計(jì)及地線耦合的利用架空線路測量接地網(wǎng)接地阻抗的方法

張凱軍，胡志堅(jiān)，張博成

（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430072）

0 引 言

接地網(wǎng)的狀況直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，科學(xué)合理地測試接地網(wǎng)的各種特性參數(shù)，準(zhǔn)確評估其狀況十分重要［1－2］。接地阻抗是接地網(wǎng)是否合格的主要判斷依據(jù)［3］。在測量大型接地網(wǎng)接地阻抗時，由于布線距離較長，人工放線工作量太大，有時甚至?xí)虻匦蜗拗贫鵁o法按照規(guī)程布線。因此在現(xiàn)場測量時常采用一條停電的架空線路作為測量回路的電流極和電壓極引線。但是在利用架空線路測量接地網(wǎng)的接地阻抗時，如果架空地線未與接地網(wǎng)斷開連接，會使部分注入電流由于架空地線分流通過線路桿塔接地電阻和遠(yuǎn)端變電站地網(wǎng)流入大地［4］，導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生誤差。

測量地網(wǎng)接地阻抗的傳統(tǒng)方法其理論基礎(chǔ)是電位降法［5］，在此基礎(chǔ)上根據(jù)所用電源頻率的不同，常用的方法有工頻大電流法［6］和異頻法［7］：工頻大電流法注入的電流較大，能滲入更深的大地中；異頻法能避免線路中的工頻雜散電流干擾，并且注入電流不需要太大。但是這兩種方法均無法消除架空地線分流造成的測量誤差，因此有必要對此進(jìn)行深入研究。目前已經(jīng)有文獻(xiàn)研究架空地線分流對測量接地阻抗的影響，但是一般都只考慮地線分流對接地網(wǎng)流入測試電流的影響［8-9］，而忽略了架空地線與測量回路平行產(chǎn)生的互感干擾電壓對測量結(jié)果的影響。

在實(shí)測接地網(wǎng)的接地阻抗時，如果架空地線與接地構(gòu)架之間是通過跳線連接，則斷開跳線就能將接地網(wǎng)與架空地線隔離，從而避免因地線分流造成的測量誤差；如果架空地線與接地構(gòu)架是直接相連的，或者采用了光纖復(fù)合架空地線（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW），則無法將接地網(wǎng)與架空地線隔離，只能通過測量地線分流的方法來消除地線對接地阻抗測量造成的干擾。

本文分析了在利用架空線路測量接地網(wǎng)的接地阻抗時，架空地線對測試電流的分流作用對測量結(jié)果的影響，以及地線分流在電壓極引線上感應(yīng)電壓對測量結(jié)果的影響，并提出了減小上述誤差的測量方法，通過建立仿真模型分析了該方法的可行性以及影響該方法準(zhǔn)確性的各種因素。

1 架空地線分流的原理分析

在利用架空線路測量接地阻抗時，測量接線原理如圖1所示。外加電源產(chǎn)生的測試電流一部分經(jīng)過待測接地網(wǎng)流入大地，另一部分則由于架空地線的分流效應(yīng)經(jīng)過測量線路的桿塔接地裝置和遠(yuǎn)方變電站接地網(wǎng)流入大地，這部分電流對測量結(jié)果會產(chǎn)生誤差。

圖1 用架空線路測量地網(wǎng)接地阻抗原理圖Fig.1 Grounding impedance measurement schematic diagram by using overhead line

在考慮了用作測量回路引線的架空輸電線路與該線路地線之間互感影響的基礎(chǔ)上，由圖1可以建立架空地線分流的基本電路模型，如圖2所示。圖中，Zg為被測接地網(wǎng)接地阻抗，ZD1、ZD2、ZD3、…、ZDn和 Zi分別為架空地線各分段自阻抗和電流極回路自阻抗，為測試電流，為通過被測接地網(wǎng)流入大地的電流，為架空地線分流，和表示電流極回路和架空地線間的互感電壓，ZT1、ZT2、ZT3、…、ZTn為桿塔接地阻抗以及遠(yuǎn)端接地網(wǎng)接地阻抗。

圖2 架空地線分流電路模型Fig.2 Shunt circuit model of the overhead ground line

2 架空地線分流產(chǎn)生的干擾電壓

2.1 單地線分流的干擾電壓

在利用架空線路測量接地阻抗時，除了電流極與電壓極引線之間的互感會產(chǎn)生干擾電壓外［10］，架空地線上的電流也會在電壓極引線感應(yīng)產(chǎn)生干擾電壓。因此，當(dāng)電壓極之前的地線與桿塔通過絕緣子絕緣時，對于單地線的架空線路，電壓極引線首端所測得的電壓可表示為：

