一种油田罐区接地网故障检测装置的制作方法
本发明涉及电力系统安全诊断装置技术领域，特别涉及一种油田罐区接地网故障检测装置。
背景技术：
油田罐区接地网是泄放雷电流的主要通道，是保障油田罐区防雷安全的基本措施。若接地网发生较为严重锈蚀断裂，接地电阻升高，地电位分布不均，将明显降低雷电流或雷电静电感应电荷泄放入地速度，在储罐各金属附件间产生火花放电或者高电位反击，引燃引爆油气，造成重大安全事故和损失。目前针对接地网故障检测的方法主要分为开挖检测与不开挖检测两种，其中油田罐区接地网故障检测采用的方法通常为破土开挖，该方法无法准确判断地网状况，在发现地网接地电阻不合格或发生地网引起的事故后，通过大面积开挖查找接地网导体断点和腐蚀段的方法带有盲目性、工作量极大，还影响电力系统的安全运行。此外，对于不开挖的检测法中一般是采用电阻测量装置直接测量电阻段两端的电阻，但是该电阻值并不是该段电阻的真实值，产生了较大误差。由于在户外长时间工作，测量装置内部没有电池供电，接地网周围有电磁干扰，不能直接使用接地网周围的插座，需要增加额外的独立电源供电。与此同时，当使用测量装置对油田罐区接地网进行故障检测时，测量端口与接地引下线的接触电阻会极大地影响支路电阻逆运算的结果，因此如何减小或消除接触电阻的影响也是油田罐区接地网故障不开挖检测中亟待解决的问题。
现有的变电站接地网端口电阻测量仪器中，通常是直接测量以后与理论值进行对比，该测量方法得到的测量值只是估计值，并且在测量中，测量端口通常相隔较远，因此对测量导线的长度要求很高，现场布线冗长，耗费时间，且其中的接触电阻无法消除。并且测量仪器测得的数据不能直接传输到数据处理终端，要先手动记录数据，再依次输入到终端中，其过程繁琐且容易出错。此时，若将该方法运用于油田罐区接地网腐蚀检测，会带来以下的诸多问题：
①一次输入直接将耗费大量时间。并且在输入的过程繁杂，输入导致的错误将无法得到正确的诊断结果。
②测试线的长度通常是10-20米，与接地引下线的长度相当，导致测试引线自身电阻对检测结果的误差也非常大，增加了结果的不准确性。
③由于接触电阻通常数十毫欧，而油田罐区接地网通常不大，端口电阻亦数十毫欧，因此带来的误差影响很大，导致支路电阻逆运算的结果远大于实际值。
如何解决上述技术问题为本发明面临的课题。
技术实现要素：
为了能够解决上述现有技术中的问题，本发明提供了一种便携式，能够满足不开挖检测，精度高，测量便捷快速、数据传输及处理快，可广泛应用于各类简单拓扑结构的接地网腐蚀故障检测，特别适用于大型油田罐区接地网的腐蚀故障测量的油田罐区接地网故障检测装置。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种油田罐区接地网故障检测装置，包括测量模块、数据处理单元、人机交互模块和供电单元；其中，所述数据处理单元：用于接收人机交互单元的输入信息、用于接收测量单元的测量信息、用于将测量单元的测量信息转换为测量结果、用于将测量结果输出至人机交互模块、用于利用接收到的输入信息及测量信息计算出腐蚀故障结果、以及用于将计算的腐蚀故障结果输出至人机交互模块；
所述人机交互模块：包括用于显示测量结果的第一人机交互单元，以及用于输入信息和用于显示计算的腐蚀故障结果的第二人机交互单元。
进一步的，所述数据处理单元中计算腐蚀故障结果的方法具体为：
首先，利用特勒根定理及电路原理建立接地网导体腐蚀前后的数学方程；
其次，将所述接触电阻的数值作为误差修正，建立接触电阻误差修正方程：
其中，δrij为ij的端口电阻相对于正常情况下的变化值，
最后，利用非负最小二乘法进行数值迭代计算，得到最终的计算结果，即实际电阻与未腐蚀时的电阻的倍数关系，同时以直观显示图的方式显示，即诊断示意图。
进一步的，所述测量模块包括两组输入单元，分别为电压输入单元和电流输入单元；所述测量模块的测量信息经所述数据处理单元转换后的测量结果为电阻值。所述测量模块采用高精度的直流电桥测量数据，采用软件滤波对测量信号进行处理计算；采用宽频带插值算法滤除随机干扰引起的测量失真。
