一种变电站接地网故障诊断方法及装置与流程

本发明涉及变电站接地网故障技术，尤其是涉及一种基于任意电流和电压检测波形频率响应分析的变电站接地网故障诊断方法及装置。

背景技术：

变电站接地网是确保电气设备和人身安全的重要设施。由于接地网埋设在地下，常因土壤多年的腐蚀，导致接地体变细甚至断裂，使接地网接地性能变坏。目前，工程上对接地网接地性能好坏的检测一般通过工频接地电阻来间接判断，但无法了解接地网的腐蚀情况。因为只要测量处的接地体不发生断路，即使接地网被严重腐蚀，工频接地电阻通常也能达到规程要求。所以工程上一般都是在发现地网工频接地电阻不合格或发生由于地网缺陷引起的事故后，通过大面积开挖查找接地网断点和腐蚀段，这种工作方法带有盲目性，工作量极大。

此外，目前常用的工频接地电阻测试得到的接地阻抗值为50hz或接近50hz下(通常为成对的47hz和53hz)的工频接地阻抗值，但实际上变电站内发生短路接地故障，或者雷电侵入波或操作波作用下，接地网的暂态冲击接地阻抗起决定作用。因此仅仅测量工频接地阻抗不能代表变电站接地网在故障工况下可以安全运行。

技术实现要素：

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变电站接地网故障诊断方法及装置，可在不停电和不对地网开挖的情况下，通过对比历史数据和目前实测数据了解接地网的实际运行状态，判断接地网是否发生腐蚀，从而保障电力系统的安全、可靠运行。且具有简单、准确和不受现场运行条件的限制等优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种变电站接地网故障诊断方法，包括以下步骤：

步骤1，进入变电站，选定变电站接地网特定接地引下线的接地状态参数测试点，即为信号电流输入端，并根据接地网对角线长度放电压和电流测试线；

步骤2，连接现场任意波电流信号组合发生器，选择接地网其它不同位置具有代表性的接地引下线即为电压响应输出端，并连接至高频数据采集装置；

步骤3，利用便携式计算机中输入输出过程频率响应计算分析及曲线绘制软件对测试记录并进行计算和分析，绘制注入电流信号接地引下线的阻抗频率曲线，得到接地网选定不同位置具有代表性接地引下线的频率响应过程曲线；

步骤4，比较和分析，查看历史测量的接地网同一位置阻抗频率曲线或频率响应过程曲线，对曲线进行组合相关系数分析；

步骤5，根据组合相关系数分析的结果来评估接地网运行状态。

优选地，所述的阻抗频率曲线具体为：

式中，j为信号电流输入端in接地引下线集的注入电流和响应电压采点数，共计n个，其中为响应电压，为注入电流，zj为获得阻抗。

优选地，所述的频率响应过程曲线具体为：

式中，g(w)in为注入信号的频域幅值，为注入信号的响应电压；

为第i接地网测量电压响应频域幅值，为第i个测试点的接地网测量电压，n为测试点的个数；

fft为快速傅里叶变换；

||为取模值；

log为取对数变换。

优选地，所述的对曲线进行组合相关系数r分析具体为：

当前曲线x和历史曲线y相关系数rxy计算如下：

计算两个序列的标准方差dx和dy，

计算两个序列的协方差cxy，

计算两个序列的归一化协方差系数lrxy，

按照如下公式计算出符合工程需要的相关系数rxy，

则，组合相关系数定义如下：

式中，a为阻抗频率曲线相关系数的权重系数；

bi为第i频率响应过程曲线相关系数的权重系数。

一种变电站接地网故障诊断装置，其特征在于，包括任意波电流信号组合发生器、接地网试品模块、高频数据采集装置和便携式计算机，所述的任意波电流信号组合发生器与接地网试品模块连接，所述的高频数据采集装置分别与接地网试品模块、任意波电流信号组合发生器连接，所述的便携式计算机与高频数据采集装置连接。

