接地網(wǎng)接地阻抗測試方法誤差分析

徐碧川，萬 華，龍國華，周友武，周龍武，張 競

0 引言

發(fā)電廠和變電站接地網(wǎng)是變電站設(shè)備的重要組成部分，它不僅為變電站內(nèi)各電氣設(shè)備提供公共的參考地，同時在系統(tǒng)發(fā)生接地故障時還起到了泄放故障電流、改善地表電位分布的作用，對于保障站內(nèi)一、二次設(shè)備以及人員的安全有著至關(guān)重要的作用[1-3]。

在接地網(wǎng)接地性能參數(shù)異常的情況下，系統(tǒng)接地短路或遭受雷擊，會導(dǎo)致電位的異常抬升和地表電位的異常分布，從而對站內(nèi)人員、設(shè)備的安全造成威脅，特別是地網(wǎng)反擊造成二次設(shè)備絕緣擊穿，導(dǎo)致監(jiān)測、控制或保護(hù)設(shè)備誤動或拒動而“間接”導(dǎo)致事故擴(kuò)大，造成嚴(yán)重的事故，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。

接地阻抗的測量在接地網(wǎng)全過程管理階段是最常用的測試手段，也是反映接地網(wǎng)接地性能的最直觀體現(xiàn)，它能在一定程度上為變電站運(yùn)維人員提供接地網(wǎng)安全性能的參考。本文通過對江西電網(wǎng)變電站主地網(wǎng)運(yùn)維情況資料的收集、調(diào)研，總結(jié)出接地網(wǎng)運(yùn)維檢修過程中接地阻抗測試存在的典型問題，并針對接地阻抗測試方法不當(dāng)?shù)母鞣N情況帶來的測試誤差進(jìn)行仿真與分析，并提出相應(yīng)的建議。

1 接地網(wǎng)接地阻抗測試問題分析

在江西電網(wǎng)變電站接地網(wǎng)交接、運(yùn)維檢修階段，發(fā)現(xiàn)了接地阻抗測試存在如下典型問題：

1）接地阻抗測試超期。未按照接地阻抗例行測試的周期進(jìn)行測試。

2）測試放線長度不符合測量導(dǎo)則要求。文獻(xiàn)[4]要求：“測試接地裝置工頻特性參數(shù)的電流極應(yīng)布置得盡量遠(yuǎn)，通常電流極與被試接地裝置邊緣的距離應(yīng)為被試接地裝置最大對角線長度的4-5倍”。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，在進(jìn)行接地阻抗測試時，部分電流極的放線長度未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

3）零電位點確定方法不規(guī)范。直線法測量接地阻抗時，需要移動電位極尋找零電位點。文獻(xiàn)[4]要求，電位極應(yīng)在與被測接地裝置與電流極連線方向移動三次，每次移動距離為電流極距接地裝置邊緣距離的5%，當(dāng)三次測試的結(jié)果誤差在5%以內(nèi)即可。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，部分測量中未尋找零電位點，直接將單次測試結(jié)果作為變電站接地阻抗值，在零電位點的尋找過程中，移動距離不夠、移動位置嚴(yán)重偏移等現(xiàn)象較為普遍。

4）放線時電流線與電壓線距離太近。采用直線法測試接地阻抗時，為了避免互感對測試結(jié)果帶來的影響，文獻(xiàn)[4]要求電位線和電流線保持盡量遠(yuǎn)的距離。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，部分測試過程中，未將電位線和電流線隔遠(yuǎn)，給測試結(jié)果帶來誤差。例如在某次測試中，電位線與電流線相隔距離只有80 cm左右，并行長度超過1 km，此時互感會對測量結(jié)果帶來較大影響。

5）未考慮外延接地系統(tǒng)分流的影響。在對運(yùn)行變電站進(jìn)行接地阻抗測試時，未考慮連接到主地網(wǎng)的避雷線或進(jìn)線電纜外護(hù)套在測試過程中分流的影響，造成測試結(jié)果普遍偏小，不能真實反映變電站地網(wǎng)接地阻抗值。

