一种适用于油田罐区接地网的不开挖检测方法与流程

本发明涉及电力系统安全诊断技术领域，特别涉及一种适用于油田罐区接地网的不开挖检测方法。

背景技术：

罐区接地网是泄放雷电流的主要通道，是保障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。目前针对接地网腐蚀故障检测的方法主要分为开挖检测与不开挖检测两种，其中罐区接地网腐蚀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，目前接地网腐蚀故障不开挖检测法通常运用在变电站接地网，而腐蚀故障参数识别法是不开挖检测法中运用较多的一种，该方法是通过测量端口电阻进行支路电阻的逆运算得到支路电阻的变化值。当运用腐蚀故障参数识别法对罐区接地网进行不开挖检测时，首先需要根据地网的实际结构构建相应的拓扑结构，并对拓扑结构进行节点和支路的编号，获得接地网的关联节点矩阵等参数，而节点与支路的编号规则对于支路的逆运算的精度存在一定的影响，目前并没有系统的针对罐区接地网的拓扑结构的节点与支路的编号规则。此外由于支路与可及节点的约束条件少，传统的变电站接地网端口电阻测量方案已无法满足罐区接地网的端口测量要求。与此同时，当使用腐蚀故障参数识别法对罐区接地网进行腐蚀故障检测时，测量端口与接地网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罐区接地网腐蚀故障不开挖检测中亟待解决的问题。

现有的变电站接地网的拓扑结构通常为网状结构，节点编号规则通常是从左往右、从上往下依次增大的编号顺序，支路的编号规则有的是先编写横向支路编号，再编纵向支路编号，按照从左往右从上往下的顺序依次增大，而罐区接地网通常为环状接地网，导体并不按照横竖的规则排布，因此节点与支路的编号顺序并不能完全参考变电站接地网。而在端口电阻测量方案中，通常采用大跨距测量法、分块测量法等方法。大跨距测量法通常是选择跨距较大的两处可及节点作为测量端口，选择若干对大跨距端口进行端口电阻测量后，带入腐蚀检测运算程序中，再选择检测结果中电阻增大倍数最多的支路两端的节点作为下一次端口测量的节点，测量后带入腐蚀故障检测程序中，反复数次，直到腐蚀检测结果稳定。分块测量法是将接地网分为若干个区域，再在各个区域内运用大跨距测量法，带入腐蚀故障检测程序，最终得到稳定的腐蚀诊断结果。此时，若将以上方法运用于罐区接地网腐蚀检测，会带来以下的诸多问题：

1)无法对节点与支路进行编号，不能得到关联节点矩阵等参数，从而无法进行支路电阻的逆运算。

2)不能一次输入直接得到最终结果。每次的测量端口均选择上一次诊断结果电阻增大倍数最大的端口两端进行测量，因此需要反复进行测量→计算的步骤，十分耽误时间。

3)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。

4)由于接触电阻通常数十毫欧，而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，本发明提供了一种可以避免盲目开挖，节点与支路的编号方法简单且能提升诊断精度，减少检测耗时，缩短测量导线长度，减小接触电阻对支路电阻逆运算的误差影响，大大提升诊断精度的适用于油田罐区接地网的不开挖检测方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种适用于油田罐区接地网的不开挖检测方法，其中，所述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直观显示图，即诊断示意图中，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s2中，对所述罐区接地网支路与节点进行编号的方法包括以下步骤：

步骤s201：以拓扑结构图中最上侧最左端的圆为起始圆，按照从左往右、从上往下的顺序对其它圆进行排序；

步骤s202：任选起始圆的一节点作为起始点，记为节点1，再沿顺时针方向对起始圆的其它节点进行节点编号；同样，按照圆的排序依次对其它圆进行节点编号，以此类推，完成所有节点编号；其中，位于同一行的圆，是以与其左侧圆相连的节点作为该圆的起始节点进行节点编号，最左一列的圆是以与其上侧圆相连的节点作为该圆的起始节点进行节点编号；

