基于異頻直線法大型地網(wǎng)接地阻抗的分析與測(cè)量

袁培，黃海波，范敏(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

基于異頻直線法大型地網(wǎng)接地阻抗的分析與測(cè)量

袁培，黃海波，范敏
(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

本文提出了一種適合大型地網(wǎng)接地阻抗測(cè)量的異頻直線法，該方法是在分析直線法與異頻法原理的基礎(chǔ)上綜合二者的優(yōu)點(diǎn)，提出了電壓、電流極和異頻測(cè)量頻率的選取方式，通過(guò)對(duì)某水電站地網(wǎng)阻抗的實(shí)際測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了該方法的正確性和適用性，并總結(jié)得出了在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中應(yīng)當(dāng)注意的問(wèn)題，對(duì)大型地網(wǎng)的測(cè)量具有一定的參考意義。

大型地網(wǎng)；接地阻抗；直線法；異頻法

直線法(0.618法)作為一種典型的地網(wǎng)接地阻抗的測(cè)量方法，被廣泛的應(yīng)用于各種接地系統(tǒng)的測(cè)量中來(lái)〔1－3〕，對(duì)于大型變電站(發(fā)電廠)的而言，由于其地網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和分布比較復(fù)雜，按照傳統(tǒng)的“0.618”的方式去選取電流極和電壓極將會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來(lái)一定的誤差。

另一方面，在大型變電站(發(fā)電廠)地網(wǎng)的接地阻抗測(cè)量中，如果試驗(yàn)注入電流是工頻電流，那么地網(wǎng)中還存在較大的工頻零序電流和諧波電流，在計(jì)算阻抗值時(shí)，這些電流會(huì)同工頻試驗(yàn)電流疊加，使得試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大的誤差。同時(shí)，由于地網(wǎng)的尺寸相對(duì)較大，其阻抗ZG＝RG＋j XG中電抗部分XG往往比電阻部分RG大，不能忽略。而XG是受到頻率影響的量，因此可以考慮采用改變?cè)囼?yàn)電流的頻率，即不采用工頻，而是取頻率為50±10 Hz范圍內(nèi)的試驗(yàn)電流，這樣可以消除地網(wǎng)中零序電流和諧波電流的影響，在根據(jù)不同頻率下電流對(duì)XG的影響偏差，折算出一個(gè)工頻下的接地阻抗的值，這就是異頻法的提出。

1 試驗(yàn)原理及分析

1.1 “0.618法”原理及誤差分析

“0.618法”的測(cè)量原理見(jiàn)圖1〔1〕。圖1的上部是測(cè)量電極的布置，即接地體G、電壓極P和電流極C分布在一條直線上。接地體和電壓極之間的距離為DGP，接地體和電流極之間的距離為DGC。如果在接地體和電流極之間將電壓極插入GC兩點(diǎn)連線上的不同位置測(cè)量接地電阻時(shí)，則將得到圖1中部的電阻曲線。接地電阻曲線的中部有一段水平線(Ra和Rb之間)，水平線與縱軸相交就是該接地體的接地電阻值RG。

圖1 接地體接地阻抗測(cè)量原理圖

由于電流I進(jìn)入接地極使得其中心和邊緣的電勢(shì)產(chǎn)生分布，得到接地極至電壓極之間的電壓為〔1，4〕:

計(jì)算得到接地電阻為:

已知半球真值電阻為:

因此計(jì)算值(測(cè)量值)與真實(shí)值之間的誤差:

根據(jù)“0.618法”，當(dāng)DGC?r時(shí)，有:

分別取DGC＝2r、3r、4r、5r、6r，誤差δ的情況見(jiàn)表1。

表1 “0.618法”誤差隨電流極分布情況

由表1可知:誤差δ隨著電流極距地網(wǎng)中心G的長(zhǎng)度DGC的增大而減小，按照相關(guān)規(guī)程〔1－3〕，一般實(shí)際測(cè)量中取DGC為3－5倍的地網(wǎng)對(duì)角線長(zhǎng)度，因此如果電壓極DGP仍然取0.618倍的電流極長(zhǎng)度，那么測(cè)量將會(huì)帶來(lái)較大的誤差。因此在實(shí)際測(cè)量中需要合理的選擇電壓極距離。

1.2 異頻法原理及誤差分析

將地網(wǎng)阻抗模型簡(jiǎn)化為電阻分量R0和電感分量L0以串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)等多種形式組成〔5－6〕，見(jiàn)圖2。

