用異頻法測量地網(wǎng)參數(shù)

1、用異頻法測量地網(wǎng)參數(shù)        摘要：8000(S)型地網(wǎng)參數(shù)測量成套裝置在異頻下測量發(fā)電廠、變電站地網(wǎng)工頻接地參數(shù)，能夠有效地消除工頻和高頻干擾。通過測量地表電位分布，可準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)地網(wǎng)存在的缺陷。在與工頻f0對稱的兩個頻率f0f和f0f下分別測量阻抗值，取其平均值為在工頻f0下的接地阻抗，理論分析表明誤差很小。在實(shí)測時發(fā)現(xiàn)存在避雷線分流很大的現(xiàn)象，此時地表電勢分布被大大改變，測量回路(電壓極和電流極)、架空線路與地網(wǎng)的相對位置對測量結(jié)果影響很大，該問題有待于進(jìn)一步深入研究。關(guān)鍵詞：發(fā)電廠；變電站；接地阻抗；參

2、數(shù)；測量 發(fā)電廠、變電站的地網(wǎng)對電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行有著極為重要的作用。系統(tǒng)發(fā)生短路故 障時，強(qiáng)大的短路電流流經(jīng)地網(wǎng)使得地網(wǎng)電位升高。如地網(wǎng)接地阻抗較大，地電位升高可能危及設(shè)備和人身安全。中國曾發(fā)生多起因地網(wǎng)接地阻抗不合格而導(dǎo)致的事故。1986年湖北某變電站發(fā)生短路故障1，由于接地阻抗高達(dá)1.5 ，導(dǎo)致35 kV設(shè)備多處放電、燃燒，并發(fā)展為相間短路。同時高壓竄入通訊系統(tǒng)和保護(hù)回路，造成110 kV主變燒毀以及其它大量設(shè)備損壞。為此，中國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定2，當(dāng)短路電流大于4 000 A時地網(wǎng) 接地阻抗應(yīng)不大于0.5 。因此準(zhǔn)確測量地網(wǎng)的接地阻抗非常重要。 1接地阻抗測量影響因素和應(yīng)對措施影響

3、接地阻抗測量結(jié)果的主要因素有6點(diǎn)：高頻干擾、帶電運(yùn)行的線路、測量回路的互感、避雷線分流、地中零序電流以及地下導(dǎo)體。可采取簡單措施減小地下導(dǎo)體的影響，即測量電極應(yīng)盡量遠(yuǎn)離地下管道、河流等。測量回路互感的影響可通過不平行布線，如三角形布置來消除。倘若因條件限制，測量線不 得不平行布置時，可采用四極法35。以前曾使用功率表法來消除互感的影響5。事實(shí)上，由于地網(wǎng)存在電感，接地阻抗由電阻和電抗兩部分組成 (但習(xí)慣上仍 稱之為接地電阻) 6。當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)接地阻抗大于1 時，其中電抗可忽略6。而對于220 kV及以上電壓等級的變電站，地網(wǎng)面積很大，其電抗不容忽視。如三峽地網(wǎng)接地阻抗為0.128 ，其中電阻為0.1

4、07 ，電抗為0.07 7。因此用功率表法測 量接地阻抗時，雖可消除互感影響，但同時也將地網(wǎng)電抗排除在外，使得測量結(jié)果偏小。大地中可能存在較大的零序電流，它不僅流入測量電流回路，影響電流讀數(shù)，還在電壓回路 形成壓降，影響電壓讀數(shù)。如在測量某500 kV變電站接地阻抗時發(fā)現(xiàn)，干擾電流有時大于2 A，干擾電壓有時大于3 V8。通常可用兩種方法來減小地中零序電流的影響4，6，一是增大工頻試驗(yàn)電流，二是采用倒相法。增大工頻試驗(yàn)電流即為增大信噪比，中國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 中要求測試電流不小于30 A4。但即使將測試電流提高至50 A，在某些情況下電壓僅有10 V7，與干擾電壓處在同一數(shù)量級。更何況在有些情況下

