XUEHAO-XINGMING-接地电阻网络故障诊断

接地电阻网络故障诊断张**5********F******摘要：接地电阻网络可能会因为年久失修、腐蚀而产生故障，接地网被腐蚀后性能发生变化，将造成巨大的经济损失和社会影响。本文试图提出以节点分析法为基础，两种操作步骤来完成接地电阻网络故障测试方法的优化。关键词：接地网络诊断，节点分析法，优化引言：接地电阻网络在保障人民生命财产、电气设备安全方面意义重大。它的一种常见模型是nm电阻网络，并在其中增加一些电阻，将两个电阻直接连接起来。其他的形式有的非常复杂。但是形式复杂的电路，我们可以通过节点分析，将电路化为相对简单的形式。在化简完成后，每一个节点都通过一个等效电阻而与其他节点相连接。另一个问题在于，实际生产中，有的节点会因地质条件等原因而难以实施测量。本文重点讨论电路中各个节点都可以测量的情况。图1常见的接地电阻网络模型节点分析法简介：接地网由金属导体焊接而成，在接地网竣工以后，由于各段导体的长度，截面积以及电阻率的数值为确定值，忽略土壤、温度和湿度等影响，可以将各段导体的电阻值看作是定值，称为接地网电阻的标准值。地网深埋在地下，长时间工作，势必发生腐蚀，甚至使个别导体发生断裂，导体电阻值增大，接地网发生腐蚀以后各导体的电阻值称为实际值。根据电路理论，可以将接地网看作多端元件，每一端对应接地网的一个可及节点（接地引下线），采用直流电源外接于接地网的两接地引线间，测量接地引线间的电压及回路的电流（或计算出任意两接地引线间的电阻值），通过测试数据以及原始接地网的拓扑结构和接地网电阻标称值，按照一定的故障诊断算法，对接地网进行诊断。节点分析法接地网络故障诊断的主要任务是在已知网络的结构、输入激励信号和故障下的响应时，求解接地网故障的物理位置和参数。首先，由电网络理论得节点方程A·Yb·AT·Vn=In式中，A为节点关联矩阵；In为节点的电流源激励向量（非激励节点的电流值为0）；Yb是支路导纳矩阵，是对角阵，对角元素是接地网均压导体的支路电阻值的倒数（可以根据地同的平面施工图计算得到），其余元素为0；Vn为节点电压列向量。将上式对电阻求偏导，可得到故障诊断方程和灵敏度矩阵，再加上一定的约束条件（如电阻增量非负等）建立目标函数（或称故障诊断方程）。通过诊断系统确定故障的位置与严重程度，并对它们是否继续运行、是否维修做出决策。保证充分次数的测量：为了保证不重复测试，使得测量次数尽可能地少，这里以采用电流源激励，并用电压表测量为例来说明。用电流源输入，对于有n个节点的接地网，有n-1个激励位置独立。例如图二中，该网络有三个节点，那么只要在1，2节点间和2，3节点间加激励，可以求出1，3之间加激励的情况。这可以根据叠加定理给出验证。I1=I2+I3.图2有三个节点的接地网络有两个独立的激励位置第二个步骤,确定节点电压测量位置。用电压源输入，对于有n个节点的接地网，第一次激励获得n-1个测量值。第二次测量，根据互易定理，必然有一组数据和第一次的测量值重复。同理，第i次测量会有n-i个不重复的电压值。N-1C2N=(Nt-i)i=1例如图二中，共有三组不重复的电压值。这样做的目的是,让独立方程的个数等于本征支路数,即使得每条支路的电压、电流情况都明确。这种方法可称为“理想充分测试方案”，将恒定直流电源分别加在每条本征支路两端，并测量相应本征支路两端的电压。运用这种方式可以测得每一个电阻的大小，与标准的数值进行比较则容易得出出错的电阻。由于在实际生产，电阻埋在地面之下，测量如此多组数据耗时巨大，而且会引起大面积停电，可以考虑测试方案的优化。电源确定情况下的优化测试方案：在测量中，必然会产生接地引下线的影响，本文只讨论地引下线可以忽略不计的情况。