优选地，所述的任意波电流信号组合发生器通过分流器与接地网试品模块的接地引出线连接。

优选地，所述的任意波电流信号组合发生器包括水平信号发生器、斜波信号发生器、阶跃信号发生器、矩形信号发生器、指数信号发生器和任意信号发生器。

优选地，所述的高频数据采集装置包括输入电流采集和存储模块、电压和输出电压波形采集和存储模块；

所述的输入电流采集和存储模块与任意波电流信号组合发生器连接，用于采集和存储任意波电流信号组合发生器产生的输入信号电流波形；

所述的电压和输出电压波形采集和存储模块与接地网试品模块连接，用于输入接地引下线的响应电压波形和不同位置的输出接地引下线的响应电压波形。

优选地，所述的便携式计算机包括输入输出过程频率响应计算分析算法模块、阻抗频率曲线模块、频率响应过程曲线模块和故障诊断分析和曲线绘制模块；

输入输出过程频率响应计算分析算法模块对高频数据采集装置提供的电流和电压波形数据进行处理得到接地网不同位置接地引下线的阻抗频率曲线存储于阻抗频率曲线模块和频率响应过程曲线存储于频率响应过程曲线模块，故障诊断分析和曲线绘制模块利用阻抗频率曲线模块和频率响应过程曲线模块的当前数据和历史数据，对接地网不同位置接地引下线的阻抗频率曲线和频率响应过程曲线数据进行相关系数分析，从而评估该变电站接地网的运行状态。

优选地，所述的任意波电流信号组合发生器可选择其他编程方式输出的波形，峰值大小也可变化。

优选地，电压响应输出端接地引下线的选择位置是可变化的，选取个数也可变化。

与现有技术相比，本发明在测量被选定作为输入端接地引下接地状态的同时，还能得到作为输出端接地网不同位置接地引下线的接地状态，不受现场运行条件限制，使用一定幅值的电信号测量，可在不停电下进行，而且为全频率激励源，不受变电站工频电磁场的干扰，本发明能够代表接地网不同位置接地引下线的接地状态测量方法，比传统工频接地阻抗更加能够反映接地网的真实运行状态。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例的系统方框示意图。

图2为本发明一较佳实施例的任意波电流信号组合发生器产生的电流波形示例，其中图2(a)为水平信号，图2(b)为斜波信号，图2(c)为阶跃信号，图2(d)为矩形信号，图2(e)为指数信号，图2(f)为任意信号。

图3为本发明一较佳实施例的方法应用流程图。

图4为本发明一较佳实施例的现场测试接线图。

图5为本发明一较佳实施例的现场测试注入指数电流和响应电压波形图。

图6为本发明一较佳实施例的图5对应的阻抗频率曲线。

图7为本发明一较佳实施例的图5对应的频率响应过程曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

通过本发明所解决的技术问题在于提供一种基于任意电流-电压检测波形频率响应分析的变电站接地网故障诊断方法，即使用现场任意波信号电流发生器输出一定幅值的测试信号电流(>10a,一般选择20a)，施加于被评估的变电站接地网接地引下线上，测量被选定输入接地引下线的测试信号电流(用分流器转换为电压波形)，以及被选定输入和不同输出位置接地引下线的响应电压波形，利用便携式计算机中过程频率响应计算分析程序对测试信号电流和各电压数据进行处理，得到不同位置接地引下线的阻抗频率曲线和频率响应过程曲线，并与历年测量的该变电站接地网同一位置接地引下线的阻抗频率曲线和频率响应过程曲线进行综合相关系数分析，从而评估该变电站接地网的运行状态。

本发明的具体结果可参照附图，图1是本发明一较佳实施例基于任意电流-电压检测波形频率响应分析的变电站接地网故障诊断方法主要模块方框图，如图1所示，该变电站接地网腐蚀状态评估方法至少包括：任意波电流信号组合发生器1、接地网试品模块2、高频数据采集装置3和和便携式计算机4，其中便携式计算机4包括输入输出过程频率响应计算分析算法模块41、阻抗频率曲线模块42、频率响应过程曲线模块43和故障诊断分析和曲线绘制模块44。

模块之间联接关系：任意波电流信号组合发生器1产生不同信号电流作用在接地网试品模块2上即变电站接地网上的输入接地引下线，高频数据采集装置3采集和存储任意波电流信号组合发生器1产生的输入信号电流波形、接地网试品模块2输入接地引下线的响应电压波形和不同位置的输出接地引下线的响应电压波形，输入输出过程频率响应计算分析算法模块41对高频数据采集装置3提供的电流和电压波形数据进行处理得到接地网不同位置接地引下线的阻抗频率曲线存储于阻抗频率曲线模块42和频率响应过程曲线存储于频率响应过程曲线模块43，故障诊断分析和曲线绘制模块44利用阻抗频率曲线模块42和频率响应过程曲线模块43的当前数据和历史数据，对接地网不同位置接地引下线的阻抗频率曲线和频率响应过程曲线数据进行相关系数分析，从而评估该变电站接地网的运行状态。