式中Zmi為電流極和電壓極引線之間單位長度的互阻抗；ZmT為架空地線與電壓極引線之間的互阻抗；du為電壓極引線長度。

為了減小上述互感干擾，可采取多次測量的方法［11］，通過移動電極位置以及改變電源注入電流，并且在測量電壓極引線電壓相量和電流極引線電流相量的同時，利用柔性Rogowski線圈同步測量地線分流相量［12-13］，得到多組獨(dú)立方程，求解消除互感干擾后的接地網(wǎng)接地阻抗。

對于單地線的測試線路，由于式（2）中有接地網(wǎng)接地阻抗、電壓極和電流極引線間互感、地線與電壓極引線間互感3個未知量，因此可以通過將3次不同電壓極和電流極位置的測量結(jié)果代入式（2）得：

在這3次測量中，電壓極引線長度分別為du1、du2、du3，電源注入電流分別為，電壓極引線首端電壓分別為1、2、3，架空地線分流分別為實(shí)際由測試接地網(wǎng)流入大地的電流分，別為該電流可由式（1）求出。由式（3）可解得消除電流極和地線對電壓極引線互感干擾的接地阻抗 Zg，如式（4）所示。

當(dāng)電壓極之前有桿塔與地線直接相連時，架空地線中流過的電流并不是一直為每經(jīng)過一基桿，塔地線中電流就將有一部分流入大地，因此地線在電壓極引線上的干擾電壓將比略小一些，用式（3）得到的接地阻抗會產(chǎn)生一定的誤差。

2.2 平行雙地線分流的干擾電壓

當(dāng)電壓極之前的地線與桿塔絕緣時，對于平行雙地線的架空線路，電壓極引線首端的電壓為：

式中ZmT1、ZmT2分別為兩地線與電壓極引線之間的互阻抗；分別為兩地線中所流過的電流且有如下關(guān)系，且有：

令：

則式（7）和式（2）的形式完全一致，即雙地線對電壓極引線的互感干擾可以等效為單地線的情況，因此當(dāng)架空線路上為雙地線時依然可以通過3次不同電壓極和電流極位置的測量結(jié)果得到如式（3）所示方程組，并由此解出接地網(wǎng)接地阻抗和線路間互阻抗。

3 仿真驗(yàn)證及影響因素分析

3.1 地線數(shù)目不同時的接地阻抗測量

根據(jù)圖1和圖2用PSCAD建立仿真模型，對單地線分流的接地網(wǎng)接地阻抗測量進(jìn)行驗(yàn)證。仿真采用異頻電流源，電源頻率f為47 Hz和53 Hz，接地網(wǎng)工頻下的接地阻抗取Zg＝0.25＋j0.1Ω，假設(shè)電壓極之前的桿塔與地線絕緣，平均檔距為400 m，工頻下的桿塔接地裝置接地阻抗電阻分量遠(yuǎn)大于電抗分量［14］，可視為純電阻，仿真時設(shè)為5Ω。由于靠近變電站的10～15個檔距的桿塔對分流影響較大［15］，仿真模型中取測量回路的前10檔接地桿塔。

改變電流極和電壓極的位置，分別在不同頻率下均進(jìn)行3次獨(dú)立測量，將測得的電壓和電流數(shù)據(jù)代入式（3）解出異頻接地阻抗，工頻接地阻抗取兩種頻率下測量結(jié)果的平均值，如表1所示。

表1 單地線的接地阻抗測量結(jié)果Tab.1 Impedance measurement results with single ground line

將仿真模型中的單地線變?yōu)殡p地線，其他條件不變，對雙地線分流的接地阻抗測量進(jìn)行仿真驗(yàn)證，其接地阻抗測量結(jié)果如表2所示。

從表1和表2可以看出，通過3次獨(dú)立測量的數(shù)據(jù)求解式（3）可以得到消除地線分流影響以及各線路間互感影響的接地阻抗，其電阻部分和電抗部分的誤差均小于1%，說明本文所提減小地線分流影響的方法可以準(zhǔn)確地測量在上述仿真條件下地線數(shù)目不同時的接地網(wǎng)接地阻抗。

表2 雙地線的接地阻抗測量結(jié)果Tab.2 Impedance measurement results with double ground lines

3.2 接地阻抗測量的影響因素分析

3.2.1 桿塔接地電阻對測量結(jié)果的影響

改變桿塔的接地阻抗值，對桿塔接地電阻值在5Ω～25Ω之間且電壓極之前的桿塔均與地線絕緣時的接地阻抗測量進(jìn)行仿真分析，分流比｜、不計(jì)分流影響（即傳統(tǒng)直線三級法［16］）和考慮分流影響的仿真計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 桿塔接地電阻不同時的接地阻抗測量結(jié)果Tab.3 Impedance measurement results with different tower grounding resistances

