帶分流系數(shù)的變電站接地網(wǎng)測試評估方法探討

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(1.廣州供電局電力試驗研究院，廣州 510410；2. 武漢大學 電氣工程學院，武漢 430072)

0 引言

變電站接地網(wǎng)是確保電力系統(tǒng)、電氣設備的安全運行和電力系統(tǒng)運行人員人身安全的重要基礎[1]，其屬于變電站的隱蔽性工程，為變電站內各種電氣設備提供零電位參考點，作為故障電流和雷電流的泄流通道，穩(wěn)定電位[2]。

隨著超高壓、大容量和遠距離成為現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，系統(tǒng)故障電流愈來愈大，電力系統(tǒng)對接地網(wǎng)的要求越來越高[3]。根據(jù)DL/T 475-2006《接地裝置特性參數(shù)測量導則》，對于已經(jīng)運行的變電站，正常情況下宜每5～6年測試一次，對變電站的接地網(wǎng)狀態(tài)進行評估[4]。

對于已經(jīng)運行的大型變電站，由于地線安裝的原因或者地線為光纖復合架空地線，一般不能斷開架空地線與構架之間的連接，且構架又與接地網(wǎng)多點連接，由此導致進出線與接地網(wǎng)之間導通行非常好。在接地網(wǎng)狀態(tài)測試評估中，一部分測試電流將會通過進出線的地線流出，若直接將其忽略會導致測量得到的接地阻抗值比實際接地阻抗值小[5]。若要準確測量出接地網(wǎng)的接地阻抗，需要測量計算分流系數(shù)，加以修正接地阻抗測量值。但對于大型變電站接地網(wǎng)的狀態(tài)評估，測量分流系數(shù)的任務量非常巨大，且容易產生誤差[6]。

根據(jù)GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》，在經(jīng)接地網(wǎng)入地的最大接地故障不對稱電流下，地電位升不能超過2 kV，在符合相應規(guī)范條件(例如接觸電位差、跨步電位差符合要求)下，可以提高至5 kV[7]。必要時，采取的措施可確保人身和設備安全可靠時，接地網(wǎng)地電位升高還可進一步提高[8]。對于不同變電站，最大入地短路電流是不同的，計算得到的不同變電站的接地阻抗允許值也是不同的，但不同變電站的地電位升允許值是相同的。由此可以通過測量計算得到變電站的地電位升，與國家相關標準允許值對比，進而確定變電站接地網(wǎng)的接地電阻是否符合要求。

筆者將通過對廣州某大型變電站接地網(wǎng)進行實測，以完成對其接地網(wǎng)狀態(tài)的測試評估。通過兩套不同廠家生產的測量設備對分流系數(shù)的測量可知，大型變電站分流系數(shù)測量十分繁瑣，且出線構架分流系數(shù)的微小誤差將會帶來接地網(wǎng)分流系數(shù)的大誤差，從而導致變電站接地網(wǎng)接地阻抗計算值的巨大波動。通過討論可知，在大型變電站接地網(wǎng)狀態(tài)測試評估中，可以繞過測量分流系數(shù)計算接地阻抗真實值這一環(huán)節(jié)，直接測量計算得到地電位升，并結合所測量的接觸電位差和跨步電位差等數(shù)據(jù)來衡量大型變電站接地網(wǎng)的運行狀態(tài)是否符合國家標準相關要求。

1 接地網(wǎng)狀態(tài)測試評估原理和方法

1.1 三級法測量接地阻抗簡介

按電流源特性，可以將接地阻抗測量方法分為工頻大電流法和異頻電流法。工頻電流法為傳統(tǒng)方法，為降低工頻干擾，提高信噪比、減小誤差，需要較大的試驗電流[9]。異頻電流法是采用頻率異于工頻但又接近工頻的電流作試驗電流進行測量的方法，此方法用非50 Hz試驗電源將工頻干擾與測量信號分離開來，消除其所致測量誤差，因此測試電流不需太大就可提高測量精度，還可大大減小設備重量[10]。推薦試驗電流在3～20 A之間，頻率在40 Hz～60 Hz之間。

