基于CDEGS探討前期數據采集

云南電網有限責任公司紅河供電局 王允光 余 煒 郭 濤 沈 映 朱啟龍 續所良 解延毅

變電站的地網測試按照常規的測試方法關注焦點單純集中在接地阻抗上，而基于CDEGS 的數據采集圍繞故障情況下地電位升、網內電位差、跨步電位差和接觸電位差4個安全性能指標，從接地網均壓性能、健康性能、散流性能，多個要素多個具體方面進行多維度評價。結合現場測試和理論計算，準確給出接地網入地故障電流、接地阻抗、接觸電壓、跨步電壓、地網電位分布、地網完整性、地網金屬導體腐蝕情況等現時狀態，通過實測和計算相結合的方法分析接地網的安全性。依據狀態評估結果采取有針對性的整改措施，從而保證電氣設備的安全運行和人員的人身安全。

測試主要圍繞以下進行：變電站的視在土壤電阻率測試和土壤結構分析；接地網參數測試、接地網的完整性測試和接地網接地扁鐵的腐蝕診斷檢查；接地網和接地扁鐵熱穩定校驗；接地網接地電阻仿真計算；單相接地短路電流計算；變電站發生單相接地故障時地網導體電位升高（GPR）；變電站發生單相接地故障時跨步電壓和接觸電壓；選點開挖檢查。

1 測試相關

1.1 土壤電阻率

土壤電阻率測試的一般要求如下：應避免在雨后立即測量接地電阻。測量中當儀表的靈敏度過高時可將電極的位置提高，使其插入土中淺些。當儀表靈敏度不夠時可給電壓極和電流極插入點注入水而使其濕潤，以降低輔助接地棒的電阻；測量時被測的接地裝置應與避雷線斷開，電流極、電壓極應布置在與線路或地下金屬管道垂直的方向上，被測接地體E、電壓極P 及電流極C 之間的距離應符合測量方法的要求；可選用輸出電流為交流或直流電流的儀器測試土壤電阻率。對于大間距的土壤宜采用交變直流法進行測試，即儀器輸出的波形為正負交替變化的直流方波，方波寬度為0.1～8s，可有效避免交流法引起的互感誤差和避免直流法土壤極化引起的誤差；儀器的電壓極引線與電流極引線間應保持1m 以上距離，以免使自身發生干擾；應反復測量3～4次取其平均值，使用接地電阻表時發現干擾可改變接地電阻表轉動速度。

采用四極法測量土壤電阻率時，其接線原理圖如圖1所示。由外側電極C1、C2通入電流I，若電極的埋深為l，電極間的距離為a，則C1、C2電極使P1、P2上出現的電壓分別為式1式2，而兩極間的電位差為式3，因此土壤電阻率為式4。式中：ρ 為土壤電阻率，Ωm；a 為電極間的距離，m；U 為P1、P2點的實測電壓，V；Rg 為實測土壤電阻，Ω。

圖1 四極法測試土壤電阻率示意圖

依據相關規定，各極間的距離a 等于或大于電極埋入深度h 的20倍，即a ≥20h，測量電極建議用直徑等于或大于1.5cm 圓鋼或小于25×25×4的角鋼，長度均等于或大于40cm。試驗電流流入外側兩個電極，接地電阻試驗設備通過測得的電流和相應兩個電極間的電位差得到R，通過計算得到被測場地的視在土壤電阻率ρ=2πaR。

1.2 接地電阻

接地電阻指電流由接地裝置流入大地再經大地流向另一個接地體或向遠處擴散所遇到的電阻，在數值上等于流過接地裝置入地的電流與這個電流產生的電位差之除。它包括接地線和接地體本身電阻，接地體與大地的電阻間的接觸電阻及兩接地體間大地的電阻或接地體到無限大遠處的大地電阻，一般測的接地電阻為接地體到無限大遠處的大地電阻。根據DL/T475-2017中6.1.1條規定，測試的試驗電源宜采用異頻電流法測試接地裝置的工頻特性參數。試驗電流頻率宜在40～60Hz 內，電流幅值通常應大于3A。對于試驗現場干擾大時可加大測試電流，同時需特別注意試驗安全。在本次測試中采用45Hz 和55Hz 的電流進行測試，電流幅值大于3A。

根據DL/T475-2017中6.1.2條測試回路的布置規定，測試接地裝置工頻特性參數的電流極應布置得盡量遠。通常電流極與被試接地裝置中心的距離dCG應為被試接地裝置的變電站的最大對角線長度D的4～5倍；當遠距離放線有困難時，在土壤電阻率均勻地區dCG可取2D，在土壤電阻率不均勻地區可取3D。電流線和電位線間都應保持盡量遠的距離，以減小電流線與電位線間互感的影響。