步骤s203：将所述起始圆中沿顺时针方向以1号节点作为起点的支路，作为起始支路，记为支路1，再沿顺时针方向依次对起始圆其它支路进行支路编号；同样，按照圆的排序依次对其它圆进行支路编号，以此类推，完成所有圆的节点编号；然后按照从左往右、从上往下的顺序，对各圆之间的支路进行支路编号，最终完成所有支路编号；其中，每个圆的最小支路编号均与沿顺时针方向以该圆最小节点编号作为起点的支路对应。

进一步的，所述步骤s3中，生成关联节点矩阵的方法包括以下步骤：

步骤s301：以支路编号为横向、节点编号为纵向构建矩阵，矩阵横向、纵向均从1开始依次增大；按照顺时针方向，若支路n流入节点m，则第n列、第m行的元素为-1，若支路n流出节点k，则第n列、第k行的元素为1，其余元素为零，生成初始关联节点矩阵；

步骤s302：选择最后一个节点编号的节点作为参考节点，将初始关联节点矩阵中参考节点对应的行删除，生成最终的所述关联节点矩阵。

进一步的，所述步骤s5和步骤s7中，所述腐蚀故障检测程序的计算方法具体为：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；

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，即所述诊断示意图。

腐蚀故障检测程序主要通过腐蚀故障参数识别法，将罐区接地网导体视为纯电阻网络，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，利用最小二乘法进行数值迭代运算，从而求得支路电阻的增大倍数。埋在地下的接地网的水平均压导体彼此相连构成电路网络，忽略土壤因素的影响，可以将接地网看成纯电阻性网络。在罐区接地网建设完成后，由于其各段导体的长度、截面积、及材料的电阻率等参数已经确定，由欧姆定律即可得出每段导体相应的电阻值，该值在忽略周围环境温度变化的情况下应该为恒定值，此值称为设计值或者标称值；当接地网中某段导体出现断裂或者腐蚀情况时，其导电性能将降低，导致电阻增大，此值称为实际值。罐区的储油罐都有和地网相连接的接地网引下线，接地网引下线所对应的节点即为可及节点，采用数字直流电桥可测节点间的端口电阻，并应用适当的计算方法，从而求出地网各段导体的实际电阻值，并与设计值进行比较，得到支路电阻的增大倍数，由此可以判断地网导体是否存在腐蚀以及它们的腐蚀位置和被腐蚀的严重程度。如果地网某处导体的电阻值明显高于正常值，则说明该处导体发生了断裂或者腐蚀。

对于一个具有n+1个节点、b条支路的电路，利用特勒根定理的两种表达形式，即：

其中，uk代表支路k的电压，ik代表支路k的电流，ukik代表支路k的电功率。n和n′为具有相同拓扑结构的电路，且对应的支路和节点取相同的编号，对应支路的参考方向相同，i′k、u′k分别为电网络n′的支路电流和支路电压，ik、uk分别为电网络n的支路电流和支路电压。

利用(1)～(3)式通过电路原理进行推导，可得到以下的支路电阻的变化量与端口电阻变化量的关系式

其中δrij为ij的端口电阻相对于正常情况下的变化值，δrk为支路k的电阻相对于正常情况的变化值，ik为腐蚀故障前支路k的电流，ik′为腐蚀故障后支路k的电流，i0为ij端口间施加的电流大小。通过式(4)可以发现，支路的电阻的变量个数为b，为了提升迭代计算收敛的精度，需要测量较多端口电阻的数值以增加方程的个数。考虑到罐区接地网通常为环状接地网，一个节点通常只与两条支路直接相连，支路与节点的约束条件较少，因此需要对测量端口进行合理选择，经过大量的现场试验与模拟试验，总结了相邻节点测量方案，该方法需测量所有相邻的节点之间的端口电阻，从而增加了方程的个数，提高了迭代计算的精度。得到(5)式的端口电阻与支路电阻的关系方程：

此外，根据前面得到的接触电阻的标准化测量方案得到接触电阻的算数平均值将该数值作为误差修正加入到(5)式中，得到(6)式的接触电阻误差修正方程：

其中，m是测量的端口个数，ik可以由rk得到。而i′k由r′k决定，但r′k未知，所以此时方程仍不能解出。为解决问题，引入非负最小二乘法的迭代方法。如(7)式所示：