對該大型變電站接地網(wǎng)狀態(tài)測量，使用的是電流、電壓表三級法，如圖1所示。在接地網(wǎng)(G)外利用電流輔助接地極(C)向接地網(wǎng)注入電流I0，測量接地網(wǎng)內指定點G與P點的電位差UGP，再求得接地網(wǎng)的接地阻抗[11]。按照國家標準相關要求，電流輔助極、電壓輔助極距接地網(wǎng)邊緣4～5D，D為接地網(wǎng)的最大對角線長度。為減小引線互感對測量結果的影響，兩線的夾角宜大于90度[12]。

圖1 三極法測量接地阻抗示意圖Fig.1 Three stage method for measuring ground impedance

1.2 修正系數(shù)和分流系數(shù)

根據(jù)測量所得電壓和電流，可得接地阻抗測量值為

式中：UGP為測量的電壓相量，I0為測量的電流相量，Z2為由測量的電壓相量和電流相量計算得到的接地阻抗，即接地阻抗測量值。

由于電壓極和電流極位置并不是在理想的無窮遠處零電位點，需要對接地阻抗進行修正，修正系數(shù)公式和經(jīng)過修正系數(shù)修正之后的接地阻抗公式為

Z1=k1Z2

式中：Z2為接地阻抗測量值；Z1為修正后的接地阻抗值；k1為修正系數(shù)；D為被測接地網(wǎng)的最大對角線長度；DCG為待測地網(wǎng)與電流極的直線距離；DPG為待測地網(wǎng)與電壓極的直線距離；DPC為電壓極與電流極的直線距離[13]。

需要注意的是，此時測量得到的接地阻抗未考慮分流系數(shù)。為得到變電站接地阻抗真實值，需要進一步測量分流系數(shù)[14]。

接地網(wǎng)分流測試示意圖，如圖2所示。在注入測量電流I1之后，有一部分經(jīng)過變電站自身接地網(wǎng)流入大地，回到遠端；另一部分電流經(jīng)過架空地線流入遠方地網(wǎng)。

圖2 接地網(wǎng)分流測試示意圖Fig.2 Sketch map of grounding network shunt test

在測量時，施加測試電流后，使用羅氏線圈測量每一個出線構架的電流，電流參考方向如上圖所示。則通過架空地線的電流占測試電流的比例為：

則經(jīng)過變電站自身接地網(wǎng)流入大地回到遠端的電流占測試電流的比例為

k=1-k2

由此，可以計算出接地阻抗的真實值為

1.3 地電位升的計算方法

在測量出變電站接地阻抗真實值和分流系數(shù)后，根據(jù)被測變電站提供的流經(jīng)接地點短路電流，可以計算出變電站的地電位升為

U=Z(kImax)

式中：Imax為被測變電站最大短路電流，U為變電站的最大地電位升。

但值得注意的是，由上述討論可知：

U=Z(kImax)=(kZ)Imax=Z1Imax

在上式中，沒有接地阻抗真實值和分流系數(shù)。由此可知，確定變電站地電位升時，不需要測量變電站的分流系數(shù)。

根據(jù)《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》，變電站的接地阻抗允許值是根據(jù)地電位升和最大入地短路電流確定的。而通過上述計算地電位升的方法，即使用經(jīng)過修正系數(shù)修正之后的接地阻抗與被測變電站提供的流經(jīng)接地點短路電流的乘積，然后與國家相關標準的最大地電位升允許值對比，則可判斷變電站的接地阻抗是否符合要求。

1.4 接觸電位差和跨步電位差的測量方法

在大型變電站接地網(wǎng)狀態(tài)測試評估中，除需要檢測接地網(wǎng)的接地電阻是否滿足要求外，還需要檢測變電站的接觸電位差和跨步電位差是否在允許范圍之內。

變電站的接觸電位差和跨步電位差的測量原理如圖3所示。

圖3 接觸電位差和跨步電位差測試原理圖Fig.3 Schematic diagram of contact potential difference and step potential difference test

