高压直流接地极状态监测系统研究

高压直流接地极状态监测系统研究

白鑫1杨勇1冀宏领1宋文波1马云武1陈霍

（1.云南电网有限责任公司文山供电局云南省文山市663000；2.昆明迪森电气有限公司云南650504；3.云南大学云南650504）

摘要：针对直流输电系统接地极特点，阐述了部分接地极失效的原因以及故障类型，并对接地极参数监测问题的研究意义进行了分析。对接地极监测系统进行研究，分别从监测参数采集和监测管理两个方面对接地极状态监测系统和接地极故障判断进行研究并，并初步探讨分析了当前接地极监测的局限性以及存在的问题。最后，根据目前的研究状况提出了多元监测数据融合的研究建议和后续的故障分析预测方法。

关键词：接地极；参数监测；接地极故障；动态模型；故障分析预测

0引言

高压直流输电系统的接地系统由接地极、导流系统和接地线路组成的接地装置作为电力输电系统的一个重要组成部分，它的有效运行具有重要意义（防雷电、建立电流回路和钳制中性电位点等等），本文重点关注接地装置中的接地极部分。由埋入大地以便与大地连接的导体或几个导体的组合称为接地极。

然而接地极安装自然环境环境差异极大，所处的环境复杂多变，许多的不确定性因素的影响容易引发接地极阻抗的改变造成接地失效。接地极的接地导体一般为金属材料并镀有相应的防腐膜，防腐膜的存在使接地极外界的电解质溶液可能在一定的时限内无法渗透到涂层内部锌层的外表，浸涂锌后的接地钢材的使用年限得以极大地延长，并保证了接地钢材的导电性、防腐性、耐冲击性和热稳定性。但导体在土壤电解质溶液中长久的浸泡和腐蚀会造成防腐膜的失效，导体材料发生以电化学反应为主的腐蚀，造成接地导体导电性（阻抗增大）降低，是接地极失效的主要原因之一。

一旦接地极发生故障，会直接影响电力输电网络运行，导致输电干道受阻，影响整个系统的安全稳定运行，甚至可能引发火灾，酿成重大事故。基于对输电网络运行安全性方面考虑，对接地极实际运行状态的监测显得尤其重要。

监测系统的目的是对接地极运行状态进行实时采集，不断地给出系统故障分析，帮助电网维护和管理人员及时了解接地极运行状态，以消除过程的异常行为，防止灾难性事故的发生。

基于接地极的特点，对高压直流接地极监测系统进行结构抽象，分别从监测参数采集和监测管理两个方面对接地极状态监测系统进行研究并对其进行详细的论述，并探讨了现阶段存在的问题以及其未来的发展趋势。

接地极监测系统

监测参数采集

在接地极物理端，应用各类传感器及AD转换技术采样多种接地极关联信号（如接地电流和电压、水位、土壤温湿度）并数字化，经一定的本地信号处理和分析，应用用GPRS、GSM等多种无线传输技术以组网的形式将上述处理和分析结果反馈至监测管理端。

接地电流：通过电流传感器（电磁式、电子式和光学式）实时测量接地极馈电电流，对接地极运行状态进行诊断，确定接地极电流分布及大小情况。

水位和土壤温湿度：使用温度、水位和湿度传感器测量接地井中的温度、水位和湿度数据，实时掌握接地极周围土壤状态。

接地极外界环境信息：基于气象数据采集设备采集接地极周围环境的温度、湿度、风向、风速、雨量和气压等公共气象信息参数。

监测管理

监测管理系统实时对接地极的关联数字化信息进行自动分析、判断处理，并基于人在回路的干预模式实现对接地极的计算机托管。监测管理核心为基于多参联合计算土壤电阻率数学模型。

该数学模型的输出结果即为接地极的状态值。将某一状态值区间确定为接地极正常运行区间，实时工作状态下的模型输出状态值在某时间段（t大于某值）连续逼近正常运行区间边界为接地极发生故障的征兆，可预警提示；而长期超越正常区间范围的状态值可视为发生接地极故障。

当前存在的问题

尽管接地极本身监控系统已经得到了广泛的研究和良好应用，基于其发展现状分析，故障监测技术仍然有一些问题有待于进一步的深入研究：

（1）多元信息融合研究较少：现有的在线监测技术以检测馈电电流、接地井水位、土壤温度和湿度，以及部分加入了对气象等公共信息气象信息的监测。同时现有的监测方法中一般单一地应用水位、温度、湿度、馈电电流等重要的单变量信息，对于大多数的实际过程来说，过程观察变量往往呈现出高度的相关性。单变量监测方法只考虑了单一变量的变化情况，无法对多个变量之间的相互影响关系进行关联分析。因此，应进一步加强各种信息进行融合建模，以适应复杂的设备状况。

（2）预警研究：故障的早期预测研究方法较少。为了保证设备的安全高效运行，需要及时发现设备的故障征兆并进行研究处理，最大限度地预防和避免重大事故的发生。

发展方向

针对接地极监测存在的问题，本文提出以下的发展方向。

1.完善监测参数

应用摄像头监视接地极外界环境，采集接地极外界环境图像，基于图像处理技术建立接地极物理环境数据模型；增加红外频谱采集传感器，获取以接地极电极为中心的环境温度实时梯度图和电解质液体动态流向图；同时利用互联网的开放性获取接地极区域宏观的气象信息，进行综合建模分析。

2.建立接地极“三维流场”动态模型

以接地极形状和物理建设尺寸数据为基础建立接地极三维物理外观模型。以水位、温度和湿度为参变量，应用如复数镜像法、积分法和滤波法建立计算土壤分层辐射型电阻率模型的格林函数，以此为基础建立接地极的接地电阻分布模型。基于等效法以接地馈电电流为第一变量、接地电极属性值（外观尺寸、电阻率）为第二变量的接地电流场分布计算模型。

3.故障分析预测方法

故障预测是在故障发生之前提前对故障进行预测，从而将潜在故障排除。基于接地极运行历史过程的数据特征来填充的接地极“三维流场”模型，根据模型对测试数据进行计算，通过检测数据对象是否在正常范围内，来预测系统是否出现故障。其次根据历史挖掘出数据关联，获取过程运行状态，进而指导维护操作。

首先，基于接地电极腐蚀公式，可建立接地电极寿命损耗的概念——将不同种类的时变参数（热量、温度、电流、机械应力、随机应力）对电极材料的影响进行评估，并在此基础上考虑多种因素的综合影响，提出多参作用下的寿命评估方法。

进一步，采用基于多变量分析的接地极预测方法，对环境因子（温度、湿度、风速、接地电阻等）以及由它们所决定的成灾因子（温度、电流强度及其持续时间，电解质液体流量等），提取信号特征，检测接地极运行过程中的缓慢变化状况，建立变量回归关系模型，从而得出在该监测点随时间的推移的温升趋势分析、温度的梯度分析以及故障预警等问题。

实现故障征兆的检测，对故障进行预警处理。

结语

本文主要接地极常规监测技术进行了研究探讨，一些常用的监测方法。针对当前的监测方式方法，给出了现在的监测技术的不足以及相应的研究问题的发展方向进行了阐述。

参考文献：

[1]中华人民共和国电力行业标准.DLT253-2012直流接地极接地电阻、地电位分布、跨步电压和分流的测量方法，2012．

基金项目：基金名称云南省教育厅科学研究基金（编号：2015Y019）；

基金名称云南省科技计划应用基础研究（编号：2014FB112）