某110 kV老舊變電站接地網(wǎng)系統(tǒng)改造前的評估

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(1. 國網(wǎng)浙江省電力公司 電力科學(xué)研究院，杭州 310014； 2. 國網(wǎng)浙江省電力公司 臺州供電公司，臺州 317000；3. 杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310014)

應(yīng)用技術(shù)

某110kV老舊變電站接地網(wǎng)系統(tǒng)改造前的評估

胡家元1,鄭德富2,沈曉明1,許蓬萊2,李延偉3,曹求洋1

(1. 國網(wǎng)浙江省電力公司 電力科學(xué)研究院，杭州 310014； 2. 國網(wǎng)浙江省電力公司 臺州供電公司，臺州 317000；3. 杭州意能電力技術(shù)有限公司，杭州 310014)

為提高變電站接地網(wǎng)改造效率，采用電阻抗成像(EIT)技術(shù)對某110 kV老舊變電站開展接地網(wǎng)改造前狀態(tài)評估，并對地網(wǎng)建模成像。檢測發(fā)現(xiàn)，除目視可見斷點外，接地網(wǎng)引下線存在5處隱蔽斷點，急需處理；而水平地網(wǎng)所處土壤腐蝕性弱，各支路阻抗值增幅均在允許范圍，未出現(xiàn)明顯銹蝕。據(jù)此，為該變電站制定了僅更換引下線、不改造水平地網(wǎng)的個性化維修方案，顯著降低改造成本、避免接地材料浪費。電阻抗成像技術(shù)可實現(xiàn)對接地網(wǎng)腐蝕的快速準(zhǔn)確診斷，將接地網(wǎng)從“黑箱狀態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱梢暊顟B(tài)”，改善接地網(wǎng)腐蝕檢查的盲目性，提升設(shè)備管理水平。

變電站；接地網(wǎng)；電阻抗成像(EIT)；腐蝕評估

變電站接地網(wǎng)是重要的輸變電輔助設(shè)備，它將電力系統(tǒng)與大地相連、為故障電流及雷電流提供泄放通道，是設(shè)備及人員安全的重要保障[1]。接地網(wǎng)深埋地下，受焊接施工不良、土壤腐蝕等影響，常存在導(dǎo)通不良等缺陷，且不易被發(fā)現(xiàn)[2-3]。若系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障，將造成地電位異常升高而威脅人員安全，甚至?xí)螂妷悍磽羝茐亩卧O(shè)備[4]。

某110 kV變電站建于1992年，周邊工業(yè)發(fā)達(dá)，屬于重酸雨區(qū)。運維人員巡檢發(fā)現(xiàn):接地網(wǎng)引下線腐蝕嚴(yán)重，全站有十余處明顯斷點(見圖1)；部分設(shè)備存在著泄流不良、輕微放電現(xiàn)象，安全風(fēng)險突出。電力公司高度重視變電站接地網(wǎng)腐蝕問題，鑒于該地網(wǎng)已服役25 a，初步計劃整體改造。然而，接地網(wǎng)整體改造不僅投資巨大、費時費力，而且將造成變電站長時間停電，代價高昂；若能預(yù)先對接地網(wǎng)進(jìn)行全方面的性能評估，獲得各接地部件的缺陷情況、當(dāng)前狀態(tài)、剩余壽命等關(guān)鍵信息，將有助于制訂最為經(jīng)濟(jì)有效的接地網(wǎng)改造方案，利于降低改造成本及損失。鑒于此，本工作對接地網(wǎng)開展改造前的評估。