进一步的，每一组所述输入单元设置为分别可拆卸设有引线的两个测量极，其中一组所述输入单元的两个所述测量极为电流极，另一组所述输入单元的两个所述测量极为电压极。
进一步的，所述第一人机交互单元设置为数码显示管，用于显示测量电阻值，便于操作人员直观地判断测量是否完成，进而进行下一步的操作。
进一步的，所述第二人机交互单元设置为触摸显示屏。
再进一步的，所述供电单元包括锂电池，输入端与所述锂电池的输出端相互电连接，输出端分别为所述测量模块、所述数据处理单元以及所述人机交互模块供电的逆变器，以及控制所述锂电池的开关键。所述逆变器为现有技术，可以将直流电转变成220v工频交流电对装置供电，在此不再赘述。
更进一步的，内置所述数据处理单元的单片机的操作系统设置为windows操作系统，或者其它既可以运行matlab，且可以同时处理所述检测模块数据的操作系统。
利用所述的油田罐区接地网故障检测装置进行的油田罐区接地网腐蚀故障的检测方法，包括以下步骤：
步骤s1：根据罐区接地网的施工图绘制拓扑结构图，其中，所述拓扑结构图是以接地网引下线作为节点，两相连接的节点连线作为支路，最终形成由若干圆以及相邻两圆之间连线构成的拓扑结构图；
步骤s2：结合所述拓扑结构图，对罐区接地网进行节点编号和支路编号；
步骤s3：依据所述节点编号和支路编号，生成关联节点矩阵；
步骤s4：依据拓扑结构图，利用辅助导线电连接两个节点间的支路；然后，依次测量各支路对应辅助导线的电阻，各辅助导线与接地网引下线端口的接触电阻，以及测量相邻节点间的端口电阻；
步骤s5：腐蚀故障检测程序利用测量的所述辅助导线的电阻、所述接触电阻以及所述端口电阻计算得出实际电阻与未腐蚀时的电阻的倍数关系；
步骤s6：得到腐蚀检测结果；在所述腐蚀故障检测程序的所述诊断示意图中，腐蚀程度从无腐蚀、轻微腐蚀、中等腐蚀到严重腐蚀的环段颜色分别为蓝色、黄色、橙色和红色。
进一步的，所述步骤s3至s6中采用所述检测装置；所述检测装置的形状设置为长方体，外表面分别设置所述触摸显示屏、所述数码显示管、四个所述测量极和所述开关键，内部容纳所述锂电池、所述逆变器、所述单片机和若干条连接数据线；所述逆变器为tdk逆变器，其型号为：xad001sr-3，所述单片机为51单片机，其型号为：at89s51。
所述单片机上设有若干个数据接口，优选的，数据接口设置为usb接口，其数量设置为两个，其中一个所述数据接口通过usb转rs232串口数据线与所述测量模块之间相互传输数据，另一个所述数据接口用于接其他设备(比如可以对腐蚀故障检测程序的bug进行修改的设备等)。
本发明的具体特点还有，所述油田罐区接地网故障检测装置的外观尺寸规格分别设置为：400mm-450mm，宽300mm-380mm，高150mm-200mm，所述触摸显示屏、所述数码显示管、四个所述测量极和所述开关键均设置在装置的顶面上；
所述触摸显示屏与设备左边界距离15mm-18mm，距离上边界30mm-40mm；
所述数码显示管距离显示屏15mm-24mm，距离右侧45mm-50mm，距离上边界120mm-130mm；
所述开关键距离左侧数码显示管10mm-20mm，距离上侧70mm-80mm；
四个所述测量极位于距离右侧18mm-21mm，距离上侧50mm-60mm；
四个所述测量极的排列平行于右边界，四端相邻间距8mm-12mm。
本发明的具体特点还有，所述单片机的外观尺寸规格设置为：长为292-295mm，宽为200-208mm，高为4-15mm；
所述供电模块设置在所述油田罐区接地网故障检测装置内紧贴下方内壁，所述锂电池的外观尺寸规格设置为长205mm-215mm，宽115mm-125mm，高10mm-20mm，电源输出范围设置为10v-20v，容量设置为20000mah-180000mah；
所述锂电池设置在装置内右下方，所述逆变器设置在装置内左下方距离左侧壁50mm-60mm处；
