基于CDEGS探討前期數(shù)據(jù)采集

云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司紅河供電局 王允光 余 煒 郭 濤 沈 映 朱啟龍 續(xù)所良 解延毅

變電站的地網(wǎng)測試按照常規(guī)的測試方法關(guān)注焦點(diǎn)單純集中在接地阻抗上，而基于CDEGS 的數(shù)據(jù)采集圍繞故障情況下地電位升、網(wǎng)內(nèi)電位差、跨步電位差和接觸電位差4個(gè)安全性能指標(biāo)，從接地網(wǎng)均壓性能、健康性能、散流性能，多個(gè)要素多個(gè)具體方面進(jìn)行多維度評(píng)價(jià)。結(jié)合現(xiàn)場測試和理論計(jì)算，準(zhǔn)確給出接地網(wǎng)入地故障電流、接地阻抗、接觸電壓、跨步電壓、地網(wǎng)電位分布、地網(wǎng)完整性、地網(wǎng)金屬導(dǎo)體腐蝕情況等現(xiàn)時(shí)狀態(tài)，通過實(shí)測和計(jì)算相結(jié)合的方法分析接地網(wǎng)的安全性。依據(jù)狀態(tài)評(píng)估結(jié)果采取有針對性的整改措施，從而保證電氣設(shè)備的安全運(yùn)行和人員的人身安全。

測試主要圍繞以下進(jìn)行：變電站的視在土壤電阻率測試和土壤結(jié)構(gòu)分析；接地網(wǎng)參數(shù)測試、接地網(wǎng)的完整性測試和接地網(wǎng)接地扁鐵的腐蝕診斷檢查；接地網(wǎng)和接地扁鐵熱穩(wěn)定校驗(yàn)；接地網(wǎng)接地電阻仿真計(jì)算；單相接地短路電流計(jì)算；變電站發(fā)生單相接地故障時(shí)地網(wǎng)導(dǎo)體電位升高（GPR）；變電站發(fā)生單相接地故障時(shí)跨步電壓和接觸電壓；選點(diǎn)開挖檢查。

1 測試相關(guān)

1.1 土壤電阻率

土壤電阻率測試的一般要求如下：應(yīng)避免在雨后立即測量接地電阻。測量中當(dāng)儀表的靈敏度過高時(shí)可將電極的位置提高，使其插入土中淺些。當(dāng)儀表靈敏度不夠時(shí)可給電壓極和電流極插入點(diǎn)注入水而使其濕潤，以降低輔助接地棒的電阻；測量時(shí)被測的接地裝置應(yīng)與避雷線斷開，電流極、電壓極應(yīng)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(yīng)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(jìn)行測試，即儀器輸出的波形為正負(fù)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(yīng)保持1m 以上距離，以免使自身發(fā)生干擾；應(yīng)反復(fù)測量3～4次取其平均值，使用接地電阻表時(shí)發(fā)現(xiàn)干擾可改變接地電阻表轉(zhuǎn)動(dòng)速度。

采用四極法測量土壤電阻率時(shí)，其接線原理圖如圖1所示。由外側(cè)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(xiàn)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(diǎn)的實(shí)測電壓，V；Rg 為實(shí)測土壤電阻，Ω。

圖1 四極法測試土壤電阻率示意圖

依據(jù)相關(guān)規(guī)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(yàn)電流流入外側(cè)兩個(gè)電極，接地電阻試驗(yàn)設(shè)備通過測得的電流和相應(yīng)兩個(gè)電極間的電位差得到R，通過計(jì)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(jīng)大地流向另一個(gè)接地體或向遠(yuǎn)處擴(kuò)散所遇到的電阻，在數(shù)值上等于流過接地裝置入地的電流與這個(gè)電流產(chǎn)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(yuǎn)處的大地電阻，一般測的接地電阻為接地體到無限大遠(yuǎn)處的大地電阻。根據(jù)DL/T475-2017中6.1.1條規(guī)定，測試的試驗(yàn)電源宜采用異頻電流法測試接地裝置的工頻特性參數(shù)。試驗(yàn)電流頻率宜在40～60Hz 內(nèi)，電流幅值通常應(yīng)大于3A。對于試驗(yàn)現(xiàn)場干擾大時(shí)可加大測試電流，同時(shí)需特別注意試驗(yàn)安全。在本次測試中采用45Hz 和55Hz 的電流進(jìn)行測試，電流幅值大于3A。

