接地网电气连接故障的诊断方法研究

摘要

接地是指电气系统的某些节点或电气设施的某些导电部分与地之间的电气连接，其目的是利用地作为传导电流回路的一个元件，从而在任何情况下将电气连接处的电位固定在某一允许范围。接地网则是满足接地要求，保障发电厂、变电站安全运行的重要设施，其接地性能一直受到国内外电力工作者的重视。
　　 近年来，随着电力工业的快速发展，超高压、特高压输电系统的建设以及城市电网改造的大规模进行，接地网的安全问题越来越突出，这就对接地网电气连接状况的检测提出了越来越严格的要求。论文详细地分析了目前国内外对接地网电气连接状态进行监测的相关研究成果，并结合相应的诊断技术，对发、变电站接地地网电气连接故障诊断进行了深入的研究，对诊断过程中涉及的理论和工程实现问题进行了较为详尽的论述。论文的主要研究工作如下：
　　 ①基于接地网支路电阻相对变化量的诊断方程及改进拟牛顿迭代法求解。由于接地网引下线间端口电阻的测量属于小电阻测量，其测量误差势必会极大的影响诊断结果。论文利用接地网拓扑结构图及接地网引下线间的电阻测量值，建立了基于接地网支路电阻相对变化量的腐蚀诊断方程，并通过添加正则化因子的改进拟牛顿迭代法求解诊断方程。由于该诊断方程比较的是发生故障前后不同支路电阻的相对变化量，因此提高了诊断精度，同时改进的拟牛顿迭代法改善迭代过程中Hessian矩阵的病态程度，解决了已有诊断方程求解方法中由于Hessian矩阵秩亏或者严重病态而导致不能收敛的问题，完善了诊断方程的求解方法、提高了求解速度和准确性。
　　 ②接地网电气连接故障诊断中，对支路电阻发生的变化情况进行判断是确定接地网电气连接是否完好的基本手段。然而，支路电阻在故障电流作用下，其安全阈值的计算一直是困扰研究者多年的问题。论文提出了结合有限元法和模拟电荷法对接地网均压导体及附近土壤的温度场进行计算的模型，并基于接地网均压导体电、热模型进行了接地网电气连接故障判据的分析，提出了变电站故障电流通过接地网入地散流时，接地网均压导体支路电阻相对变化量与故障程度的对应关系。
　　 ⑨发、变电站接地网拓扑结构一般规模很大，节点数和支路数一般在三位数以上，而与引下线相连的可及节点数一般只有几十个，因此在实际诊断过程中，如何充分利用可及节点构造诊断方程，并结合优化技术取得预期的最优解，达到较高的诊断精度就与可测量的端口对选择紧密相关。论文引入了网络拓扑变换理论，根据接地网、准元版块、元版块、元网络、可及接地网和本征接地网6个层次的网络分层，设计了基于ATP-EMTP的仿真平台，对不同的测量方案进行了比较，优化了诊断时测量端口对的选择，确定了接地网电气连接故障诊断时实用性强的选择原则。
　　 ④接地网材料通常为电的良导体，其引下线间的端口电阻值一般在毫欧级，在强电磁环境中的测量困难。论文引入了采用直流双臂电桥的四端钮测量法对接地网端口电阻值进行测量，并设计了模拟实验确定了诊断步骤，实验结果表明选用此测量方法能准确测量端口间几毫欧的小电阻，克服了测量的准确性难题，同时也能消除了变电站工频干扰对测量结果的影响。
　　 ⑤目前各种接地网电气连接故障诊断技术都需要详尽的接地网设计资料才能进行，而接地网出现大面积的电气连接故障一般在多年运行后，其原始设计参数很难获得。论文引入了物探技术，对探地雷达在接地网电气连接故障中辅助定位的方法进行了探讨，分析了接地网探测的雷达参数，提出了探测时天线中心频率、时窗、采样率、测点点距、天线间距及测网布置的选择方法；提出了基于雷达探测数据的接地网拓扑结构重构方法，开发了接地网结构参数测量系统，成功的解决了接地网电气连接故障诊断中一直无法克服的接地网原始结构参数欠缺导致诊断无法进行或诊断结果可靠性差的问题。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.1.1 课题的研究背景