2 接地阻抗測試誤差仿真分析

接地網(wǎng)具有隱蔽工程的特點，所處環(huán)境和影響因素復(fù)雜，接地阻抗的準(zhǔn)確測量，特別是大型接地網(wǎng)的測量，長期以來一直是困擾國內(nèi)外接地技術(shù)工作者，但又必須面對并解決的技術(shù)難題。

2.1 測試放線長度不足

直線法測試誤差來源并不單一，除了放線長度、引線互感，還有零電位點的確立等人為因素，特別是直線法測試時，電壓極移動存在極大的不規(guī)范性，移動距離不夠或者根本未進(jìn)行測距，移動時由于路徑等現(xiàn)場因素導(dǎo)致角度嚴(yán)重偏移，直線法的測試存在諸多問題。故本文主要分析夾角法的放線長度帶來的測試誤差。

為了分析方便，建立了一個標(biāo)準(zhǔn)的簡易接地網(wǎng)模型，接地網(wǎng)尺寸為100 m×100 m，最大對角線長度140 m，網(wǎng)格尺寸為10 m×10 m，接地導(dǎo)體為截面積480 mm2的扁鋼，運(yùn)用CDEGS對不同的布線方法進(jìn)行仿真，分析布線方法的差異帶來的誤差。

土壤電阻率取100 Ω·m，應(yīng)用上述標(biāo)準(zhǔn)接地網(wǎng)模型進(jìn)行仿真，在接地軟件CDEGS[5-6]的MALZ模塊中計算地網(wǎng)接地阻抗真實值為0.4 570∠0.69°Ω，測試方法選用文獻(xiàn)[4]中的夾角法，夾角取180°和90°，測試電流用異頻法48 Hz/10A，采用兩種放線距離分別進(jìn)行測試：

方案1：電流線自接地網(wǎng)向東布置，電流極至接地網(wǎng)邊緣300 m（2D），電壓線自接地網(wǎng)向西布置，電壓極至接地網(wǎng)邊緣300 m（2D）。

方案2：電流線自接地網(wǎng)向東布置，電流極至接地網(wǎng)邊緣700 m（5D），電壓線自接地網(wǎng)向西布置，電壓極至接地網(wǎng)邊緣700 m（5D）。

圖1 180°夾角法布線示意

圖2 90°夾角法布線示意

由于電流極的引入對電壓極電位造成了影響，將導(dǎo)致接地網(wǎng)與電位極之間電位差測量值較地網(wǎng)真實電位升高偏小，此偏差可以通過文獻(xiàn)[4]中的公式進(jìn)行修正。

運(yùn)用CDEGS對上述兩種放線長度的測試情況進(jìn)行仿真，結(jié)果見表1。

表1 夾角法放線距離不同的測試誤差對比

從表1中的結(jié)果來看，在夾角法的應(yīng)用過程中，2D和5D的放線距離差別導(dǎo)致了接地網(wǎng)直接測試值存在10%左右的差別，而在修正系數(shù)對測試值進(jìn)行修正后，該偏差被進(jìn)一步放大，導(dǎo)致了接近20%的差別。5D的放線距離最終的接地阻抗誤差僅有7.02%，遠(yuǎn)小于2D的放線距離的測試結(jié)果。

放線距離過小導(dǎo)致了接地阻抗的最終測試值與真實值產(chǎn)生明顯的偏差，造成偏差的主要原因是修正系數(shù)的原理性誤差。從修正系數(shù)的推導(dǎo)過程可以看出，所有推導(dǎo)都是基于均勻土壤下接地網(wǎng)的半球形等效模型，在放線距離過短的情況下，接地網(wǎng)散流在小范圍內(nèi)的地表電位分布與半球形散流模型存在較大差別，從而導(dǎo)致了接地阻抗修正后，測量偏差被進(jìn)一步放大。該偏差在非均勻的土壤中以及夾角小于180°的測試方案下會被進(jìn)一步放大。