5、，如在戈壁地區(qū)，將測量電流升至1 A也很困難。而如采用倒相法，地中電流可能又不穩(wěn)定，尤其在新建變電站中。文獻(xiàn)9提出用雙矢量法來消除地中電流的影響，但該方法沒有考慮地 網(wǎng)的電抗。為了有效解決零序電流對接地阻抗測量的影響，美國國家標(biāo)準(zhǔn)ANSI/IEEE 81:1983中較早提出了異頻法10，即注入電流的頻率不同于電網(wǎng)頻率。中國在2000年發(fā)行的新版國標(biāo)中引用了該標(biāo)準(zhǔn)6。采用異頻法，不僅解決了地中零序電流的干擾，而且高頻干擾、帶電運(yùn)行線路的干擾也迎刃而解。另外，異頻法還可在變電站不停電情況下使用。新國標(biāo)中提到了頻率范圍在50 Hz到100 Hz的儀器，但頻率較大會導(dǎo)致兩個問題。一是電流的集膚效應(yīng)導(dǎo)致

6、測量結(jié)果偏大，二是接地阻抗中電感分量可能起決定作用，與實(shí)際情況不符。因此，適合的測量電流頻率為工頻±10 Hz5，在中國即為4060 Hz。該頻率距工頻太近，因此，要求電壓和電流測量設(shè)備的通頻帶不僅可變，而且很窄，技術(shù)要求很高。直到20世紀(jì)90年代澳大利亞紅相公司研制了8000(S)型地網(wǎng)參數(shù)測量成套裝置，異頻法才逐漸普及。 2異頻法測量系統(tǒng)使用8000(S)型設(shè)備測量接地阻抗，其接線原理如圖1所示。 變頻信號源4024B的最大輸出功率為1 500 VA，滿足工程需要。它輸出信號的頻率f與電網(wǎng)工頻f0的偏移量為f。4024B輸出的大功率信號進(jìn)入變壓器4023，該變壓器二次具有多達(dá)8個

7、抽頭，以匹配不同的回路電阻，產(chǎn)生較大的測量電流。4023給電流回路注入電 流I，在電壓回路產(chǎn)生壓降U，則接地阻抗為Z=U/I。電壓U和電流I的測量均使用頻 率可調(diào)萬用表4025B，該萬用表具有優(yōu)異的選頻特性，在f±2 Hz時，噪聲衰減42 d B；在f±3 Hz時，噪聲衰減56 dB。可以看出，4025B可有效消除各種工頻干擾和高頻干擾。為了實(shí)現(xiàn)一表兩用，方便電流和電壓測量間的切換，電流I可通過羅哥夫斯基線圈測量。在f0±10 Hz頻率范圍內(nèi)，接地阻抗中的電阻分量變化很小，而電抗與頻率成正比 例關(guān)系。設(shè)在f0-f和f0+f兩個頻率下測量的電阻值分別為R1和R2，電

8、 抗值為X1和X2，接地阻抗為Z1和Z2，則地網(wǎng)接地電阻為： 在頻率f0下地網(wǎng)接地阻抗為： 雖然式(1)和(2)形式相同，但含義不同。式(1)是同一個量兩次測量的平均值，而式(2)的含義是線性插值。 3數(shù)據(jù)處理及誤差分析式(3)為理論上接地阻抗計(jì)算公式。實(shí)際上，使用8000(S)型設(shè)備測量地網(wǎng)接地參數(shù)時，在每個頻率下測到的結(jié)果是接地阻抗，并不是電阻和電抗分量。在工頻f0下地網(wǎng)接地阻抗的近似計(jì)算公式為：盡管在形式上式(3)和(4)區(qū)別很大，但它們的計(jì)算結(jié)果相差甚微，以下進(jìn)行詳細(xì)分析。地網(wǎng)電抗X與電流頻率f的關(guān)系為： 那么在頻率f0-f和f0+f下，地網(wǎng)電抗分別為： 將式(8)代入式(3)，得 誤