首先，令i′k(0)＝ik，方程组变成线性方程组，但m＜b方程组欠定，利用(7)式的非负最小二乘法优化算法求出δrk(0)和r′k(0)，接着用r′k(0)计算出i′k(1)；然后用i′k(1)计算r′k(1)。重复上面的计算，直到求出的电阻增量满足要求，得到最后的计算结果。

进一步的，由于数字直流电桥的导线通常较短，而罐区接地网的端口距离通常达十米以上，因此需要辅助导线与数字直流电桥相连以延长测量半径。由于数字直流电桥采用四线法测量电阻，可有效消除接触电阻的影响，因此接触电阻的影响仅存在与辅助导线与引下线端口之间。所述步骤s4中，测量所述辅助导线与所述接地网引下线端口的所述接触电阻的方法包括以下步骤：

步骤401：首先将测量端口的所述接地网引下线的外表用磨具进行光滑处理，直到涂层完全去除；

步骤402：用旋转式钢板钳分别夹住辅助导线与所述接地网引下线的光滑部分，转动所述旋转式钢板钳，当所述接地网引下线与所述辅助导线刚好接触的时候，再继续旋转一圈半，保证旋转式钢板钳能够将所述辅助导线和所述接地网引下线完全夹紧；

步骤403：用直流电桥测量所述辅助导线靠近连接处位置与所述接地网引下线靠近连接处位置两点间的电阻，该数值即为旋转式钢板钳连接下的辅助导线与引下线导体之间的接触电阻值；

步骤404：重复步骤一至步骤三若干次，取其算数平均值，该数值即为所述接触电阻。

以上为接触电阻标准化测量步骤，利用接触电阻标准化测量步骤，测量某一连接工具下的接触电阻，将接触电阻的数值输入到腐蚀故障检测程序的调零补偿模块。

进一步的，所述步骤402中，所述旋转式钢板钳夹住所述接地网引下线的位置设置在距离所述接地网引下线端口边缘1cm-5cm处，既可以方便旋紧导体，也可以方便接地网引下线的打磨处理过程。

再进一步的，所述步骤4中，测量所有相邻节点间的所述端口电阻，在测量相邻节点间的所述端口电阻时，将与所述参考节点分别相邻的两个节点作为相邻节点，从而增加了方程的个数，提高了迭代计算的精度。

更进一步的，所述辅助导线的数量设置为两个，每一个所述辅助导线的长度设置为10m-15m，考虑到罐区接地网不大，且测量端口为相邻节点，而相邻节点的距离通常在10m左右，因此辅助导线的长度设置为10m-15m，既可以满足相邻节点的测量距离要求，同时也不至于过长，造成导线布置的繁琐。

本发明的有益效果是：1)本发明的测量方法可以有效实现罐区接地网腐蚀故障的不开挖检测，避免盲目开挖，减少人力物力财力；2)节点与支路的编号方法简单，适用于罐区环状接地网，且能提升罐区接地网的腐蚀故障诊断的精度；3)有效减少腐蚀故障检测总耗时，一次测量一次计算即可，无需重复测量重复计算，大大减小测量耗时；4)缩短端口电阻测量导线的长度，减少布线工作量，节约测量耗时；5)减小接触电阻对支路电阻逆运算的误差影响，大大提升诊断精度。

附图说明

图1为本发明中检测方法的流程图。

图2为本发明中油田罐区接地网拓扑结构的支路与节点的编号方法示意图。

图3为图2对应的关联节点矩阵图。

图4为本发明中端口电阻检测布置示意图。

图5为本发明检测方法的原理图。

其中，附图标记为：1、辅助导线；2、旋转式钢板钳；3、接地网引下线。

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5，本发明实施例提供了提供了一种适用于油田罐区接地网的不开挖检测方法，其中，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直观显示图，即诊断示意图中，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s2中，对罐区接地网支路与节点进行编号的方法包括以下步骤：