本发明提供了一种现场任意波电流信号组合发生器产生一定幅值的任意信号电流(示例见图2)作用在变电站接地网上的输入接地引下线，并记录输入信号电流波形和输入、输出接地引下线的响应电压波形，利用输入输出过程频率响应计算分析，得到变电站接地网不同位置接地引下线的阻抗频率曲线和频率响应过程曲线，通过当前和历史曲线数据之间的相关系数分析，排除了目前单一频率50hz下阻抗值比较带来的不确定性，可以发现接地网导体由于腐蚀或断裂导致整个接地网运行状态发生的变化。

本发明提供了一种不需要对接地网进行大面积开挖，不需要进行接地网接地导体取样以及土壤取样，大大减少了变电站接地网腐蚀取样测量的工作量，大大简便了对接地网腐蚀状态进行评估的一种先进方法。

本发明提供了一种能够代表接地网不同位置接地引下线的接地状态测量方法，比传统工频接地阻抗更加能够反映接地网的真实运行状态。

本发明提供了一种在测量被选定作为输入端接地引下接地状态的同时，还能得到作为输出端接地网不同位置接地引下线的接地状态，不受现场运行条件限制，使用一定幅值的电信号测量，可在不停电下进行，而且为全频率激励源，不受变电站工频电磁场的干扰。

本发明的上述技术问题主要是通过以下技术方案的得以解决的：

如图3所示，一种采基于任意电流-电压检测波形频率响应分析的变电站接地网故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，进入变电站，选定变电站接地网特定接地引下线的接地状态参数测试点即是信号电流输入端，并根据接地网对角线长度放电压、电流测试线；

步骤2，连接现场任意波信号电流发生装置，选择接地网其它不同位置具有代表性的接地引下线即电压响应输出端，并连接至高频数据采集装置，根据变电站规模选择重要接地引下线，数量可2～3个；

步骤3，利用便携式计算机中输入输出过程频率响应计算分析及曲线绘制软件对测试记录并进行计算和分析，绘制注入电流信号接地引下线的阻抗频率曲线，得到接地网选定不同位置具有代表性接地引下线的频率响应过程曲线；

步骤4，比较和分析，查看历史测量的接地网同一位置阻抗频率曲线或频率响应过程曲线，对曲线进行组合相关系数分析；

步骤5，根据组合相关系数分析的结果来评估接地网运行状态。

现场实施案例说明

如图4所示，进入一小型110kv变电站，选定该变电站3#主变接地排为接地网接地参数测试点即信号电流输入端in，根据接地网对角线长度25m依据dl/t475-2006放电压测试线100m、电流测试线75m。连接现场任意波电流信号组合发生器输出一指数信号电流波形(见图2(e)，峰值约为10a)以模拟雷电波，选择母线避雷器作为接地网电压响应输出端out，三路电压信号均接入高频数据采集装置(采样率设置为10ms/s)。电流波形通过分流器r也转换为电压波形，测试记录并进行计算和分析，其中信号电流输入端in的注入电流信号和响应电压波形信号见图5。绘制3#主变接地排的阻抗频率曲线(见图6)和母线避雷器的接地引下线频率响应过程曲线(图7)；根据这2条曲线当前数据与历史数据的组合相关系数大小可以评估接地网腐蚀状态。

其中，输入输出过程的阻抗频率曲线、频率响应过程曲线和组合相关系数计算分别如下定义。

(1)阻抗频率曲线：

式中，j——信号电流输入端in接地引下线集的注入电流和响应电压采点数，共计n个。

(2)频率响应过程曲线：

式中，g(w)in——注入信号的频域幅值；

——第i接地网测量电压响应频域幅值，建议值：如图4所示1个测点，则n＝1；

fft——快速傅里叶变换；

||——取模值；

log——取对数变换。

(3)组合相关系数r：

当前曲线x和历史曲线y相关系数rxy计算如下：

计算两个序列的标准方差，

计算两个序列的协方差，

计算两个序列的归一化协方差系数，

按照如下公式计算出符合工程需要的相关系数rxy，

则，组合相关系数定义如下：

式中，a——阻抗频率曲线相关系数的权重系数，建议值为0.6；

bi——第i频率响应过程曲线相关系数的权重系数，建议值：如图4所示1个测点，则b1＝0.4，若有两个测点，则b1+b2＝0.4，可选b1＝b2＝0.2，实际设置可依据接地引下线所处接地网位置的重要性进行人工调整。

变化例

就1)现场任意波信号电流发生模块和2)电压响应输出端接地引下线的选择，二个环节做以下说明：

1)现场任意波信号电流发生模块

本发明基于的任意波信号电流发生模块，推荐使用图2所示的电流波形，也可以选择其他编程方式输出的波形，峰值大小也可以变化。

2)电压响应输出端接地引下线的选择

上述描述的电压响应输出端接地引下线的选择位置是可以变化的，选取个数也可以变化。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。