國內(nèi)外關(guān)于接地網(wǎng)性能主要是通過測量接地電阻來表征[5],但該指標(biāo)無法反映接地網(wǎng)腐蝕程度，甚至在接地網(wǎng)存在斷點時，接地電阻仍可能處于正常范圍。而傳統(tǒng)接地網(wǎng)腐蝕開挖檢查存在工作盲目性大、結(jié)果無法代表整個地網(wǎng)等不足。目前，國內(nèi)外學(xué)者也構(gòu)建了多種接地網(wǎng)腐蝕診斷技術(shù)[4,6-8]，但大多停留在實驗室探索階段，較少應(yīng)用為現(xiàn)場，更未見有實現(xiàn)接地網(wǎng)直觀成像的報道。本工作采用自主開發(fā)的接地網(wǎng)腐蝕評估技術(shù)[9-10]，對該變電站開展接地網(wǎng)電阻抗成像檢測、土壤腐蝕性分級、開挖驗證等一系列工作，準(zhǔn)確掌握接地網(wǎng)受腐蝕侵害程度及當(dāng)前性能狀態(tài)，提出了個性化維修方案，以期指導(dǎo)后續(xù)接地網(wǎng)的合理改造。

圖1 接地網(wǎng)引下線斷點Fig. 1 Breakpoint of the down line

1 接地網(wǎng)電阻抗成像技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

若忽略土壤、濕度等因素的影響，接地網(wǎng)金屬可視為純電阻[11]。根據(jù)接地網(wǎng)規(guī)格，可獲得其初始電阻值；當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)發(fā)生腐蝕減薄或斷裂時，該支路的電阻值將較初始值增大[12]。通過對比兩者差異，可以表征導(dǎo)體的腐蝕和斷裂情況。

接地網(wǎng)電阻抗成像技術(shù)以電網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，借鑒于核磁掃描成像原理，從某一點(引下線)向接地網(wǎng)中注入電流并測取其他點(引下線)的反饋電壓，以單點激發(fā)多點輪換的16通道循環(huán)檢測方法，完成對接地網(wǎng)支路阻抗值的測試；之后利用軟件處理檢測數(shù)據(jù)，繪制地網(wǎng)直觀腐蝕圖像，實現(xiàn)對接地網(wǎng)的斷點定位及腐蝕評估。假設(shè)接地網(wǎng)具有n個節(jié)點和b條支路，各支路電阻的計算見式(1)～(5)。該技術(shù)借助引下線即可實現(xiàn)對整個接地網(wǎng)的檢測(見圖2)，無需開挖地網(wǎng)，快速便捷。

式中:A為網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)矩陣；Yb為支路導(dǎo)納矩陣；Yn

圖2 接地網(wǎng)電阻抗成像技術(shù)測試原理Fig. 2Test principle of EIT technology for grounding grid

為節(jié)點導(dǎo)納矩陣；Ub為支路電壓向量；Un為節(jié)點電壓向量；In為節(jié)點電流向量；Ib為支路電流向量。

Un0為節(jié)點電壓的測量值，U(R)為節(jié)點電壓計算值，需要找到一組R使得f(R)最小，從而求得符合測量值的支路電阻。

minf(R)=1/2‖U(R)-Un0‖2,R=

通過求解式(5)就可得出各支路電阻的最優(yōu)解，通過與電阻抗標(biāo)稱值對比，判斷各支路導(dǎo)體的腐蝕和斷裂情況。

1.2 測試方法

本次測試?yán)米灾餮兄频慕拥鼐W(wǎng)腐蝕成像檢測儀，采用區(qū)塊化測試方式，從某處引下線向接地網(wǎng)注入1 A直流電，循環(huán)檢測該區(qū)塊內(nèi)其他15處引下線導(dǎo)出的電壓信號(約數(shù)百mV)，數(shù)據(jù)采集間隔為4 s，數(shù)據(jù)為SD卡存儲。具體如下：

(1) 區(qū)域劃分 將該110 kV變電站劃分為3個區(qū)塊，依次編號為A～C，見圖3。

圖3 接地網(wǎng)電阻抗成像測試分區(qū)圖Fig. 3 Test positions of EIT technology for grounding grid

(2) 引下線選取 在每一區(qū)域分別選取16個接地網(wǎng)引下線并編號，例如在A區(qū)選取16根引下線依次編號為A1，A2，…，A16。

(3) 數(shù)據(jù)采集將檢測裝置1～16號探頭依次連接各區(qū)塊中引下線，分別對每個區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，見圖4。