1.3 分流系數

接地電阻測量過程中對接地裝置注入交流電流信號，如接地網體是獨立的，注入的電流信號將通過接地網體全部散流到大地中，如接地網體與其他設備接地體存在良好的電氣連接，這時部分電流信號將通過這些接地體流出，而從接地網體散流到大地的測試電流將減小，將通過與被測接地網體連接的金屬扁鐵流出的電流稱為地線的分流。對于有架空避雷線和金屬屏蔽兩端接地電纜出線的變電站，出線桿塔接地扁鐵和遠方地網對注入的電流I 進行了分流，對接地扁鐵接地電阻的測試造成很大的影響，因此應進行架空避雷線和電纜金屬屏蔽的分流測試[1]。

根據DL/T475-2017《接地裝置特性參數測量導則》規定，分流系數測試電源宜采用異頻電流法測試接地網分流系數，試驗電流頻率宜在40Hz～60Hz 范圍，標準正弦波波形，電流幅值通常不宜小于3A，對于試驗現場干擾大的時候可加大注入電流。分流測試一般是向量測試，即分流的向量 和I∑∠θ∑=I1 ∠θ1+I2 ∠θ2+…+In ∠θn，地 網實際散流的相量IG ∠θG=I ∠0°+I∑∠θ∑，地網分流系數為K=IG/I×100%。一般應采用具有相量測試功能的柔性羅氏線圈對與有架空避雷線和金屬屏蔽兩端接地的電纜出線構架基腳及出線電纜溝的電纜族進行分流向量測試，并將所有的分流進行相量運算得到分流系數K，以修正接地電阻值。

1.4 接觸電位差

接觸電位差：接地短路電流流過接地裝置時大地表面形成分布電位，在地面上離設備水平距離為1.0米處與設備外殼、構架或墻壁離地面的垂直距離為2.0米處兩點間的電位差稱為接觸電位差。接地網孔中心對接地網接地極的最大電位差稱為最大接觸電位差。

在變電站中可能有接地短路電流流過的金屬設備外殼或構架上測量接觸電位差。將電流注入點引至待測設備外殼或構架上，高內阻電壓表V 的一端接至地面上離設備外殼或構架水平距離1.0m 的測量極上，電壓極一端接觸地面、另一端接至設備外殼或構架離地面2.0m 處。加測量電流I，讀取電壓表數值可測出通過主地網電流I 對應的接觸電位差UT[2]。站內接觸電位差與通過接地網流入土壤的電流值成正比。實測的接觸電位差尚需按經接地網流入地中地最大短路電流Imax換算，接觸電位差的最大值為UTjmax=UT×Imax/I。

1.5 跨步電位差

跨步電位差是指電流自接地電極(或接地網)經周圍土壤流散時地面上水平距為1m 的兩點間的電位差在變電站中的人員經常走動的區域測量跨步電位差。電流輸入點取接地短路電流可能自接地電極(或接地網)經周圍土壤或接地網的地方流散時，將測量兩根電壓極鋼釬按1.0m 間距打入地下0.5m，并保證兩根電壓極緊密插入土壤，高內阻電壓表V 的兩端分別接至兩根電壓測量極上。注入測量電流I、讀取兩根電壓極的電壓，可測量出通過主地網電流I對應的跨步電位差US。如在水泥地面上或堅硬物體上測量，需在測量點放置與地面接觸良好且半徑大于10cm 兩塊包裹濕抹布的圓盤電極，并在每塊圓盤電極上加適當的重量。

跨步電位差與地網流入土壤中的電流值成正比。實測的跨步電位差尚需經按接地網流入地中的最大短路電流Imax換算，跨步電位差地最大值為USmax=US×Imax/I。

1.6 場區地表電位梯度分布

可按接地阻抗測量方法施加電流，在“手動”方式下調節輸出足夠大的電流。當間距為1m 時場區地表電位梯度UT按公式UT=U'T×Is/Im折算，得到實際系統故障時的單位場區地表電位梯度。式中：U'T為測量相鄰兩點間電位差值，Im為輸入地網中的電流（A），Im為被測接地裝置中系統單相接地短路電流（A），d 為測量間距（根據情況可選1m、2m、4m 或6m），P 為電位極，測量示意圖如圖2。電位極P 可采用導電良好的鋼釬或角鋼，如場區是水泥路面或堅硬物體表面，可采用與地面接觸良好且半徑大于10cm 兩塊包裹濕抹布的圓盤電極，并壓上適當重物。測試線較長時應注意電場或磁場的相互干擾。

圖2 場區地表電位梯度分布測量示意圖

2 測試、檢測及校驗

2.1 接地網完整性測試

方法。測試接地網的完整性俗稱接地網的導通試驗，首先選定重要設備的接地扁鐵為基準點，一般首選變壓器或大型設備的接地扁鐵，再測試這個設備到周圍電氣設備接地部分導通電阻。如開始即有很多設備測試結果不良，宜考慮更換基準點。