步骤s201：以拓扑结构图中最上侧最左端的圆为起始圆，按照从左往右、从上往下的顺序对其它圆进行排序；

步骤s202：任选起始圆的一节点作为起始点，记为节点1，再沿顺时针方向对起始圆的其它节点进行节点编号；同样，按照圆的排序依次对其它圆进行节点编号，以此类推，完成所有节点编号；其中，位于同一行的圆，是以与其左侧圆相连的节点作为该圆的起始节点进行节点编号，最左一列的圆是以与其上侧圆相连的节点作为该圆的起始节点进行节点编号；

步骤s203：将起始圆中沿顺时针方向以1号节点作为起点的支路，作为起始支路，记为支路1，再沿顺时针方向依次对起始圆其它支路进行支路编号；同样，按照圆的排序依次对其它圆进行支路编号，以此类推，完成所有圆的节点编号；然后按照从左往右、从上往下的顺序，对各圆之间的支路进行支路编号，最终完成所有支路编号；其中，每个圆的最小支路编号均与沿顺时针方向以该圆最小节点编号作为起点的支路对应。

进一步的，步骤s3中，生成关联节点矩阵的方法包括以下步骤：

步骤s301：以支路编号为横向、节点编号为纵向构建矩阵，矩阵横向、纵向均从1开始依次增大；按照顺时针方向，若支路n流入节点m，则第n列、第m行的元素为-1，若支路n流出节点k，则第n列、第k行的元素为1，其余元素为零，生成初始关联节点矩阵；

步骤s302：选择最后一个节点编号的节点作为参考节点，将初始关联节点矩阵中参考节点对应的行删除，生成最终的关联节点矩阵。

进一步的，步骤s5和步骤s7中，腐蚀故障检测程序的计算方法具体为：

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，为接触电阻值，δrk为支路k的电阻相对于正常情况的变化值，ik为腐蚀故障前支路k的电流，ik′为腐蚀故障后支路k的电流，i0为ij端口间施加的电流大小；

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，步骤s4中，测量辅助导线1与接地网引下线3端口的接触电阻的方法包括以下步骤：

步骤s401：首先将测量端口的接地网引下线3的外表用磨具进行光滑处理，直到涂层完全去除；

步骤s402：用旋转式钢板钳2分别夹住辅助导线1与接地网引下线3的光滑部分，转动旋转式钢板钳2，当接地网引下线3与辅助导线1刚好接触的时候，再继续旋转一圈半，保证旋转式钢板钳能够将辅助导线1和接地网引下线3完全夹紧；

步骤s403：用直流电桥测量辅助导线1靠近连接处位置与接地网引下线3靠近连接处位置两点间的电阻，该数值即为旋转式钢板钳连接下的辅助导线与引下线导体之间的接触电阻值；

步骤s404：重复步骤一至步骤三若干次，优选的，重复步骤一至步骤三共十次，即得到十组接触电阻的测量值，取其算数平均值，该数值即为通过标准化测量步骤得到的接触电阻值。

进一步的，步骤402中，旋转式钢板钳2夹住接地网引下线3的位置设置在距离接地网引下线3端口边缘1cm-5cm处，既可以方便旋紧导体，也可以方便接地网引下线的打磨处理过程。

再进一步的，步骤4中，测量所有相邻节点间的端口电阻，从而增加了方程的个数，提高了迭代计算的精度，在测量相邻节点间的端口电阻时，将与参考节点分别相邻的两个节点作为相邻节点。

更进一步的，辅助导线1的数量设置为两个，每一个辅助导线1的长度设置为10m-15m，考虑到罐区接地网不大，且测量端口为相邻节点，而相邻节点的距离通常在10m左右，因此辅助导线的长度设置为10m-15m，既可以满足相邻节点的测量距离要求，同时也不至于过长，造成导线布置的繁琐。

实验例1：

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。

实验例2：

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33.48mω，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3.18mω，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0.22、0.30、0.14，支路编号为4的端口电阻增大倍数为2.17；

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。