測量接觸電位差時，將電流注入點引至待測設備外殼或構架上，高內阻電壓表V1的一端接至地面上離設備外殼或構架水平距離1.0 m的測量極上，電壓測量極采用銅盤，銅盤底面澆水并讓測量人員踩在上面，保證銅盤與地表良好接觸，電壓表的另一端接至設備外殼或構架離地面1.8 m處。加測量電流I，讀取電壓表指示值可測出通過主地網(wǎng)電流I對應的接觸電壓Ej。

測量跨步電位差時，電流注入點取接地短路電流可能流入接地網(wǎng)的地方注入，在水泥地面上測量時，需在測量點放置兩塊包裹濕抹布、半徑約為10 cm的圓盤電極，并讓測量人員踩在上面，保證銅盤與地表良好接觸，高內阻電壓表V2的兩端分別接至兩根測量極上。加測量電流I，讀取電壓表指示值可測量出通過主地網(wǎng)電流I對應的跨步電壓Ek。

經(jīng)下式簡單換算，即可得到接地網(wǎng)的最大接觸電位差和最大跨步電位差。

式中：Ejmax、Ekmax分別為換算后的最大接觸電位差與跨步電位差；Imax為最大短路電流。

2 接地網(wǎng)狀態(tài)測試評估實測

2.1 被測變電站簡介

為了評估某大型變電站接地網(wǎng)狀態(tài)，使用三級法測量其接地電阻，并對進出線地線的分流進行測量，計算其分流系數(shù)。最后測量了該變電站的接觸電位差和跨步電位差。

下面是該變電站的基本情況如下：

被測變電站位于廣州市，為500 kV變電站。共有22回出線構架，其中14回220 kV出線，分別為A甲乙出線、B甲乙出線、C甲乙線、D甲乙出線、E甲乙出線、F甲乙出線和G甲乙出線；8回500 kV出線，分別為a甲乙出線、b甲乙出線、c甲乙出線和d甲乙出線。

2.2 未考慮分流系數(shù)的接地阻抗測量結果

被測變電站接地阻抗的測量使用了兩個不同設備生產廠家的設備(分別為設備A和設備B，如圖4和5所示)，測量方法為前文所介紹的三級法。測量結果如表1所示。

圖4 測量所用設備AFig.4 Measuring equipment A

圖5 測量所用設備BFig.5 Measuring equipment B

從表1的測量結果可以看出：設備A和設備B通過施加48 Hz和52 Hz、46 Hz和54 Hz的測試電流所測得的接地阻抗值基本相同。使用設備A和設備B測量的平均值0.230 Ω可以等效于接地網(wǎng)的工頻接地阻抗測量值。

表1 被測變電站地網(wǎng)接地阻抗測量結果Table 1 Impedance measurement results of grounding grid of substation under test

2.3 分流系數(shù)的測量和接地阻抗真實值計算

在2.2基礎上，利用大功率信號源持續(xù)向地網(wǎng)注入頻率為46 Hz、6.098 A的測試電流，采用羅氏線圈測量每一個與接地網(wǎng)相連的金屬構架、避雷線引下線和電纜屏蔽層等設備上的分流矢量。接地網(wǎng)分流測試現(xiàn)場如圖6所示。

圖6 接地網(wǎng)分流測量現(xiàn)場圖Fig.6 Photo of grounding grid shunt measurement

為了提高測量準確度，測量時同樣采用了設備A和設備B兩套設備，其中設備A所測出線構架分流系數(shù)為89%，設備B測量的出線構架分流系數(shù)為92%。此次測量雖然成功測量出地網(wǎng)分流系數(shù)，但是22回出線構架共需要測量有160個數(shù)據(jù)，工程量巨大，耗時費力。雖然兩套設備地網(wǎng)分流系數(shù)測量結果僅差3%，說明測量結果是較為準確的。但是地網(wǎng)接地阻抗經(jīng)換算后分別為2.09 Ω與2.88 Ω，相差37.80%。最后的結果誤差較大。

2.4 被測電站最大地電位升計算

經(jīng)過上述分析可知，在測量變電站的接地阻抗時，需要對分流系數(shù)進行測量。而對于大型變電站，出線構架分流系數(shù)較大，相應的接地網(wǎng)分流系數(shù)就越小。出線構架分流系數(shù)的微小誤差將會帶來接地網(wǎng)分流系數(shù)的大誤差，從而導致接地阻抗測量值的不準確。