锂电池的所述充电孔距离右侧边界100mm-110mm，距离下侧边界5mm-7mm。
本发明实际使用时：具体的操作步骤如下：
步骤一：装置连接：安装油田罐区接地网故障检测装置，打开开关键，在接通电源30分钟以后可以开始进行测量。将引线连接在装置的测量极上(两个电压极u1,u2和两个电流极i1,i2，电压极与电压极以及电流极和电流极分别不能短路)。
步骤二：初始化：启动腐蚀故障检测程序，在数据处理终端调节数据传输波特率为4800bps。对设备进行零点校准，在触摸显示屏上首先按下“m”键，校准时先按下相应量程开关，再按下面板“c”下方“0”键，调节前面板“z”电位器，使数字显示为0。校准完毕，将开关复位。
步骤三：参数设置：在腐蚀故障检测程序中设置接地网的参数，包括接地网环形数量，接地线数量，地网面积以及拓扑结构。设置完成以后，根据油田罐区接地网的实际情况将地网的模型对已经建立的模型进行修改，得到实际的地网模型。将地网的理论电阻率和长度输入到腐蚀故障检测程序的相应模块位置，将辅助导线的电阻和接触电阻输入到腐蚀故障检测程序的修正模块中。
步骤四：数据的测量与传输：选择合适的量程以后，在与该地网段对应的显示屏上点击的所测量环段，弹出测试属性窗口，在其中选择合适的测试端口，地网测试线的u1端和i1端同时接在被测环段的一端，u2端和i2端同时接在被测环段的另一端。待读数稳定以后，在该属性界面点击“获取测量电阻”，测量得到的电阻值将在3～10秒传输并显示在“测量电阻”项中，点击“保存”按钮。重复该操作，直到所有地网段测量完毕。
步骤五：数据处理与诊断结果显示：在诊断程序界面点击“计算”按钮，在诊断示意图中显示诊断结果。在诊断示意图中，腐蚀程度从无腐蚀、轻微腐蚀、中等腐蚀到严重腐蚀的环段颜色分别为蓝色、黄色、橙色和红色。在诊断示意柱状图中会显示地网中各个环段的实际电阻与未腐蚀时的电阻的倍数关系。完成对油田罐区接地网腐蚀故障的不开挖检测。
本发明的有益效果是：本发明采用上述技术方案后，主要具有如下优点：
(1)使用范围广。能对各种类型接地网腐蚀故障进行测量和诊断。本发明可实现在不开挖接地网的情况下对接地网腐蚀故障的精确测量，显著降低测量难度和测量时间，突破了传统接地网腐蚀实验只能采用挖掘的办法观察腐蚀故障的限制，解决了现在工程上难以简单快速测量接地网腐蚀故障的技术难题。
(2)诊断结果准确。摒弃了传统的挖掘观测确定地网腐蚀故障的方式，显著降低通过观测引起的诊断结果的不准确性，给出了准确的测量数据和诊断结果，解决了大型接地网腐蚀故障中难以获取接地网准确腐蚀故障的工程技术难题。
(3)测量设备轻便。设备总重量4-10kg，可以节约大量的人力资源，且子设备之间连线和操作员简便，降低了设备使用和操作的复杂程度。
(4)续航能力强，采用大容量锂电池供电，设备的功耗是为10-18w，充满电一次可以使用60-100h，可以在户外无外部电源供电的情况下长时间工作。
(5)降低测量成本。本发明装置结构设计合理、同传统设备相比成本低廉；并能节约大量的人力、物力、财力，能显著提高工作效率，便于推广应用。
本发明可广泛应用于各种接地网腐蚀故障的常规测量工作，特别适用于大型接地网及因地理环境影响而难以进行挖掘测量的情况。
附图说明
图1为本发明使用状态示意图。
图2为本发明中仪器面板的结构示意图。
图3为本发明中仪器内部接线结构示意图。
图4为本发明检测原理示意图。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，对本方案进行阐述。
参见图1至图4，本发明实施例提供了一种油田罐区接地网故障检测装置，包括测量模块、数据处理单元、人机交互模块和供电单元；其中，数据处理单元：用于接收人机交互单元的输入信息、用于接收测量单元的测量信息、用于将测量单元的测量信息转换为测量结果、用于将测量结果输出至人机交互模块、用于利用接收到的输入信息及测量信息计算出腐蚀故障结果、以及用于将计算的腐蚀故障结果输出至人机交互模块；