圖2 地網(wǎng)的等效模型

地網(wǎng)工頻接地阻抗為:

令μ0＝ω0L0/R0，則:

同理，在異頻下，有μ＝ωL0/R0

綜合式(8)和(10)，則有:

由式(11)，對(duì)ω＝2πf，μ0＝ω0L0/R0分別取值，求得見(jiàn)表2。

表2 不同f和μ下取值0

表2 不同f和μ下取值0

f/Hz μ0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 45 0.999 1 0.996 4 0.992 1 0.986 8 0.980 8 47 0.999 4 0.997 8 0.995 2 0.991 9 0.988 3 50 1.000 0 1.000 0 1.000 0 1.000 0 1.000 0 53 1.000 6 1.002 4 1.005 1 1.008 5 1.012 3 55 1.000 8 1.004 0 1.008 6 1.014 4 1.020 8異頻平均值1.000 0 1.000 2 1.000 3 1.000 4 1.000 6

由表2可知:當(dāng)異頻頻率f＜50 Hz時(shí)，有｜Z｜＜｜Z0｜，即測(cè)量值相對(duì)于真實(shí)值是負(fù)誤差；當(dāng)f＜50Hz時(shí)，有｜Z｜＞｜Z0｜，即測(cè)量值相對(duì)于真實(shí)值是正誤差。因此在實(shí)際的測(cè)量中分別取小于和大于50 Hz頻率測(cè)量值的平均值，這樣產(chǎn)生的正誤差和負(fù)誤差能夠相互抵消，使得誤差可以接近于0。

2 某水電站地網(wǎng)仿真及實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證

以某水電站地網(wǎng)接地阻抗的實(shí)測(cè)為例，對(duì)角線長(zhǎng)度為350m，導(dǎo)體敷設(shè)深度為0.8 m，土壤電阻率為200Ω.m通過(guò)CDEGS軟件建立電站地網(wǎng)模型見(jiàn)圖3。

圖3 某水電廠地網(wǎng)的CDEGS仿真模型

圖3 中土壤模塊1、2、3分別代表廠內(nèi)地網(wǎng)、電壓極范圍土壤和電流極范圍土壤，仿真中可通過(guò)參數(shù)設(shè)置使得電流極是地網(wǎng)對(duì)角線長(zhǎng)度的3倍和4倍，分別計(jì)算得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 某水電廠地網(wǎng)仿真結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量采用的儀器是紅相—8000型接地阻抗測(cè)試儀，分別對(duì)照仿真條件進(jìn)行了3倍和4倍測(cè)量實(shí)際測(cè)量，儀器接線如圖4所示。

采用異頻直線法，根據(jù)圖1和表1的分析可知:在電流極距離能滿足在對(duì)角線3～5倍的條件下，接地電阻的測(cè)量曲線中會(huì)有一個(gè)比較平坦的曲線。電壓極的選取如果嚴(yán)格按照0.618倍電流極長(zhǎng)度只選取一個(gè)點(diǎn)將會(huì)給測(cè)量帶來(lái)誤差，因此需要多次移動(dòng)電壓極的位置找到誤差在5%以內(nèi)的近似水平的線段，即為被測(cè)地網(wǎng)的接地阻抗測(cè)量值，實(shí)際測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4。

圖4 紅相—8000接地阻抗測(cè)試儀試驗(yàn)接線示意圖

表4 某水電廠異頻直線法測(cè)量結(jié)果

對(duì)比表3—4可知:實(shí)測(cè)數(shù)值與仿真結(jié)果相差不大，驗(yàn)證了異頻直線法測(cè)量大型地網(wǎng)接地阻抗的正確性。

3 試驗(yàn)過(guò)程應(yīng)該注意的問(wèn)題

1)盡量保證電流極的放線長(zhǎng)度足夠，保持站內(nèi)入流點(diǎn)、電壓級(jí)、電流級(jí)的三點(diǎn)一線。

試驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中，可能會(huì)遇到由于地形的限制，電壓極和電流極的測(cè)量線只能沿著公路放置開(kāi)來(lái)，由于路是曲折蜿蜒的，導(dǎo)致了最終GP與GC的夾角較大或是路程的曲折導(dǎo)致所放的線長(zhǎng)度很長(zhǎng)但是直線距離仍然不夠。此時(shí)再按照直線法的進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，會(huì)產(chǎn)生誤差。建議結(jié)合GPS定位，使得GP和GC之間的夾角盡量的在5°以內(nèi)，可近似認(rèn)為是直線。

