用异频法测量地网参数

发布于：2007/5/23 8:49:35 | 2797 次阅读

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　　摘　要：8000(S)型地网参数测量成套装置在异频下测量发电厂、变电站地网工频接地参数，能够有效地消除工频和高频干扰。通过测量地表电位分布，可准确地发现地网存在的缺陷。在与工频f₀对称的两个频率f₀－△f和f₀＋△f下分别测量阻抗值，取其平均值为在工频f₀下的接地阻抗，理论分析表明误差很小。在实测时发现存在避雷线分流很大的现象，此时地表电势分布被大大改变，测量回路(电压极和电流极)、架空线路与地网的相对位置对测量结果影响很大，该问题有待于进一步深入研究。
　　关键词：发电厂；变电站；接地阻抗；参数；测量

　　发电厂、变电站的地网对电力系统的安全、稳定运行有着极为重要的作用。系统发生短路故障时，强大的短路电流流经地网使得地网电位升高。如地网接地阻抗较大，地电位升高可能危及设备和人身安全。中国曾发生多起因地网接地阻抗不合格而导致的事故。1986年湖北某变电站发生短路故障［1］，由于接地阻抗高达1.5 Ω，导致35 kV设备多处放电、燃烧，并发展为相间短路。同时高压窜入通讯系统和保护回路，造成110 kV主变烧毁以及其它大量设备损坏。为此，中国电力行业标准规定［2］，当短路电流大于4 000 A时地网接地阻抗应不大于0.5 Ω。因此准确测量地网的接地阻抗非常重要。

1接地阻抗测量影响因素和应对措施
　　影响接地阻抗测量结果的主要因素有6点：高频干扰、带电运行的线路、测量回路的互感、避雷线分流、地中零序电流以及地下导体。可采取简单措施减小地下导体的影响，即测量电极应尽量远离地下管道、河流等。
　　测量回路互感的影响可通过不平行布线，如三角形布置来消除。倘若因条件限制，测量线不得不平行布置时，可采用四极法［3～5］。以前曾使用功率表法来消除互感的影响［5］。事实上，由于地网存在电感，接地阻抗由电阻和电抗两部分组成 (但习惯上仍称之为接地电阻) ［6］。当地网接地阻抗大于1 Ω时，其中电抗可忽略［6］。而对于220 kV及以上电压等级的变电站，地网面积很大，其电抗不容忽视。如三峡地网接地阻抗为0.128 Ω，其中电阻为0.107 Ω，电抗为0.07 Ω［7］。因此用功率表法测量接地阻抗时，虽可消除互感影响，但同时也将地网电抗排除在外，使得测量结果偏小。
　　大地中可能存在较大的零序电流，它不仅流入测量电流回路，影响电流读数，还在电压回路形成压降，影响电压读数。如在测量某500 kV变电站接地阻抗时发现，干扰电流有时大于2 A，干扰电压有时大于3 V［8］。通常可用两种方法来减小地中零序电流的影响［4，6］，一是增大工频试验电流，二是采用倒相法。增大工频试验电流即为增大信噪比，中国电力行业标准中要求测试电流不小于30 A［4］。但即使将测试电流提高至50 A，在某些情况下电压仅有10 V［7］，与干扰电压处在同一数量级。更何况在有些情况下，如在戈壁地区，将测量电流升至1 A也很困难。而如采用倒相法，地中电流可能又不稳定，尤其在新建变电站中。文献［9］提出用双矢量法来消除地中电流的影响，但该方法没有考虑地网的电抗。
　　为了有效解决零序电流对接地阻抗测量的影响，美国国家标准ANSI/IEEE 81:1983中较早提出了异频法［10］，即注入电流的频率不同于电网频率。中国在2000年发行的新版国标中引用了该标准［6］。采用异频法，不仅解决了地中零序电流的干扰，而且高频干扰、带电运行线路的干扰也迎刃而解。另外，异频法还可在变电站不停电情况下使用。
　　新国标中提到了频率范围在50 Hz到100 Hz的仪器，但频率较大会导致两个问题。一是电流的集肤效应导致测量结果偏大，二是接地阻抗中电感分量可能起决定作用，与实际情况不符。因此，适合的测量电流频率为工频±10 Hz［5］，在中国即为40～60 Hz。该频率距工频太近，因此，要求电压和电流测量设备的通频带不仅可变，而且很窄，技术要求很高。直到20世纪90年代澳大利亚红相公司研制了8000(S)型地网参数测量成套装置，异频法才逐渐普及。