圖4 接地網(wǎng)電阻抗成像測試Fig. 4 EIT test for grounding grid

1.3 故障判定依據(jù)

(1) 引下線導(dǎo)通性判據(jù)

依據(jù)《接地裝置特性參數(shù)測量導(dǎo)則》[5]確定接地網(wǎng)引下線是否導(dǎo)通。判據(jù)如下：

a) 測試結(jié)果低于50 mΩ，表示接地狀況良好；

b) 測試結(jié)果為50～200 mΩ，表示接地狀況尚可，宜今后排查時重點關(guān)注；

c) 測試結(jié)果為200 mΩ～1 Ω，表示接地狀況不佳，對重要設(shè)備應(yīng)盡快檢查；

d) 測試結(jié)果大于1 Ω，表示設(shè)備沒有有效接地，應(yīng)盡快處理。

(2) 水平地網(wǎng)支路腐蝕判據(jù)

依據(jù)《接地網(wǎng)腐蝕診斷技術(shù)導(dǎo)則》[13]判斷接地網(wǎng)各支路是否存在嚴(yán)重銹蝕或斷裂。判斷如下:阻抗值增大倍數(shù)為0～5，支路正?；蜉p度銹蝕；阻抗值增大倍數(shù)為5～10，支路出現(xiàn)明顯銹蝕；阻抗值增大倍數(shù)>10，支路出現(xiàn)明顯銹蝕,嚴(yán)重銹蝕或斷裂。

2 測試結(jié)果

2.1 引下線導(dǎo)通測試結(jié)果

導(dǎo)通測試覆蓋所有引下線。在數(shù)據(jù)采集過程中，發(fā)現(xiàn)2號主變中性點消弧線圈刀閘支柱、避雷器接地刀閘支柱等5處引下線電壓數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，部分引下線導(dǎo)通測試結(jié)果見表1。圖5為避雷器接地刀閘支柱導(dǎo)通異常點位置。

如表1所示，A2、A3、B3、B4、C2等5處引下線的導(dǎo)通測試值大于1 Ω，判斷該處引下線未有效接地，需開挖檢查；其余引下線多處于接地尚可或接地不佳狀態(tài)，說明引下線普遍存在腐蝕問題，導(dǎo)致電阻偏高。

表1 部分引下線導(dǎo)通測試值Tab. 1 Grounding resistance of down line

圖5 接地刀閘支柱導(dǎo)通異常點Fig. 5 Down line breakpoint of grounding switch

2.2 接地網(wǎng)支路腐蝕測試結(jié)果

在如圖3所示的變電站測試區(qū)域A、區(qū)域B及區(qū)域C內(nèi)，依次分別選取16根引下線，利用圖4中接地網(wǎng)電阻抗成像儀向接地網(wǎng)注入電流并測取電壓，每個區(qū)采集3 840個數(shù)據(jù)。通過自主開發(fā)的接地網(wǎng)故障診斷程序計算現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，得到接地網(wǎng)各支路阻抗值增大倍數(shù)，計算結(jié)果見圖6。

由圖6可見:水平地網(wǎng)各支路電阻的增大倍數(shù)多在5倍以下，最大增加倍數(shù)為6.8倍。依據(jù)接地網(wǎng)腐蝕程度判斷標(biāo)準(zhǔn)，可認(rèn)定水平地網(wǎng)大部分支路處于正常狀態(tài)，僅變壓器附近的區(qū)域C中有少量支路發(fā)生明顯腐蝕，但也未呈現(xiàn)斷股或嚴(yán)重減薄，因而不影響其接地性能。

利用接地網(wǎng)腐蝕診斷軟件，可繪制該變電站接地網(wǎng)支路腐蝕狀態(tài)的阻抗成像圖，見圖7。由圖7可見，利用接地網(wǎng)電阻抗成像手段，可直觀獲得接地網(wǎng)支路腐蝕程度信息，將接地網(wǎng)從“黑箱狀態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱梢暊顟B(tài)”。