2)合適選取電流極和電壓極的入地點(diǎn)。

在試驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到將電流極的入流樁打在了巖土結(jié)構(gòu)比較堅(jiān)硬的土層，導(dǎo)致了儀器電流源的電流無(wú)法正常輸出或是電壓極的測(cè)量樁打在了靠近水源的地方導(dǎo)致測(cè)量得到的電壓值誤差較大。建議在實(shí)際的操作中要注意結(jié)合土壤的條件合理選取電壓、電流極的位置。

3)保證電壓極和電流極的引出線連接良好。

因?yàn)榇笮偷鼐W(wǎng)的對(duì)角線長(zhǎng)度D較大，在保證DGC＝(3～5)D的情況下，電流極的測(cè)量引出線距離會(huì)比較長(zhǎng)，有時(shí)線的長(zhǎng)度甚至到十幾公里。如果在測(cè)量時(shí)發(fā)生引線的中間斷開(kāi)或者接觸不良的情況，導(dǎo)致整個(gè)測(cè)量電路無(wú)法正常工作，此時(shí)再去逐段檢查引線電氣連接情況將會(huì)極大的增加工作量且效率也較低。建議從一開(kāi)始放線的過(guò)程中每隔一段距離就對(duì)引線的電氣可靠連接進(jìn)行檢查，確保在電流極和電壓極測(cè)量引出線的電氣可靠連接。

4 結(jié)論

1)測(cè)量的過(guò)程中要利用GPS進(jìn)行定位，尤其是關(guān)注電壓極與電流極測(cè)量引出線的夾角，使其盡可能保持在5°以內(nèi)，以此來(lái)保證直線法的理論前提；

2)異頻直線法的測(cè)量的關(guān)鍵是找到地網(wǎng)阻抗曲線中較為平坦的一段，并據(jù)此來(lái)確定接地阻抗值；

3)測(cè)量中關(guān)于電壓極的選取，不是根據(jù)理論的嚴(yán)格0.618倍電流極長(zhǎng)度只選取一個(gè)點(diǎn)，而是要多次移動(dòng)電壓極的位置找到誤差在5%以內(nèi)的近似水平的線段；

4)異頻電流要在小于50 Hz和大于50 Hz的頻率都選取，且要靠近50 Hz，以此來(lái)保證異頻的測(cè)量結(jié)果正負(fù)偏差相互抵消，使得異頻地網(wǎng)阻抗值更接近工頻值。

〔1〕國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則:DL/T 475—2006〔S〕.北京:中國(guó)電力出版社，2006.

〔2〕住房城鄉(xiāng)建設(shè)部，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50065—2011〔S〕.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2011.

〔3〕住房城鄉(xiāng)建設(shè)部，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范:GB 50169—2006.〔S〕.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2006.

〔4〕應(yīng)征，王揮蜃，劉春.接地電阻的測(cè)量與降低〔J〕.移動(dòng)電源與車(chē)輛，2012(1):28.

〔5〕陳鵬云，劉晉，吳伯華，等.大型地網(wǎng)接地電阻異頻測(cè)量方法〔J〕.高電壓技術(shù)，2002，28(6):46-47.

〔6〕李澍森.異頻法測(cè)量大型地網(wǎng)接地電阻研究〔J〕.高電壓技術(shù)，2000，26(3):37－39.

Analysis of Pilot-frequency Straight-line Method for Measurement in Large Ground Grid Im pedance

YUAN Pei，HUANG Haibo，F(xiàn)AN Min
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

This paper proposes amethod for the measurement of the large ground grid impedance.It is based on analysis of principles and combiningwith the advantages of the straight-linemethod and non-power-frequencymethod.It investigates how to put forward the voltage and current poles as well as choice the appropriate pilot frequencies.A hydropower station ground impedance has beenmeasured and the results verify the correctness and applicability of themethod.This paper concludes some problems that should be noted.It can provide references for ground impedancemeasurement.

large ground grid；ground impedance；straight-linemethod；pilot frequencymethod

TM862＋.2

B

1008-0198(2017)03-0039-04

袁培(1987)，男，博士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)開(kāi)關(guān)設(shè)備與過(guò)電壓研究工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.03.011

2017-02-08