9、差是k1和k2的函數(shù)。給定一個k2值，可以繪制一條隨k1變化的曲線，圖3為k1和k2在實(shí)際范圍時的一簇曲線。從圖中可以看出，隨著k1或k2增加，式(4)的誤差增加。但總體來看，式(4)的誤差很小。例如，取測量頻率偏差k1=f/f0=0.2，即對50 Hz工頻來說，測量的頻率為40 Hz和60 Hz。當(dāng)k2=X0/R0=0.1時，即地網(wǎng)面積很小時，=0.020%；當(dāng)k2=0.7時，即地網(wǎng)面積很大時，=0.44%。因此，用在兩個頻率下阻抗的平均值近似地網(wǎng)的工頻接地阻抗，誤差很小。 4應(yīng)用舉例8000(S)型成套裝置可以測量接地阻抗、跨步電壓、接觸電壓、地面電位分布等，該裝置在中國已得到廣泛應(yīng)用。表

10、1中為實(shí)測所得武漢某大型500 kV變電站地網(wǎng)的接地阻抗8。該地網(wǎng)面積很大，接地阻抗較小。圖3(1)為500 kV大慶變電站地表電勢分布。測量方法類似于測量跨步電勢，不同之處是電極間距離為2 m。可以看出220 kV區(qū)在2060 m范圍內(nèi)電位差大，起伏也大，說明此區(qū)域地 網(wǎng)狀況不良，可能的原因有地網(wǎng)腐蝕、焊接不良或土壤電阻率過高。35 kV區(qū)電位差小，分布平坦，比較理想。為了進(jìn)一步測試8000(S)型設(shè)備探測地網(wǎng)中導(dǎo)線斷裂的能力，在60 kV南彰黨變電站進(jìn)行了對 比試驗(yàn)。試驗(yàn)中有意切斷一根導(dǎo)體，在此前后測量了地表電勢分布，結(jié)果見圖3(2)。如導(dǎo)體連接良好，沿著導(dǎo)體電勢分布均勻、平滑。如導(dǎo)體斷裂

11、，電勢出現(xiàn)跳變點(diǎn)，電勢差約為300 V。由此可見，通過異頻法測量地表電勢分布，8000(S)型設(shè)備能靈敏檢測到地網(wǎng)腐蝕、焊接不良、導(dǎo)體斷裂、土壤電阻率過高等缺陷。 5問題分析在實(shí)測接地阻抗時須考慮避雷線的影響，測量避雷線分流也是異頻法的優(yōu)點(diǎn)之一，因?yàn)榈刂?零序電流同樣可以流經(jīng)避雷線，倘若在工頻下測量很難區(qū)分零序電流和測量電流。使用8000 (S)型設(shè)備中的頻率可調(diào)萬用表4025B和配套的羅哥夫斯基線圈，可以測得每條線路避雷線中流入的異頻測量電流，將這些電流相加即得避雷線的總分流值。 一般認(rèn)為避雷線分流不多，如無法斷開避雷線與地網(wǎng)的連接，從總注入電流I中減去避雷線分流Ie可得地網(wǎng)散流Ig1，地網(wǎng)

12、阻抗為Z=U/Ig1，其中U為電壓回路壓降。但在實(shí)際測量中發(fā)現(xiàn)避雷線分流比例可能很大，比以前認(rèn)為的值要大得多。例如，在測量500 kV遼陽變電站接地阻抗時，大約70的注入電流進(jìn)入了避雷線。測量中使用頻率45 H z，注入地網(wǎng)電流5 A，電壓回路壓降1.16 V。用頻率可調(diào)萬用表4025B和配套的羅哥夫斯基 線圈測得220 kV和500 kV架構(gòu)避雷線中的總電流為3.38 A，因此實(shí)際地網(wǎng)散流僅為1.62 A。較大的避雷線分流Ie大大影響地表電勢分布，下面進(jìn)行詳細(xì)分析。注入電流I先流入地網(wǎng)，然后分成兩部分(如圖4所示)。Ig1直接進(jìn)入大地，Ie首先進(jìn)入避雷線，經(jīng)桿塔接地阻抗分流為Ig2、 Ig3