測試的范圍。變電站接地裝置電氣完整性測試的范圍如下：各種電壓等級設備場區之間；各種高低壓設備，包括各種金屬構架、各種金屬箱體等之間；各接地主要干線、電氣設備場區內及附近重要設備內部各接地干線之間；獨立避雷針及門型架與主地網之間；其他必要部分與主地網之間。

試驗接線。測試應選用專門儀器，儀器的分辨率≤1mΩ、準確度≥1.0級。在被試電氣設備的接地部分與基準點間加恒定電流，再用內阻較高的電壓表測試基準點的電流通過接地裝置到被試設備的接地部分這段接地導體上產生的電壓差，并換算到電阻值。采用其他方法時應注意扣除線損的電阻（圖3）。

圖3 接地網電氣完整性測試接線示意圖

2.2 接地網接地體腐蝕診斷檢查

基于接地網絡理論的接地網腐蝕診斷數值計算的原理為：因為金屬的導電性比土壤好很多，可將接地網等效為純電阻網絡，接地網體焊接完成后各支路接地體的電阻值已確定（標稱值），我們視它為原始值；當接地網運行多年后，在某些特殊環境條件下一些接地體會出現腐蝕，嚴重的情況下可能發生斷裂，此時各支路接地體電阻值與原始值相對比會變大。通過測量接地扁鐵間的導通電阻值，并建立腐蝕前后導通電阻變化值與支路接地體電阻變化值的關系；借助系統優化計算方法，可得到腐蝕前后接地網支路接地體電阻變化情況，以判斷接地網腐蝕及斷點情況[3]。

2.3 接地網和接地體熱穩定校驗

系統發生接地短路故障時，在繼電保護隔離短路故障前，持續的接地短路故障電流流經接地體所帶來的發熱效應非常顯著，接地網接地體應能夠承受系統最大運行方式和最惡劣系統短路初始條件下故障電流載流而不發生斷裂或熔斷。變電站、變電站設備接地體和接地網接地線的截面應按接地短路電流進行熱穩定校驗。首先應核算當前或將來變電站核算的系統最大短路電流水平，以確定現有設備接地部分和主接地網能承受的最大短路電流，以后，運行變電站根據省電力調度中心（220kV 及以上變電站）和市調（110kV 變電站）當年給出的變電站的最大單相短路電流進行接地網和接地體的熱穩定校驗核算。

新建變電站和需進行接地網改造的變電站，故障電流原則上應選擇變電站遠景接線情況下（15～20年）站內發生接地故障時的接地故障電流。當系統遠景不是十分明確時，220kV 設備場區的總故障電流可選63kA；220kV 站220kV 設備場區的可選50kA，220kV 樞紐站的220kV 設備場區選50kA，一 般 的220kV 站 的220kV 設 備 場 區 選40kA；110kV 站可選25kA。

根據熱穩定條件，未考慮腐蝕時，接地引下線的最小截面應符合的要求，式中：Sg為接地線的最小截面（mm2）；Ig為流過接地線的短路電流穩定值（A），根據系統5～10年發展規劃，按系統最大運行方式確定；te為短路的等效持續時間（s），為嚴格起見，一般取一級后備保護（主保護失靈）動作的時限，220kV 電壓等級的電氣設備取0.35s，220kV 和110kV 電壓等級的電氣設備取0.6s～0.7s；c 為接地線材料的熱穩定系數，根據不同材料的種類性能及允許的最高溫度和短路前接地裝置的初始溫度確定。鋼質材料取70，銅質材料取210。

熱穩定校驗應分別按地上接地導體和地下導體兩個部分進行。根據熱穩定條件，未考慮腐蝕時，主接地網接地體和接地極的最小截面不宜小于連接至接地網的接地導體（線）截面的75%。同一電壓等級接地體截面不同時應按最小截面進行核算。對于腐蝕情況嚴重的接地體，應根據該接地體的有效截面進行接地體的熱穩定校驗，有效截面是指已處理過腐蝕表面的接地體的截面。部分變電站由于運行時間較長，曾進行過多次接地網改造，接地體截面存在著多種規格，應以最小截面進行校驗。

熱穩定校核時應考慮腐蝕因素的影響，結合接地網開挖檢查的導體腐蝕程度進行校正?？砂凑战拥鼐W導體的規格尺寸和實測的年平均滲入度計算運行若干年后接地體的截面，比較并評價接地體目前的截面是否滿足接地體熱穩定條件確定的最小截面要求，同時根據腐蝕率預測剩余使用壽命是否滿足接地裝置的設計使用年限要求。