2异频法测量系统
　　使用8000(S)型设备测量接地阻抗，其接线原理如图1所示。



　　变频信号源4024B的输出功率为1 500 VA，满足工程需要。它输出信号的频率f与电网工频f₀的偏移量为△f。4024B输出的大功率信号进入变压器4023，该变压器二次具有多达8个抽头，以匹配不同的回路电阻，产生较大的测量电流。4023给电流回路注入电流I，在电压回路产生压降U，则接地阻抗为Z=U/I。电压U和电流I的测量均使用频率可调万用表4025B，该万用表具有优异的选频特性，在f±2 Hz时，噪声衰减42 d B；在f±3 Hz时，噪声衰减56 dB。可以看出，4025B可有效消除各种工频干扰和高频干扰。为了实现一表两用，方便电流和电压测量间的切换，电流I可通过罗哥夫斯基线圈测量。
　　在f₀±10 Hz频率范围内，接地阻抗中的电阻分量变化很小，而电抗与频率成正比例关系。设在f₀-△f和f₀+△f两个频率下测量的电阻值分别为R₁和R₂，电抗值为X₁和X₂，接地阻抗为Z₁和Z₂，则地网接地电阻为：
　　
　　在频率f₀下地网接地阻抗为：
　　
　　虽然式(1)和(2)形式相同，但含义不同。式(1)是同一个量两次测量的平均值，而式(2)的含义是线性插值。

3数据处理及误差分析
　　式(3)为理论上接地阻抗计算公式。实际上，使用8000(S)型设备测量地网接地参数时，在每个频率下测到的结果是接地阻抗，并不是电阻和电抗分量。在工频f₀下地网接地阻抗的近似计算公式为：
　　
　　尽管在形式上式(3)和(4)区别很大，但它们的计算结果相差甚微，以下进行详细分析。
　　地网电抗X与电流频率f的关系为：
　　
　　那么在频率f₀-△f和f₀+△f下，地网电抗分别为：
　　
　　将式(8)代入式(3)，得
　　
　　误差ε是k₁和k₂的函数。给定一个k₂值，可以绘制一条ε随k₁变化的曲线，图3为k₁和k₂在实际范围时的一簇曲线。从图中可以看出，随着k₁或k₂增加，式(4)的误差增加。但总体来看，式(4)的误差很小。例如，取测量频率偏差k₁=Δf/f0=0.2，即对50 Hz工频来说，测量的频率为40 Hz和60 Hz。当k₂=X₀/R₀=0.1时，即地网面积很小时，ε=0.020%；当k₂=0.7时，即地网面积很大时，ε=0.44%。因此，用在两个频率下阻抗的平均值近似地网的工频接地阻抗，误差很小。

4应用举例
　　8000(S)型成套装置可以测量接地阻抗、跨步电压、接触电压、地面电位分布等，该装置在中国已得到广泛应用。
　　表1中为实测所得武汉某大型500 kV变电站地网的接地阻抗［8］。该地网面积很大，接地阻抗较小。
　　图3(1)为500 kV大庆变电站地表电势分布。测量方法类似于测量跨步电势，不同之处是电极间距离为2 m。可以看出220 kV区在20～60 m范围内电位差大，起伏也大，说明此区域地网状况不良，可能的原因有地网腐蚀、焊接不良或土壤电阻率过高。35 kV区电位差小，分布平坦，比较理想。

　　为了进一步测试8000(S)型设备探测地网中导线断裂的能力，在60 kV南彰党变电站进行了对比试验。试验中有意切断一根导体，在此前后测量了地表电势分布，结果见图3(2)。如导体连接良好，沿着导体电势分布均匀、平滑。如导体断裂，电势出现跳变点，电势差约为300 V。
　　由此可见，通过异频法测量地表电势分布，8000(S)型设备能灵敏检测到地网腐蚀、焊接不良、导体断裂、土壤电阻率过高等缺陷。