(a) 區(qū)域A (b) 區(qū)域B (c) 區(qū)域C圖6 接地網(wǎng)各支路阻抗增大值Fig. 6 Impedance value increase of grounding grid branch: (a) area A; (b) area B; (c) area C

圖7 接地網(wǎng)支路腐蝕阻抗成像圖Fig. 7 Impedance imaging of grounding grid branch

2.3 開挖驗證

對5處引下線隱蔽故障點開挖確認(rèn)，對水平地網(wǎng)支路腐蝕程度開挖驗證。典型引下線斷點見圖8，水平地網(wǎng)支路開挖結(jié)果見圖9。

圖8 典型引下線銹蝕斷裂點Fig. 8 Breakpoint of grounding down line

圖9 水平地網(wǎng)支路腐蝕情況Fig. 9 Corrosion of grounding grid branch

由圖8可見:開挖檢查發(fā)現(xiàn)5處未導(dǎo)通引下線在土壤淺層位置銹蝕嚴(yán)重，已形成腐蝕斷點。這是因為引下線該部分處于淺層土壤(埋深約0.1 m)，此深度的土壤含氧量充足，且因降水豐富土壤含水率高，引下線長期處于供氧充足的電解質(zhì)環(huán)境之中，因而遭受了嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕[14]。

由圖9可見:接地網(wǎng)水平支路狀態(tài)較好，未見有明顯銹層。水平地網(wǎng)在土壤中的腐蝕情況主要受土壤性質(zhì)決定，影響因素包括土壤電阻率、含水率、pH、氧化還原電位等。依據(jù)《接地網(wǎng)土壤腐蝕性評價導(dǎo)則》[15]，對該變電站水平地網(wǎng)所處土壤取樣分析，結(jié)果見表2。

表2 土壤理化特性值Tab. 2 Characteristic values of soil

根據(jù)單項評價指標(biāo)判定，當(dāng)土壤電阻率大于50 Ω·m，認(rèn)為土壤腐蝕性弱；pH為6.5～8.5時，土壤腐蝕性弱；氧化還原電位大于400 mV時,腐蝕性弱。綜合單項指標(biāo)判定，該接地網(wǎng)所處土壤的腐蝕性較弱。

該變電站水平地網(wǎng)埋深約為0.8 m，此深度土壤中氧含量較低，且接地網(wǎng)所處土壤腐蝕性較弱，因而水平地網(wǎng)腐蝕程度較低，這與電阻抗成像圖(圖7)結(jié)果相符。鑒于接地網(wǎng)支路導(dǎo)流性能優(yōu)良，仍處于使用壽命之中，故水平地網(wǎng)可不更換。

3 個性化改造方案及其優(yōu)勢

3.1 個性化改造方案

通過電阻抗成像檢測，對該接地網(wǎng)腐蝕狀態(tài)有了全面掌握，提出個性化改造方案如下：

(1) 采用50 mm×5 mm鍍鋅鋼全部更換40 mm×4 mm老舊引下線，要求引下線垂直連接至水平地網(wǎng)，并輔以防銹漆增強(qiáng)引下線的耐蝕性；

(2) 測試證實了水平地網(wǎng)性能良好，仍在有效使用壽命內(nèi)，因而無需改造更換；

(3) 完成改造后，再次進(jìn)行全站接地網(wǎng)性能檢測，確保所有故障點徹底消除。

3.2 個性化改造方案的優(yōu)勢

該接地網(wǎng)已服役25 a，局部呈現(xiàn)的腐蝕破壞較嚴(yán)重。以往依靠人工開挖檢查時，對處于“黑箱狀態(tài)”的接地網(wǎng)，特別是已服役數(shù)十年的老舊接地網(wǎng)，在發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重缺陷后，因無法確定接地網(wǎng)其他部位的腐蝕狀況，往往盲目地整體改造來徹底消除所有隱患，以確保變電站運行安全。但接地網(wǎng)整體改造存在諸多不足：(1) 一次性投資巨大,變電站需整體開挖，工程量龐大，費用在60萬元以上；(2) 工程耗時長,停電作業(yè)時間長，間接損失巨大；(3) 接地材料浪費嚴(yán)重,大量遠(yuǎn)未達(dá)到使用壽命的接地金屬也會被更換，造成材料浪費。