人机交互模块：包括用于显示测量结果的第一人机交互单元，以及用于输入信息和用于显示计算的腐蚀故障结果的第二人机交互单元。
进一步的，数据处理单元中计算腐蚀故障结果的方法具体为：
首先，利用特勒根定理及电路原理建立接地网导体腐蚀前后的数学方程；
其次，将接触电阻的数值作为误差修正，建立接触电阻误差修正方程：
其中，δrij为ij的端口电阻相对于正常情况下的变化值，
最后，利用非负最小二乘法进行数值迭代计算，得到最终的计算结果，即实际电阻与未腐蚀时的电阻的倍数关系，同时以直观显示图的方式显示，即诊断示意图。
进一步的，测量模块包括两组输入单元，分别为电压输入单元和电流输入单元；测量模块的测量信息经数据处理单元转换后的测量结果为电阻值。测量模块采用高精度的直流电桥测量数据，采用软件滤波对测量信号进行处理计算；采用宽频带插值算法滤除随机干扰引起的测量失真。
进一步的，每一组输入单元设置为分别可拆卸设有引线的两个测量极，其中一组输入单元的两个测量极为电流极，另一组输入单元的两个测量极为电压极。
进一步的，第一人机交互单元设置为数码显示管，用于显示测量电阻值。
进一步的，第二人机交互单元设置为触摸显示屏。
再进一步的，供电单元包括锂电池，输入端与锂电池的输出端相互电连接，输出端分别为测量模块、数据处理单元以及人机交互模块供电的逆变器，以及控制锂电池的开关键。逆变器为现有技术，可以将直流电转变成220v工频交流电对装置供电，在此不再赘述。
更进一步的，内置数据处理单元的单片机的操作系统设置为windows操作系统，或者其它既可以运行matlab，且可以同时处理检测模块数据的操作系统。
利用的油田罐区接地网故障检测装置进行的油田罐区接地网腐蚀故障的检测方法，包括以下步骤：
步骤s1：根据罐区接地网的施工图绘制拓扑结构图，其中，拓扑结构图是以接地网引下线作为节点，两相连接的节点连线作为支路，最终形成由若干圆以及相邻两圆之间连线构成的拓扑结构图；
步骤s2：结合拓扑结构图，对罐区接地网进行节点编号和支路编号；
步骤s3：依据节点编号和支路编号，生成关联节点矩阵；
步骤s4：依据拓扑结构图，利用辅助导线电连接两个节点间的支路；然后，依次测量各支路对应辅助导线的电阻，各辅助导线与接地网引下线端口的接触电阻，以及测量相邻节点间的端口电阻；
步骤s5：腐蚀故障检测程序利用测量的辅助导线的电阻、接触电阻以及端口电阻计算得出实际电阻与未腐蚀时的电阻的倍数关系；
步骤s6：得到腐蚀检测结果；在腐蚀故障检测程序的诊断示意图中，腐蚀程度从无腐蚀、轻微腐蚀、中等腐蚀到严重腐蚀的环段颜色分别为蓝色、黄色、橙色和红色。
进一步的，步骤s3至s6中采用检测装置；检测装置的形状设置为长方体，外表面分别设置触摸显示屏、数码显示管、四个测量极和开关键，内部容纳锂电池、逆变器、单片机和若干条连接数据线；
数据处理单元上设有若干个数据接口，优选的，数据接口设置为usb接口，其数量设置为两个，其中一个数据接口通过usb转rs232串口数据线与测量模块之间相互传输数据，另一个数据接口用于接其他设备(比如可以对腐蚀故障检测程序的bug进行修改的设备等)。
本发明的具体特点还有，油田罐区接地网故障检测装置的外观尺寸规格分别设置为：400mm-450mm，宽300mm-380mm，高150mm-200mm，触摸显示屏、数码显示管、四个测量极和开关键均设置在装置的顶面上；
触摸显示屏与设备左边界距离15mm-18mm，距离上边界30mm-40mm；
数码显示管距离显示屏15mm-24mm，距离右侧45mm-50mm，距离上边界120mm-130mm；
开关键距离左侧数码显示管10mm-20mm，距离上侧70mm-80mm；
四个测量极位于距离右侧18mm-21mm，距离上侧50mm-60mm；
四个测量极的排列平行于右边界，四端相邻间距8mm-12mm。
本发明的具体特点还有，单片机的外观尺寸规格设置为：长为292-295mm，宽为200-208mm，高为4-15mm；