5问题分析
　　在实测接地阻抗时须考虑避雷线的影响，测量避雷线分流也是异频法的优点之一，因为地中零序电流同样可以流经避雷线，倘若在工频下测量很难区分零序电流和测量电流。使用8000 (S)型设备中的频率可调万用表4025B和配套的罗哥夫斯基线圈，可以测得每条线路避雷线中流入的异频测量电流，将这些电流相加即得避雷线的总分流值。
　　一般认为避雷线分流不多，如无法断开避雷线与地网的连接，从总注入电流I中减去避雷线分流I_e可得地网散流I_g1，地网阻抗为Z=U/I_g1，其中U为电压回路压降。但在实际测量中发现避雷线分流比例可能很大，比以前认为的值要大得多。例如，在测量500 kV辽阳变电站接地阻抗时，大约70％的注入电流进入了避雷线。测量中使用频率45 H z，注入地网电流5 A，电压回路压降1.16 V。用频率可调万用表4025B和配套的罗哥夫斯基线圈测得220 kV和500 kV架构避雷线中的总电流为3.38 A，因此实际地网散流仅为1.62 A。较大的避雷线分流I_e大大影响地表电势分布，下面进行详细分析。
　　注入电流I先流入地网，然后分成两部分(如图4所示)。I_g1直接进入大地，I_e首先进入避雷线，经杆塔接地阻抗分流为I_g2、 I_g3……，再进入大地。每一个进入大地的电流都产生一个电势分布，图4中下为电势沿着线路方向分布，图中没有绘出从电流极返回电流产生的电势分布。图4中的曲线按一定比例绘制，具体见表2。
　　通常认为电流I的电势分布沿着离开地网的方向逐渐下降，如曲线1所示。但由于通过避雷线的电流I_e将经杆塔返回大地，实际电势分布如曲线6所示。因Ie经多个杆塔返回(理论上讲，沿线路每一个避雷线与杆塔直接连接处都有电流流入大地)，曲线6呈波浪型。在测量辽阳变电站接地阻抗时，I=3 I_g1，避雷线分流为地网散流的2倍，电势分布起伏更大。
　　在此情况下，测量回路(电压极和电流极)、架空线路与地网的相对位置对测量结果有重大影响。如它们位于地网的同侧，总注入电流I在电压回路压降为图中U₁；如它们位于地网的两侧，I在电压回路压降为U₂；如在其它位置，I在电压回路压降介于U₁和U₂之间。当避雷线分流较大时，U₁和U₂差别也大。



　　通过直接观察或理论计算，在图4中有U₂≈2U₁。电压回路还有地回路返回电流I产生的压降U₃，因此在上面两种电极布置情况下电压回路压降分别为U₂－U₃和U₁＋U₃。实际上，变电站出线往往不在同一方向，因此情况更加复杂。
　　不论测量回路和架空线路与地网的相对位置如何，测量中只能得到一个电压值。但在计算接地阻抗时又面临一个难题，电流应取I=I_g1+I_e还是取I_g1。即使已知地面电势分布，也无法证明选择I还是Ie更加正确。
　　为了防止避雷线分流，有关标准建议测量中断开避雷线［4，6］。即便如此，避雷线中的电流仍不能忽视。例如，在60 kV南彰党变电站，避雷线在站内没有接地，而是在站外基杆塔接地。在测量该站接地阻抗时发现，流入避雷线的电流占注入电流的16％。
　　因此，在测量变电站接地阻抗时避雷线的分流问题有待于继续深入研究。目前可采取的措施有：①测量避雷线中电流值，断开分流较大的避雷线与地网的连接；②电压极和电流极应远离有避雷线的杆塔，不论线路是否带电。

6结论
　　利用异频法测量变电站工频接地参数能够有效地消除工频和高频干扰，应大力普及。
　　8000(S)型设备通过测量地表电位分布，可准确地发现地网存在的缺陷。在与工频f₀对称的两个频率f₀－△f和f₀＋△f下分别测量阻抗值，取其平均值为在工频f₀下的接地阻抗，理论分析表明误差很小。
　　如避雷线分流过大，地表电势分布被大大改变，测量回路(电压极和电流极)、架空线路与地网的相对位置对测量结果有很大影响。测量时应断开分流较大的避雷线与地网的连接，电压极和电流极应远离带有避雷线的杆塔。建议继续深入研究解决避雷线的分流问题。

参考文献

［1］何金良. 现代电力系统接地技术［R］. 清华大学电极工程与应用电子系技术报告, 2002.6
［2］中华人民共和国电力行业标准: 电力设备预防性试验规程(DL/T 596－1996)［S］. ［3］陈家斌. 接地技术与接地装置［M］. 北京：中国电力出版社，2003.
［4］中华人民共和国电力行业标准: 接地装置工频参数的测量导则(DL 475－199 2)［S］.
［5］李建明，朱康. 高压电气设备试验方法［M］. 中国电力出版社，2001.
［6］中华人民共和国国家标准: 接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则，部分：常规测量(GB/T 17949.1－2000)［S］.
［7］陈鹏云，朱庆翔，吴伯华等. 大型接地网测试技术的发展和应用［J］. 高电压技术，29(10): 18-19, 2003.
［8］陈鹏云，刘晋，吴伯华等. 大型地网接地阻抗异频测量方法［J］. 高电压技术，28(6): 46-47, 2002.
［9］陈鹏云，刘晋，吴伯华等. 测量地网接地阻抗的双矢量分析方法［J］. 高电压技术，28(7): 19-21, 2002.
［10］American National Standards: Guide for measuring earth resistivit y, ground impedance, and earth surface potentials of a ground system (ANSI/IEEE 81:1983).

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