異頻小電流掃頻式接地阻抗測試系統(tǒng)研究

王 森，李志忠，張振存

(1.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學研究院，西安 710100； 2.西安旭之輝機電科技有限公司，西安 710200)

接地系統(tǒng)是電網(wǎng)的重要組成部分，其主要作用是把電氣設備與大地連接，提供穩(wěn)定的參考電位，為故障電流和雷擊電流提供泄放通道。接地系統(tǒng)對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有重要意義，在電力系統(tǒng)中，電氣事故大多與接地裝置有關。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國主要使用的測試方法為變頻電流法，測試回路布局采用遠離夾角法，但是此測試方式存在以下問題：測試設備功能單一，只能測試地網(wǎng)裝置的接地阻抗，無法測試地網(wǎng)裝置的其他工頻特性參數(shù)；采用遠離夾角法進行測試回路布線時，由于距離較遠，對于電流極和電位極位置的確定比較困難，在布線時無法得知是否滿足距離和角度等布線要求，放線效率低；進行分流測試時，由于分流電流信號較微弱，現(xiàn)場干擾信號強，針對分流電流向量不但要測試幅值還要測試相位，需要對多個測試點的向量進行求和計算，測試效率較低且精度較差；在進行地網(wǎng)狀態(tài)安全評估時，測試項目包括地表電位梯度測試、跨步電壓測試、接觸電壓測試等，每個測試項目的測試位置點較多，且測試過程要求變頻恒流源能夠穩(wěn)定輸出并自動進行補償調(diào)節(jié)，目前很少有裝置可以滿足此要求，因此研制新型地網(wǎng)裝置工頻特性綜合測試裝置具有重要意義。

2 新型地網(wǎng)裝置工頻特性綜合測試裝置原理

本測試系統(tǒng)測試電源采用40～60 Hz(按1 Hz或5 Hz與50 Hz相鄰對等頻率)的交流電源自動選頻跟蹤測試，能在強干擾環(huán)境下準確測量并換算到工頻50 Hz下的數(shù)據(jù)，因此測量的準確性和等效性進一步得到提高。測試系統(tǒng)變頻穩(wěn)流電源可輸出頻率為40～300 Hz的正弦波測試電流，輸出頻率及電流大小幅值受系統(tǒng)程序指令控制。測量部分電壓采樣電路具有較高輸入阻抗，在跨步電位、接觸電位、梯度分布等測試中不易受兩電位極與變電站地面接觸電阻大小變化的影響，電壓測量電路將采集到的信號放大后輸送至數(shù)字濾波器，數(shù)字濾波器用于濾除非選頻的工頻等干擾信號，只接受儀器選定的頻率信號。采用自動雙變頻(也可單頻)方式進行接地阻抗的自動測試，儀器測量及控制系統(tǒng)通過A/D轉換器取得遠端電流極的注入異頻電流和電位極測取的同頻電壓波形數(shù)據(jù)，取試驗雙頻率點的平均值作為實測工頻接地電阻RD、接地電抗XD，并導算出接地阻抗ZD、接地電感LD，根據(jù)地網(wǎng)最大對角線長度布置的電流極和電壓極的布線長度及夾角進行阻抗修正計算。

2.1 主要技術指標

額定功率：10 kVA；輸入電源：220 V±10%；輸入頻率：50 Hz±2%(發(fā)電機)；輸出頻率：45 Hz/55 Hz或49 Hz/51 Hz雙頻，單頻，45～55 Hz或40～60 Hz掃頻；頻率穩(wěn)定度：±0.1%；最大輸出電流：20 A；連續(xù)工作時間：≤4 h；接線/測量方式：標準四極法/自動測量；電流極電流測量：0～2 A～20 A，自動量程，分辨率0.000 1 A；電壓極測量電壓：0～20 V～200 V，自動量程，分辨率0.001 V；相位測量誤差：0～360°±(讀數(shù)+0.05°)；接地阻抗測量范圍：0～1 000 Ω，分辨率：0.001 Ω；測量準確度：±(讀數(shù)×1%+0.01 Ω)。

2.2 異頻信號輸出裝置原理框圖

異頻信號輸出裝置主要功能是輸出穩(wěn)定、可靠的異頻電流信號，保證接地阻抗測試的高精度和強抗干擾性能，同時滿足分流測試、地表電位梯度測試、跨步電壓測試、接觸電壓測試等狀態(tài)安全評估的長時間、穩(wěn)定輸出要求。系統(tǒng)主要由整流橋+濾波電路、IPM模塊、控制電源、啟動保護電路、IPM驅(qū)動電路、低壓直流電流電壓處理電路、低壓交流電流電壓處理電路、DSP控制電路和主控單元組成。

圖1 異頻信號輸出裝置原理框圖

3 效果驗證

為了檢測異頻小電流掃頻式接地阻抗測試系統(tǒng)的性能，使用本裝置對鳳城某500 kV變電站進行接地阻抗測試。該變電站長約410 m，最大處寬約190 m，占地約117畝，主控樓面積為1 179 m2，其最大對角線長約440 m。根據(jù)實際勘察，站內(nèi)現(xiàn)有500 kV、220 kV、35 kV的電壓等級場域，主接地網(wǎng)呈現(xiàn)長方形狀。測量時采用30°夾角法進行布線，其中電流線和電壓線分別采用6 mm2和4 mm2的單芯多股膠質(zhì)導線。通過GPS定位儀可快速計算出電流線和電壓線的直線距離均為2 000 m左右，兩直線夾角約為35.89°。電流極接地電阻≤8 Ω，電壓極接地電阻≤100 Ω。

測試結果完全滿足變電站接地電阻的設計要求，測試過程中，對于接地阻抗的修正值是系統(tǒng)根據(jù)設置的電極布局參數(shù)進行自動計算的；在進行分流系數(shù)測試時，通過無線遙測選頻電流裝置對各分流點進行基于參考電流的分流向量測試，各分機的測試結果通過無線方式發(fā)送給主機，主機再對各點的電流向量進行矢量和運算，同時結合參考電流計算出分流系數(shù)，進一步得出真實的接地阻抗值。整個測試過程高效、快速、準確，順利地完成了變電站地網(wǎng)裝置的工頻特性測試和狀態(tài)評估等工作，得到了用戶的一致好評。

4 結語

采用變頻抗干擾技術，選頻抗干擾性能(信噪比)優(yōu)于1/1 000，能在強干擾環(huán)境下準確測得接地裝置的各類工頻特性參數(shù)。可采用45～65 Hz的基波頻率相鄰對等頻率1 Hz/5 Hz，任意選擇雙頻率或單頻率的交流電源自動測試，測試電流完全符合《DL/T475-2017接地裝置特性參數(shù)測量導則》變頻法試驗電流規(guī)定及要求(3～20 A)，可以在不停電的情況下進行大型接地網(wǎng)工頻特性參數(shù)測量，克服了傳統(tǒng)測試方法的不足，使得大型接地系統(tǒng)的測試變得精確、可靠、方便、安全。