间的互感 M、第i段导体的对地电容C和对地电导G组成，其中i = 1，…，n，j = 1，…，n ;经T型电路 等效后，所述接地网共有m+n个节点及2n段导体；
[0018] lc)计算接地网经T型等效电路等效后各段导体的关联矩阵A，其中，关联矩阵A 的行对应于接地网经T型等效电路等效后的节点数目m+n，关联矩阵A的列对应于支路数目 2n，关联矩阵A中的任意元素ay的定义为：
[0020] Id)计算经T型等效电路等效后具有m+n个节点和2n条支路的接地网的阻抗矩阵 Z，其计算公式为：
[0022]式中，My为接地网各支路经T型等效后的互感矩阵；ki为经T型等效后第i段 导体长度，其中i = 1，…，2n 』为第i段导体与第j段导体之间的距离；Z &为第i段 导体的内阻抗；h为土壤磁导率，并假设土壤和空气磁导率相同；
；U = 为导体磁导率；U ^3导体相对磁导率；P。为导体电阻率；r ^为导体半径；I Jyr。)、 分别为零阶及一阶贝塞尔函数；
[0023] le)根据关联矩阵A和阻抗矩阵Z计算节点导纳矩阵，为Y_=AZ1T;根据阻抗 矩阵R计算导纳矩阵，为G=IT1;
[0024] If)计算接地网导体n段导体的中点电位，和节点电位妒"，通过求解接地网数学 模型的基本方程得到，所述的接地网数学模型的基本方程为：
[0026] 式中，G为nXn矩阵；f为n个中点电位列向量；f为m个节点列向量；
为m个节点注入电流列向量；
[0027] lg)计算接地网导体n段导体的泄漏电流分布，这可通过方程.
求得。 其中，互阻抗矩阵R为nXn矩阵
为n维列向量，是每段导体 上的漏电流向量；癸^为n个中点电位列向量；
[0028] lh)根据求得的接地网导体的漏电流分布使用叠加原理计算地表电位分布，所述 的地表电位计算公式为：
[0030]式中，UiP为第i段导体漏电流在点P形成的地表电位；P为土壤电阻率；r5和zp 分别为第i段导体中点与点P间距离的极坐标表示；
[0031] 对每段导体，分别计算其漏电流在接地网各地表点形成的电位，再将所有导体的 计算结果进行叠加，从而得到接地网的理论地表电位分布；
[0032]li)计算接地网导体n段导体的轴向电流分布，通过方程
求得，其 中，R"为i段导体自阻抗；//为i段导体上的轴向电流；分布为i段导体两端点的 节点电位；
[0033] lj)根据求得的接地网导体的轴向电流分布使用叠加原理计算地面上的磁感应强 度，地面上任一点P处的磁感应强度计算公式为：
[0035]式中，BiP为i段导体轴向电流在点P形成的磁感应强度；y^为真空磁导率；r为 i段导体中点与点P间距离；
[0036] 分别计算每段导体的轴向电流在接地网各地表点形成的磁感应强度，再将所有导 体的计算结果进行叠加，从而得到接地网的理论地表面磁感应强度计算结果。
[0037] 所述的步骤2,在选取测点时，以节点为分割点将接地网分成若干导体，并选取导 体的六等分点为测点；该测点的选择方式大大减少了现场测试的工作量，对大型接地网尤 为明显。
[0038] 所述的步骤2中的磁感应强度计算公式为：
[0040] 式中，Bini为磁感应强度某一方向分量的幅值；V。_"为感应电压信号幅度；f。为激励 电流频率；N为探测线圈匝数；S为探测线圈截面积；A为数据采集器对信号的放大增益。
[0041] 所述的步骤3中的根据部分地表电位或磁感应强度测量值计算出全部地表电位 或磁感应强度，具体是：
[0042] 3a)对某一导体，根据导体上的测点位置坐标x = [X(l，Xl，…，x6]T及相应测点的 含有现场测量误差的地表电位或磁感应强度测量值
，构造正交多项式 {&0〇}，其递推关系式为：
[0044] 式中，Pk(x)为首项系数为1的k次多项式；a k，0 k为多项式系数；
[0045] 根据Pk(x)的正交性得出ak，f3 k与Pk(x)