土壤参数反演和接地网优化问题研究

发布时间：2018-02-20 17:37

本文关键词： 格林函数土壤参数反演网内电势差优化方法跨步/接触电势优化布置接地网腐蚀导通电阻　出处：《武汉大学》2014年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：接地网在变电站安全运行中起着极为重要的作用,随着变电站规模的日益增大,变电站接地网尺寸也在不断扩大,而且结构也越来越复杂,变电站接地网电位升高、接触电势和网内电势差超标、接地网导体腐蚀等问题也日益突出,已成为电力系统电磁兼容的重要研究课题之一。优化接地的目的是为了适应目前我国电力系统接地设计和运行的需要,充分发挥已有的技术经济条件,在可行范围内尽量通过土壤电阻率测量反演、接地网的优化配置和腐蚀状态监测诊断,以取得更好的应用效果服务于接地网的设计、维护和运行。层状土壤是接地仿真中最常用的不均匀电阻率媒质,过往的层状土壤格林函数推导局限于5层以内的土壤,其数值计算方法繁琐且容易出错。为了突破目前格林函数的理论瓶颈,取得足够精度的数值解,本文提出了层状土壤格林函数的智能推导和计算方法,实现了格林函数的多分辨率采样和自动控制精度的复镜像拟合,并通过算例说明了本文方法的正确性和优势。过往的研究忽略了具体故障电流分布对网内电势差的影响,只是单一的考虑入地电流造成的网内电势差。为了修正这一理论错误,本文指出了网内电势差由散流网内电势差和导通网内电势差构成,研究了接地网网内电势差的计算模型和计算方法,分析了不同情况下接地网网内电势差的变化规律。土壤电阻率越低网内电势差越小；网内电势差随土壤电阻率/接地电阻的增加而增加,而且存在饱和趋势,地网面积越大,饱和趋势越明显；一般情况下,当土壤电阻率大于100Ω-m或者接地电阻大于0.3Ω时,可以近似认为网内电势差己进入饱和区。在大型变电站接地设计的初始阶段,电缆承受网内电势差可以按网内电势差的一半考虑,建议网内电势差超过1.4kV时在电缆沟中与二次电缆平行布置一根双端接地的扁铜或铜绞线以降低电缆屏蔽层承受电压从而防止电缆屏蔽层烧毁。针对接地网导体的腐蚀问题提出了一种可以模拟接地导体截面积减少和导体表面覆盖涂层的计算模型,模型可以考虑接地网不同位置不同程度腐蚀情况下接地阻抗、地表电位分布和导通电阻受腐蚀程度的影响,为接地网腐蚀诊断提供了详细准确的仿真模型。涂层对大中型接地网的接地电阻影响并不明显,从理论上证明了铁锈对接地网接地阻抗影响不明显。在接地网的腐蚀仿真过程中可以忽略铁锈对接地参数的影响。为建立水平多层土壤参数反演目标函数的理论基础,本文先对目标函数及其导数进行理论推导,然后再进行复镜像法求解。本文方法可以满足所有直接搜索法和梯度法的反演应用需求。首先使用多种经典优化方法进行土壤反演的算例研究,对比均方根误差、迭代次数、CPU时间的性能差异。土壤反演是高度非线性优化问题,大多数的优化方法会陷入局部较优解。在众多方法中,最小二乘法和信赖域法是性能表现最好的两种方法,它们的数值稳定性和反演精度较佳。为了提高反演结果的一致性,避免不合理的反演结果,提出了带约束的最小二乘法和信赖域法进行土壤反演。权重约束反演可以避免电阻率出现过大或者过小,有效地保证了表层土壤参数和深层土壤参数与测量值的一致性,故采用在接地设计时选用带权重的最小二乘约束反演方法保证接地参数设计值的有效性。为了准确重现视在电阻率曲线,提出了1：1.5左右的极距配置形式,该配置形式可以完全满足视在电阻率现场测量的应用需求。研究了新型群智能优化方法在土壤参数反演中的应用,使用算例初步对比说明了粒子群算法、人工萤火虫算法和人工蜂群算法的性能,其中粒子群算法和人工蜂群方法是性能较优的方法。群智能方法无需指定初值,但计算速度缓慢,容易收敛于局部解；经典优化方法收敛速度快,但是需要指定初值,有时反演的结果与初值设置相关。本文提出群智能方法的个体使用经典优化方法以增强算法的局部搜索能力和加快算法收敛速度,这些新方法包括信赖域粒子群算法、最小二乘粒子群算法、信赖域人工蜂群算法和最小二乘人工蜂群算法,通过算例说明上述方法较普通群智能方法和经典优化方法具有更高的反演精度和鲁棒性,有效地取得了精度更高的反演结果。依据优化理论提出了最大跨步电势和最大接触电势计算模型,并使用人工蜂群算法识别最大跨步电势和最大接触电势发生的精确位置和大小,克服了观测面等距离采样识别方法的局限性,提高了识别精度。运用本文方法和我国接地国家标准算例作对比,本文方法可以取得变电站跨步电势和接触电势的超标区域,计算结果可以为铺设高阻层提供参考。基于识别最大接触电势的人工蜂群算法,本文引入单纯形法进行接地网导体优化布置的研究工作,并与接地网导体优化布置的己有成果作对比分析。优化布置的具体形式受土壤参数、电流注入点等因素影响。优化布置后,最大接触电势发生的位置从接地网边角处转移到接地网中心区域,大大增大了变电站内人员因为最大接触电势触电的危险。另外,优化布置没有考虑电气设备的具体位置,可能会导致电气设备不能就近接地,严重影响电气设备的安全运行,对引下线的导通特性、耐腐蚀、热稳定和机械性能方面的要求更高。优化布置方案虽然可以降低最大接触电势,但存在较大的局限性,在入地电流较大的情况下会使接触电势超标区域面积大大增加,增加了变电站内人员触电的风险,也增加了铺设高阻层的成本,所以接地网的最优压缩比布置方案不具有实用性。通过构造接地网导体随机腐蚀的统计过程,把接地网腐蚀影响导体的等效半径这一不确定现象作为随机性质的问题。选取接地阻抗、导通电阻和地表电位分布作为统计量进行接地网腐蚀问题的蒙特卡洛仿真,求取地网腐蚀时的接地电阻、导通电阻和地表电位分布。通过腐蚀前后的对比来判断诊断物理量的有效性和灵敏度,对现场测量提出有应用价值的建议和参考。接地阻抗反映接地网腐蚀的灵敏度最低；地表电位可以反映接地导体完全腐蚀的情况但容易受现场因素影响,不具备操作性；导通电阻是目前测量受干扰较少的方法,但只有靠近测点的局部严重腐蚀方可引起足够明显的导通电阻变化,导通电阻不能反映远离测点的腐蚀且受地上导通网络影响较明显。提出了导通电阻在线测量系统的构思,通过在接地网建成后建立的导通电阻在线监测系统,积累接地网导通电阻随接地网投运的变化数据,这样可以总结接地网导体受腐蚀影响的规律,及时对接地网腐蚀状态作出反映。
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【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM862

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