1.1.2 研究的意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 接地网电气连接故障诊断的原理

1.2.2 接地网电气连接故障诊断方法的研究

1.3 研究目的及主要工作

1.3.1 研究的目的

1.3.2 研究的主要工作

2 基于支路电阻相对变化量的诊断方程及改进拟牛顿求解法

2.1 概述

2.2 故障诊断的原理

2.2.1 理论基础

2.2.2 故障参数识别法的原理

2.3 基于支路电阻相对变化量的故障诊断方程

2.3.1 伴随网络与特勒根定理

2.3.2 故障诊断方程的建立

2.4 添加正则化因子的改进拟牛顿法求解故障诊断方程

2.4.1 无约束非线性规划问题的基本原理

2.4.2 最小二乘法的求解思想

2.4.3 基于拟牛顿法的改进求解方法

2.4.4 算列分析

2.5 故障诊断程序的开发

2.5.1 关联矩阵的生成

2.5.2 接地网拓扑结构的程序实现

2.6 小结

3 基于均压导体电、热模型的故障判据分析及仿真实验

3.1 概述

3.2 基于均压导体电、热模型的故障判据分析

3.2.1 有限元法数值计算理论

3.2.2 接地网均压导体支路温度场的泊松方程

3.2.3 接地网均压导体支路与土壤混合的有限元模型与边界条件

3.2.4 基于模拟电荷法的水平接地导体溢流密度的计算

3.2.5 流过入地故障电流时接地网导体最小截面积计算

3.3 接地网电气连接故障仿真实验的设计

3.4 小型电阻网络的仿真实验及诊断结果分析

3.3.1 小型电阻网络的单支路电气连接故障诊断

3.3.2 小型电阻网络的两支路电气连接故障诊断

3.3.3 小型电阻网络的三支路电气连接故障诊断

3.5 基于网络拓扑变换的测量方法设计及大型电阻网络仿真实验

3.5.1 网络拓扑变换的原理

3.5.2 大型接地网的模拟

3.5.3 不同端口电阻测量方案的诊断结果比较

3.5.4 待测端口对的选择原则

3.6 小结

4 基于直流双臂电桥四端钮测量法的模拟试验与现场试验

4.1 概述

4.2 基于直流双臂电桥的端口电阻端钮测量法和模拟实验

4.2.1 模拟实验方案

4.2.2 端口电阻测量方法

4.3 小型电阻网络的模拟实验及诊断结果分析

4.3.1 小型电阻网络的单支路故障

4.3.2 小型电阻网络的双支路故障

4.3.3 小型电阻网络的三支路故障

4.4 接地网的模拟实验及分析

4.4.1 模拟接地网单支路故障的诊断

4.4.2 模拟接地网双支路故障的诊断

4.4.3 模拟接地网多支路区域故障的诊断

4.5 接地网电气连接故障的现场故障诊断方案设计

4.5.1 故障诊断步骤的设计

4.5.2 故障诊断的判据

4.6 发、变电站接地网电气连接故障诊断实例分析

4.6.1110kV典发变电站接地网电气连接故障的诊断实例

4.6.2220kV邮亭变电站接地网电气连接故障诊断实例

4.6.3220kV人和变电站接地网电气连接故障的诊断实例

4.7 小结

5 基于探地雷达的接地网电气连接故障诊断实用化技术研究

5.1 概述

5.2 探地雷达的探测原理及参数选择

5.2.1 探地雷达的探测原理

5.2.2 探地雷达的参数选择

5.3 基于探测数据的接地网结构参数重构系统的开发

5.3.1 接地网结构参数测量系统框架

5.3.2 接地网结构参数的提取

5.4 基于探测数据的接地网结构参数重构的试验

5.5 小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附 录

A 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文

B 作者在在攻读博士学位期间申请的专利

C 作者在在攻读博士学位期间参与的科研课题