本改造方案與傳統(tǒng)整體改造方案相比具有如下優(yōu)勢：(1) 投資成本大為降低,整個地網(wǎng)改動較小，接地體材料需求量、人工開挖工作量均顯著減少，使得改造費用大幅降低;(2) 工程耗時顯著縮短,本方案不涉及地網(wǎng)整體開挖，特別是不涉及主變等重要設(shè)備區(qū)域開挖，改造時無需停運變電站;(3) 避免接地材料浪費,本方案僅替換老化銹蝕的引下線，最大限度地保留仍具較長使用壽命的接地金屬(如水平地網(wǎng))，可避免材料浪費。

4 結(jié)論及建議

利用電阻抗成像技術(shù)對某110 kV變電站開展接地網(wǎng)改造前評估，排查出引下線5處隱蔽斷點，檢驗了地網(wǎng)水平支路的良好導(dǎo)通性能，并對全地網(wǎng)建模成像；在全面掌握接地網(wǎng)腐蝕現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上提出個性化改造方案。該改造方案與傳統(tǒng)地網(wǎng)整體改造方案相比具有更強(qiáng)的針對性，將顯著降低投資成本，縮短工程耗時，避免接地材料浪費。

基于電阻抗成像的接地網(wǎng)檢測技術(shù)可在免開挖、免停電、無損狀態(tài)下，實現(xiàn)對接地網(wǎng)的全覆蓋腐蝕評估，將接地網(wǎng)由“黑箱狀態(tài)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤翱梢暊顟B(tài)”。測試過程快速便捷，儀器簡單且適合攜帶。該技術(shù)可準(zhǔn)確掌握接地網(wǎng)受腐蝕侵害情況和當(dāng)前性能狀況，利于針對性地提出優(yōu)化建議，改善了以往地網(wǎng)檢測及改造的盲目性，具有推廣價值。

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StateAssessmentfortheGroundingGridofan110kVOldSubstationBeforeReconstruction

HU Jiayuan1, ZHENG Defu2, SHEN Xiaoming1, XU Penglai2, LI Yanwei3, CAO Qiuyang1

(1. Zhejiang Electric Power Corporation Research Institute, Hangzhou 310014, China； 2. State Grid Taizhou Power Supply Company, Taizhou 317000, China; 3. Hangzhou Yineng Electric Technology Co., Ltd., Hangzhou 310014, China)

In order to improve the reconstruction efficiency, the grounding grid of an 110 kV substation was evaluated by the electrical impedance tomography (EIT) technology. Results indicated that five breakpoints of the down lines were found underground, but the impedance increase of grid was in a reasonable scope, proving that the level ground grid had not suffered serious corrosion. According to the evaluation results, a reconstruction program of just replacing the grounding metal of down lines was proposed, which could reduce the reconstruction cost of grounding grid and the waste of grounding metal. EIT technology could be used to evaluate the corrosion of grounding grid rapidly and effectively, which could reduce the blindness of grounding grid corrosion detection and improve the fine management level of grounding apparatus.

substation; grounding grid; electrical impedance tomography (EIT); corrosion evaluation

10.11973/fsyfh-201711013

2017-01-23

國網(wǎng)浙江省電力公司科技項目(5211DS16001N; 5211DS14005D)

胡家元(1986-)，工程師，博士，從事電力設(shè)備的腐蝕與防護(hù)研究

TM862

A

1005-748X(2017)11-0880-05