减少测量步骤的前提是保证测量的充分性。测试方案中的独立测试个数不少于本征支路数，说明这个方案充分。我们一般首先构造充分的测试方案，来确保测量充分和准确。然后逐步减少测量次数。我们用一个矩阵T来表示激励和测试的情况。TmnnTTTTmTT1221212111其中Tmn表示第m条支路加载电流源激励时，第n个电压测试位置。给矩阵中，电压测试先计算同一行，再计算同一列。因为这样做可以减少电源的移动从而使工作量较小。首先采用节点电压法计算各处激励下T中各位置电压，提取出每列中电压最大的3个电压测试位置，不足3个则全取。得到新的电压测量位置的矩阵。如果该方案仍然充分，再从新的矩阵中删去第一个电压测量位置，再次判断该方案是否充分。如果充分，则删去第二个电压测量位置。再次判断是否充分。按照这一步骤循环。如果循环次数与各个电源激励状态中电表移动次数相等，那么说明已经充分。通过节点测量顺序的调整实现优化：由于上述方法并非实现了最少的测量次数，为了进一步提升测量效率，可以将上述方法进行改进，在保证充分性的前提下，实现更少乃至最少的测量次数。我们首先定义“工作量”这一概念。选择任意一个节点作为节点分区的公共节点，如果与它相连的支路为m，还有n条未知，还需要建立n个独立的线性方程。将电流源加在公共节点i上和其他任意节点，并测出电压，根据KCL建立关于以节点i为端点的本征支路电导方程。需要移动激励源n次，每次激励测量m次电压值。求解线性方程，即可获得n条支路的电阻值。再另选择一个节点，重复这一计算。直到将所有的节点都测出。因此，如果我们用测量次数来代表工作量，工作量f=n(m+1)。也即，某节点i的工作量f=面向节点i测试中需要改变直流电流源位置的次数与同一电流源位置移动电压表次数之和。这一方法的核心思想是，首先计算各节点的工作量f，然后选取对应工作量最小的节点，然后在剩余节点中选取工作量其次的节点，依次按此排列。然后将其按顺序连接。最外侧的节点为边界节点。一组连接了一个边界节点和起始点的支路的集合成为一条完整的路径。如果沿某一条路径的各节点工作量之和最小，那么这个顺序即为最优方案。在循环中，要注意的一个问题是判断是否存在重复的路径，若有则仅保留其中一条，在将路径精简至一条。如果当循环到所有节点都是最外层节点，则按照该顺序测量即为投入最小的方法。诊断算法：当采用单一激励元多出测量时，由于接地引下线电阻数量级为毫欧，受现场干扰，经常会出现误判，故提出采用在可及节点轮换电流源激励的位置和每处激励时多处测量的方法。设Umi0为接地网无故障时在m处施加电流源激励i测试点的电压值；Umi为接地网在m处施加相同的电流源激励后，同一可及i测试点测量到的电压值。则接地网无故障的必要条件为Umi=Umi0(i=1,2,3,4…)根据Umi和Umi0是否相等，以及一系列去伪故障算法，可有效判断接地网是否发生故障。这些相应的算法包括神经网络法，网络撕裂法，禁忌搜索法，遗传算法等，在此就不一一介绍了。结语：关于节点分析的算法很多，但总的目标是简化故障诊断方程，优化求解过程，减少迭代次数。接地网的故障是普遍发生的，几乎所有导体的电阻值都会偏离标准值，由于接地引线间的电阻很小，大概只有十几到几十毫欧，从大小与测量时的连接接触电阻同一数量级，因此测量接地引线间的电阻时必须采取合适的测量方法和设备，削弱或消除它们的影响。现场试验可能遇到很多问题，比如设计施工和改造的图样不全，接地引线的故障，网格偏移甚至接地网残缺等影响因素，这些因素的存在对诊断精度的影响还需进一步的研究，还需要简单地选取接地引线的原则、方法、数量和试验步骤。参考文献：1．《接地网故障诊断》刘健王森中国电力出版社2011年2．《接地网故障诊断算法研究综述》张蓬鹤何俊佳华中科技大学电气与电子信息工程学院