2.2 引線間互感

為了分析方便，同樣建立一個標(biāo)準(zhǔn)的簡易接地網(wǎng)模型，用來模擬典型220 kV變電站主地網(wǎng)尺寸，接地網(wǎng)尺寸為200 m×200 m，最大對角線長度280 m，網(wǎng)格尺寸為10 m×10 m，接地導(dǎo)體為截面積480 mm2的扁鋼，運(yùn)用CDEGS對不同的布線方法進(jìn)行仿真，分析引線互感對測試結(jié)果帶來的誤差。

如果接地網(wǎng)處于表2所示的中等土壤電阻率的條件下，運(yùn)用CDEGS仿真得到接地網(wǎng)接地阻抗真實值為0.5048∠0.53°Ω。其他條件不變，再次進(jìn)行仿真，結(jié)果見表3。

表2 層狀土壤結(jié)構(gòu)

表3 不同布線間距情況下的誤差對比

從計算結(jié)果來看，在平均布線間距為2.5 m時，互感阻抗達(dá)接地阻抗真實值的1.15倍，此時接地阻抗的測試值為真實值的1.52倍。

通過對110 kV、220 kV、500 kV典型變電站接地網(wǎng)仿真，推薦110 kV變電站放線間距至少4 m，220 kV變電站放線間距至少8 m，500 kV變電站放線間距至少9 m，以上計算值均為平均土壤電阻率為100 Ω·m的前提下仿真計算得出，在土壤電阻率較高的地區(qū)布線間距下限可以適當(dāng)放寬，此時引線互感導(dǎo)致的接地網(wǎng)測量誤差可控制在10%以內(nèi)。然而，考慮現(xiàn)場土壤分布的不均勻性，電壓極在0.5～0.6倍dCG之間移動5%時，測量結(jié)果變化變化往往超過5%，且沒有規(guī)律，直線法在尋找零電位點的過程存在困難，且測試工作量較大。

綜上所述，220 kV及以上電壓等級的變電站接地網(wǎng)接地阻抗不推薦采用直線法進(jìn)行測量，如果受條件限制必須用直線法測量的，必須保證上述放線間距，且在結(jié)合GPS定位的情況下，按照規(guī)程移動電壓極準(zhǔn)確的找到零電位點，方能保證測試結(jié)果的可信度。

2.3 外延接地系統(tǒng)的分流

對接地網(wǎng)進(jìn)行接地阻抗測試時，外延接地系統(tǒng)會將一部分測試電流分走，使得通過接地網(wǎng)入地的電流減小，從而使測試結(jié)果偏小。外延接地系統(tǒng)包括與接地網(wǎng)連接的架空出線避雷線、與地網(wǎng)連接的電纜外護(hù)套、與接地網(wǎng)焊接的消防水管和其它金屬體等，架空地線分流如圖3所示。

圖3 架空地線接入變電站地網(wǎng)后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和分流

廠站發(fā)生短路時，其分流系數(shù)是由系統(tǒng)中的電流分布決定的，因而影響分流系數(shù)的參數(shù)有：廠、站接地阻抗、桿塔接地阻抗、地線和相線自阻抗、相線和地線間的互阻抗、以及從母線看系統(tǒng)的等值阻抗。這些參數(shù)很大一部分與線路參數(shù)關(guān)系密切。

對江西某110 kV變電站進(jìn)行分流系數(shù)的仿真，本期110 kV側(cè)2回進(jìn)線，根據(jù)具體參數(shù)，運(yùn)用ATP對該變電站進(jìn)行建模仿真，仿真得到站內(nèi)單相及兩相接地短路時，短路電流Is、避雷線流過的電流Ib、以及接地網(wǎng)入地電流Ig的有效值見表4，其中，兩相接地短路電流分流波形見圖4。

表4 某110 kV變電站短路電流水平

圖4 兩相接地短路電流分流波形

可見，本期遠(yuǎn)期2回出線的情況下，站內(nèi)短路時避雷線分走的電流約占短路電流的72.9%。如果在實際測量中，接地阻抗測量值為0.3 Ω，則接地阻抗的實際值應(yīng)為0.3/（1-0.729）=1.11 Ω?？梢?，在接地網(wǎng)接地阻抗測試中，不進(jìn)行分流系數(shù)的測試，將導(dǎo)致測試結(jié)果嚴(yán)重偏離真實值。