供电模块设置在油田罐区接地网故障检测装置内紧贴下方内壁，锂电池的外观尺寸规格设置为长205mm-215mm，宽115mm-125mm，高10mm-20mm，电源输出范围设置为10v-20v，容量设置为20000mah-180000mah；
锂电池设置在装置内右下方，逆变器设置在装置内左下方距离左侧壁50mm-60mm处；
锂电池的充电孔距离右侧边界100mm-110mm，距离下侧边界5mm-7mm。
本发明实际使用时：具体的操作步骤如下：
步骤一：装置连接：安装油田罐区接地网故障检测装置，打开开关键，在接通电源30分钟以后可以开始进行测量。将引线连接在装置的测量极上(两个电压极u1,u2和两个电流极i1,i2，电压极与电压极以及电流极和电流极分别不能短路)。
步骤二：初始化：启动腐蚀故障检测程序，在数据处理终端调节数据传输波特率为4800bps。对设备进行零点校准，在触摸显示屏上首先按下“m”键，校准时先按下相应量程开关，再按下面板“c”下方“0”键，调节前面板“z”电位器，使数字显示为0。校准完毕，将开关复位。
步骤三：参数设置：在腐蚀故障检测程序中设置接地网的参数，包括接地网环形数量，接地线数量，地网面积以及拓扑结构。设置完成以后，根据油田罐区接地网的实际情况将地网的模型对已经建立的模型进行修改，得到实际的地网模型。将地网的理论电阻率和长度输入到腐蚀故障检测程序的相应模块位置，将辅助导线的电阻和接触电阻输入到腐蚀故障检测程序的修正模块中。
步骤四：数据的测量与传输：选择合适的量程以后，在与该地网段对应的显示屏上点击的所测量环段，弹出测试属性窗口，在其中选择合适的测试端口，地网测试线的u1端和i1端同时接在被测环段的一端，u2端和i2端同时接在被测环段的另一端。待读数稳定以后，在该属性界面点击“获取测量电阻”，测量得到的电阻值将在3～10秒传输并显示在“测量电阻”项中，点击“保存”按钮。重复该操作，直到所有地网段测量完毕。
步骤五：数据处理与诊断结果显示：在诊断程序界面点击“计算”按钮，在诊断示意图中显示诊断结果。在诊断示意图中，腐蚀程度从无腐蚀、轻微腐蚀、中等腐蚀到严重腐蚀的环段颜色分别为蓝色、黄色、橙色和红色。在诊断示意柱状图中会显示地网中各个环段的实际电阻与未腐蚀时的电阻的倍数关系。完成对油田罐区接地网腐蚀故障的不开挖检测。
实验例：
步骤s1：根据罐区接地网的施工图绘制拓扑结构图，其中，拓扑结构图是以接地网引下线作为节点，两相连接的节点连线作为支路，最终形成由若干圆以及相邻两圆之间连线构成的拓扑结构图；
步骤s2：结合拓扑结构图，利用对罐区接地网支路与节点进行编号的方法进行节点编号1、2、3、4和支路编号1、2、3、4；
步骤s3：依据节点编号和支路编号，生成关联节点矩阵；
步骤s4：依据拓扑结构图，利用两个10m左右长的辅助导线电连接两个节点间的支路；然后，利用数字直流电桥测量辅助导线1的电阻，阻值一共36.52mω，利用接触电阻标准化测量方法测量各辅助导线与接地网引下线端口的接触电阻的数值各十组，其算数平均值为3.56mω，以及测量相邻节点间的端口电阻；
步骤s5：腐蚀故障检测程序利用测量的辅助导线的电阻、接触电阻以及端口电阻计算得出实际电阻与未腐蚀时的电阻的倍数关系，其中，支路编号为1、2、3的端口电阻增大倍数为0.12、0.33、0.04，支路编号为4的端口电阻增大倍数为1.87；
步骤s6：得到腐蚀检测结果；在腐蚀故障检测程序的直观显示图，即诊断示意图中，支路编号为1、2、3的环段颜色为蓝色，支路编号为4的环段颜色为橙色。
此外，对支路编号为4的接地网导体进行开挖，观察发现支路编号为1、2、3的接地网导体几乎无腐蚀，支路编号为4的接地网导体明显受到腐蚀，从而验证了检测程序的准确性。
对胜利油田数十个接地网，均采用了本发明的检测方法进行腐蚀检测，并通过开挖方式验证，准确率为95％。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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