13、，再進(jìn)入大地。每一個進(jìn)入大地的電流都產(chǎn)生一個電勢分布，圖4中下為電勢沿著線路方向分布，圖中沒有繪出從電流極返回電流產(chǎn)生的電勢分布。圖4中的曲線按一定比例繪制，具體見表2。通常認(rèn)為電流I的電勢分布沿著離開地網(wǎng)的方向逐漸下降，如曲線1所示。但由于通過避雷線的電流Ie將經(jīng)桿塔返回大地，實(shí)際電勢分布如曲線6所示。因Ie經(jīng)多個桿塔返回(理論上講，沿線路每一個避雷線與桿塔直接連接處都有電流流入大地)，曲線6呈波浪型。在測量遼陽變電站接地阻抗時，I=3 Ig1，避雷線分流為地網(wǎng)散流的2倍，電勢分布起伏更大。在此情況下，測量回路(電壓極和電流極)、架空線路與地網(wǎng)的相對位置對測量結(jié)果有重大影 響。如它們位于地網(wǎng)

14、的同側(cè)，總注入電流I在電壓回路壓降為圖中U1；如它們位于地網(wǎng)的 兩側(cè)，I在電壓回路壓降為U2；如在其它位置，I在電壓回路壓降介于U1和U2之間。當(dāng)避雷線分流較大時，U1和U2差別也大。 通過直接觀察或理論計(jì)算，在圖4中有U22U1。電壓回路還有地回路返回電流I產(chǎn)生的壓降U3，因此在上面兩種電極布置情況下電壓回路壓降分別為U2U3和U1U3。實(shí)際上，變電站出線往往不在同一方向，因此情況更加復(fù)雜。不論測量回路和架空線路與地網(wǎng)的相對位置如何，測量中只能得到一個電壓值。但在計(jì)算接地阻抗時又面臨一個難題，電流應(yīng)取I=Ig1+Ie還是取Ig1。即使已知地面電勢分布，也無法證明選擇I還是Ie更加正確。為了防

15、止避雷線分流，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建議測量中斷開避雷線4，6。即便如此，避雷線中的電流仍不能忽視。例如，在60 kV南彰黨變電站，避雷線在站內(nèi)沒有接地，而是在站外第一基桿塔接地。在測量該站接地阻抗時發(fā)現(xiàn)，流入避雷線的電流占注入電流的16。因此，在測量變電站接地阻抗時避雷線的分流問題有待于繼續(xù)深入研究。目前可采取的措施 有：測量避雷線中電流值，斷開分流較大的避雷線與地網(wǎng)的連接；電壓極和電流極應(yīng)遠(yuǎn)離有避雷線的桿塔，不論線路是否帶電。 6結(jié)論利用異頻法測量變電站工頻接地參數(shù)能夠有效地消除工頻和高頻干擾，應(yīng)大力普及。8000(S)型設(shè)備通過測量地表電位分布，可準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)地網(wǎng)存在的缺陷。在與工頻f 0對稱的兩個頻率

16、f0f和f0f下分別測量阻抗值，取其平均值為在工頻f0下的接地阻抗，理論分析表明誤差很小。如避雷線分流過大，地表電勢分布被大大改變，測量回路(電壓極和電流極)、架空線路與地網(wǎng)的相對位置對測量結(jié)果有很大影響。測量時應(yīng)斷開分流較大的避雷線與地網(wǎng)的連接，電壓極和電流極應(yīng)遠(yuǎn)離帶有避雷線的桿塔。建議繼續(xù)深入研究解決避雷線的分流問題。 參考文獻(xiàn) 1何金良. 現(xiàn)代電力系統(tǒng)接地技術(shù)R. 清華大學(xué)電極工程與應(yīng)用電子系技術(shù)報告, 2002.62中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn): 電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程(DL/T 5961996)S. 3陳家斌. 接地技術(shù)與接地裝置M. 北京：中國電力出版社，2003.4中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn): 接地裝置工頻參數(shù)的測量導(dǎo)則(DL 475199 2)S.5李建明，朱康. 高壓電氣設(shè)備試驗(yàn)方法M. 中國電力出版社，2001.6中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn): 接地系統(tǒng)的土壤電阻率、接地阻抗和地面電位測量導(dǎo)則，第一部分：常規(guī)測量(GB/T 17949.12000)S.7陳鵬云，朱慶翔，吳伯華等. 大型接地網(wǎng)測試技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用J. 高電壓技術(shù)，29(10): 18-19, 2003.8陳鵬云，劉晉，吳伯華等. 大