根據(jù)《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》可知，接地電阻允許值是根據(jù)接地網(wǎng)電位升高允許值規(guī)定的：

式中：R為采用季節(jié)變化的最大接地電阻(Ω)；IG為計算用經(jīng)接地網(wǎng)入地的最大接地故障不對稱電流有效值(A)。

在滿足某些規(guī)定時，接地網(wǎng)地電位升高可以提高至5 kV。必要時，經(jīng)專門計算，且采取的措施可確保人身和設備安全可靠時，接地網(wǎng)地電位升高可超過5 kV。

則可以通過測量計算接地網(wǎng)地電位升，將所得地電位升與國家標準的2 kV或者5 kV進行比較，即可得知接地網(wǎng)的接地阻抗是否符合要求。此時，可以將分流系數(shù)的測量繞開，減少接地網(wǎng)測量評估的工作量，對實際測量具有很大意義。

本文在對被測變電站進行評估監(jiān)測，已經(jīng)得到未考慮分流系數(shù)的接地電阻為0.230 Ω，又依據(jù)被測變電站母線短路電流數(shù)據(jù)(500 kV側最大短路電流為Imax=60 kA)，可以計算最大地電位升為U=Z1·Imax=13.8 kV。

可知，被測變電站的最大地電位升高，已經(jīng)遠超過國家標準的5 kV，需要對被測變電站的接地網(wǎng)進行改造。

2.5 接觸電位差和跨步電位差的實測

根據(jù)《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》要求：

接觸電位差Ej允許值按照下式計算：

式中：ρb為地表土壤電阻率，Ω·m；Cs為表層衰減系數(shù)；下雨潮濕混凝土地面ρbCs取100 Ω·m；干燥混凝土地面ρbCs取500 Ω·m；ts為接地短路故障的持續(xù)時間,取0.4s。

潮濕混凝土地面：

干燥混凝土地面：

跨步電位差允許值按照下式計算：

式中：同上

潮濕混凝土地面：

干燥混凝土地面：

在地網(wǎng)注入5 A異頻電流，測量在變電站中可能有接地短路電流流過的電力設備外殼或構架上的接觸電位差,及在變電站中工作人員經(jīng)常活動的區(qū)域的跨步電位差，根據(jù)測量結果，得到其跨步電位差最大值為2.02 mV，最大接觸電位差為37.30 mV。

經(jīng)簡單計算(取最大短路電流為60 kA)，換算后最大跨步電位差為23.94 V，遠低于允許的安全限值；而最大接觸電位差為442 V，略高于安全閥值(409 V)。建議通過對其附近地網(wǎng)(半徑5 m)局部加密來降低其地網(wǎng)接觸電位差或在其地表面敷設瀝青、礫石等高阻層來提高接觸電位差的安全閾值[15]。

3 結論

以相關國家標準為依據(jù)，以廣州某變電站測量為背景，通過分析，得到以下結論。

1)通過實際測量可知，對于大型變電站，為了得到較為準確的接地阻抗值，需要測量每個構架的分流情況，這樣不僅操作上繁瑣，且出線構架分流系數(shù)的微小誤差將會帶來接地網(wǎng)分流系數(shù)的大誤差，從而導致接地阻抗計算值的不準確。

2)長期以來，接地網(wǎng)的接地阻抗是衡量接地網(wǎng)運行狀態(tài)的一個重要指標。根據(jù)相應的國家標準，接地阻抗允許值是根據(jù)地電位升允許值、最大入地短路電流確定的。而計算變電站接地網(wǎng)接地電阻的真實值，需要測量分流系數(shù)，但計算最大地電位升不需要測量和計算分流系數(shù)。由此，可以通過測量計算最大地電位升，與國家標準規(guī)定的地電位升允許值比較來評價接地網(wǎng)接地阻抗是否滿足要求,即不需要準確測量得到變電站接地阻抗真實值。此種方法可以繞開分流系數(shù)的測量和計算，這對大型變電站接地網(wǎng)狀態(tài)測試評估具有重要的實際意義。