在進(jìn)行變電站接地網(wǎng)的設(shè)計階段，設(shè)計單位必須對廠站進(jìn)行分流系數(shù)的計算，以確定接地網(wǎng)接地阻抗設(shè)計值是否滿足變電站安全的要求[7]。對于詳細(xì)的分流系數(shù)，應(yīng)根據(jù)實際的變電站設(shè)備及出線參數(shù)進(jìn)行仿真計算，且計算工況包括各種運(yùn)行方式下的各種接地短路故障，包括站內(nèi)短路故障以及站外短路故障。然而，隨著變電站投運(yùn)后，新增的出線以及變化的接地網(wǎng)及桿塔的接地阻抗將可能導(dǎo)致分流系數(shù)發(fā)生較大變化，特別是電纜外護(hù)套對分流系數(shù)的影響較大，同時隨著主變的新增以及系統(tǒng)短路容量的增加，從而導(dǎo)致入地電流也發(fā)生較大變化，故分流系數(shù)的測量應(yīng)作為接地網(wǎng)安全性評估的重要環(huán)節(jié)而被重視起來。

3 外延接地系統(tǒng)分流系數(shù)實測

在對2.3中的江西某110 kV變電站進(jìn)行接地阻抗的測試時，進(jìn)行分流系數(shù)的實測，測試儀器選用DF9000變頻大電流接地特性測試儀。對接地網(wǎng)產(chǎn)生分流的只有110 kV的兩回線路的避雷線，由于該站10 kV電力出線為單端接地，故可以不考慮電纜護(hù)套的分流。在測量接地阻抗的同時，用羅氏線圈圈住出線門型構(gòu)架各個架腳，以注入電流為0相位，基準(zhǔn)向量通過無線發(fā)射裝置發(fā)出相位參考，分流測試單元接收該信號，從而測出各部分為分流向量的幅值和相角，現(xiàn)場測試如圖5所示。注入的測試電流幅值3.07 A，即I0=3.07∠0°A各架腳測量所得的分流電流向量見表5。

圖5 分流系數(shù)的測量

表5 分流測試數(shù)據(jù)

則通過地網(wǎng)散流的電流Ig=3.07∠0°+2.08∠-177.4°=0.99∠-185.5°A。避雷線分流系數(shù)為67.8%，地網(wǎng)分得總電流的百分比為32.2%。

可見，本期2回出線的情況下，站內(nèi)短路時避雷線分走的電流約占短路電流的67.8%，這與仿真值72.9%比較吻合，說明仿真模型比較接近實際。

4 結(jié)論及建議

1）在夾角法的運(yùn)用過程中，如果放線距離不夠，修正系數(shù)引入的原理性誤差會導(dǎo)致測試結(jié)果產(chǎn)生較大偏差，該偏差隨著夾角法夾角的變小和土壤的不均勻度變大而增加，180°反向法是克服不均勻土壤影響、減小放線距離不足帶來的影響的有效方法。

2）220 kV及以上電壓等級的變電站接地網(wǎng)接地阻抗不推薦采用直線法進(jìn)行測量，如果受條件限制必須用直線法測量的，必須保證引線間距，且在結(jié)合GPS定位的情況下，按照規(guī)程移動電壓極準(zhǔn)確的找到零電位點，方能保證測試結(jié)果的可信度。

3）在接地網(wǎng)接地阻抗測試中，不進(jìn)行分流系數(shù)的測試，將導(dǎo)致測試結(jié)果嚴(yán)重偏離真實值，在測試接地阻抗時，應(yīng)同時進(jìn)行分流系數(shù)的測量。

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[6]牛曉民.電力系統(tǒng)接地分析軟件CDEGS簡介[J].華北電力技術(shù)，2004，12（12）：29-31.

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