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)桿塔接地電阻逐漸增大時，架空地線分流電流逐漸變小，不考慮分流影響的接地阻抗測量值的實(shí)部和虛部均較真實(shí)值偏低，且隨著桿塔接地電阻的增大，測量誤差逐漸降低，桿塔接地電阻為5Ω時模值誤差最大達(dá)到33%，而電抗部分誤差則達(dá)到65%；考慮分流影響后的接地阻抗測量結(jié)果的實(shí)部和虛部誤差均保持在1%左右。

當(dāng)電壓極之前只有第一檔桿塔與地線直接相連，設(shè)定其他桿塔接地電阻為5Ω，對第一檔桿塔接地電阻在5Ω～25Ω之間時的接地阻抗進(jìn)行仿真測量，用式（3）計(jì)算得到的接地阻抗的相對誤差曲線如圖3所示。

圖3 本文方法測量的接地阻抗誤差Fig.3 Impedance measurement error of the proposed method

從圖3曲線可知，只有第一檔桿塔與地線直接相連時用式（3）得到的接地阻抗偏小，且隨著該桿塔接地電阻的增大，電抗部分誤差絕對值從5%減小為2%左右，電阻部分和模值誤差絕對值則始終在2%以內(nèi)且誤差逐漸減小。

當(dāng)電壓極之前的桿塔均與地線直接相連，分別設(shè)定電壓極之前的桿塔接地電阻為5Ω、15Ω、25Ω，其他接地桿塔接地電阻仍為5Ω，平均檔距為400m，改變電壓極之前接地桿塔的數(shù)目，用式（3）得出的接地阻抗模值相對誤差曲線如圖4所示。

圖4 接地阻抗模值相對誤差Fig.4 Relative error of impedance measurement

從圖4中可以看出，隨著桿塔數(shù)目增加，接地阻抗的測量誤差逐漸增加，當(dāng)桿塔接地電阻為5Ω和15Ω時桿塔數(shù)目大于或等于4檔的相對誤差會超過5%，而桿塔接地電阻為25Ω時相對誤差一直小于5%。由此可以估算對于逐基接地的地線回路，其電壓極引線長度不宜超過1.6 km，相應(yīng)的電流極引線不宜超過2.7 km。

3.2.2 地線類型對測量結(jié)果的影響

當(dāng)雙地線其中一條為全線接地（OPGW），另一條為分段接地時，仍設(shè)定桿塔接地電阻為5Ω，改變電壓極之前的接地桿塔數(shù)，計(jì)算用本文方法得到的接地阻抗，在此條件下和普通單地線模型下的模值相對誤差曲線如圖5所示。

圖5 接地阻抗模值相對誤差Fig.5 Relative error of impedance measurement

從圖5可以看出，隨著桿塔數(shù)目增加，接地阻抗的誤差逐漸增大，由于雙地線模型中有一條為分段接地，使得電壓極之前的桿塔散流小于單地線模型，因此測量相對誤差也比后者小，直到桿塔數(shù)目增加到5檔時誤差才超過5%。

4 結(jié)束語

在利用架空線路作為測量接地網(wǎng)接地阻抗的引線時，若未解開架空地線與接地網(wǎng)的連接構(gòu)架，會在該地線上產(chǎn)生分流電流而使傳統(tǒng)的接地阻抗測量方法造成較大誤差。地線分流不僅會使通過接地網(wǎng)流入大地的電流減小，還會在電壓極引線上感應(yīng)出干擾電壓，這兩方面的影響會使得傳統(tǒng)方法測量得到的接地阻抗偏小。本文采用同步測量地線分流電流和多次測量求解方程組消除互感干擾電壓的方法來減小接地阻抗的測量誤差，該方法在電壓極之前的桿塔均與地線絕緣的情況下測量誤差在1%以內(nèi)。當(dāng)電壓極之前存在接地的桿塔時，本文方法測量誤差隨電壓極之前與地線直接相連的桿塔數(shù)目增加而增大，且桿塔的接地電阻越小誤差就越大。對于單地線和雙地線逐基接地的架空線路，電壓極引線的長度應(yīng)保持在4倍桿塔檔距以內(nèi)；對于兩條地線一條全線接地（OPGW），一條分段接地的架空線路，電壓極引線的長度則不宜超過5倍桿塔檔距。