根據(jù)DL/T475-2017中6.1.2條測試回路的布置規(guī)定，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中心的距離dCG應(yīng)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(dāng)遠(yuǎn)距離放線有困難時(shí)，在土壤電阻率均勻地區(qū)dCG可取2D，在土壤電阻率不均勻地區(qū)可取3D。電流線和電位線間都應(yīng)保持盡量遠(yuǎn)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(shù)

接地電阻測量過程中對接地裝置注入交流電流信號(hào)，如接地網(wǎng)體是獨(dú)立的，注入的電流信號(hào)將通過接地網(wǎng)體全部散流到大地中，如接地網(wǎng)體與其他設(shè)備接地體存在良好的電氣連接，這時(shí)部分電流信號(hào)將通過這些接地體流出，而從接地網(wǎng)體散流到大地的測試電流將減小，將通過與被測接地網(wǎng)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(yuǎn)方地網(wǎng)對注入的電流I 進(jìn)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(yīng)進(jìn)行架空避雷線和電纜金屬屏蔽的分流測試[1]。

根據(jù)DL/T475-2017《接地裝置特性參數(shù)測量導(dǎo)則》規(guī)定，分流系數(shù)測試電源宜采用異頻電流法測試接地網(wǎng)分流系數(shù)，試驗(yàn)電流頻率宜在40Hz～60Hz 范圍，標(biāo)準(zhǔn)正弦波波形，電流幅值通常不宜小于3A，對于試驗(yàn)現(xiàn)場干擾大的時(shí)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(wǎng)實(shí)際散流的相量IG ∠θG=I ∠0°+I∑∠θ∑，地網(wǎng)分流系數(shù)為K=IG/I×100%。一般應(yīng)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(gòu)架基腳及出線電纜溝的電纜族進(jìn)行分流向量測試，并將所有的分流進(jìn)行相量運(yùn)算得到分流系數(shù)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(shí)大地表面形成分布電位，在地面上離設(shè)備水平距離為1.0米處與設(shè)備外殼、構(gòu)架或墻壁離地面的垂直距離為2.0米處兩點(diǎn)間的電位差稱為接觸電位差。接地網(wǎng)孔中心對接地網(wǎng)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(shè)備外殼或構(gòu)架上測量接觸電位差。將電流注入點(diǎn)引至待測設(shè)備外殼或構(gòu)架上，高內(nèi)阻電壓表V 的一端接至地面上離設(shè)備外殼或構(gòu)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(shè)備外殼或構(gòu)架離地面2.0m 處。加測量電流I，讀取電壓表數(shù)值可測出通過主地網(wǎng)電流I 對應(yīng)的接觸電位差UT[2]。站內(nèi)接觸電位差與通過接地網(wǎng)流入土壤的電流值成正比。實(shí)測的接觸電位差尚需按經(jīng)接地網(wǎng)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(wǎng))經(jīng)周圍土壤流散時(shí)地面上水平距為1m 的兩點(diǎn)間的電位差在變電站中的人員經(jīng)常走動(dòng)的區(qū)域測量跨步電位差。電流輸入點(diǎn)取接地短路電流可能自接地電極(或接地網(wǎng))經(jīng)周圍土壤或接地網(wǎng)的地方流散時(shí)，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(nèi)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(wǎng)電流I對應(yīng)的跨步電位差US。如在水泥地面上或堅(jiān)硬物體上測量，需在測量點(diǎn)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(dāng)?shù)闹亓俊?/p>

跨步電位差與地網(wǎng)流入土壤中的電流值成正比。實(shí)測的跨步電位差尚需經(jīng)按接地網(wǎng)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(qū)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(dòng)”方式下調(diào)節(jié)輸出足夠大的電流。當(dāng)間距為1m 時(shí)場區(qū)地表電位梯度UT按公式UT=U'T×Is/Im折算，得到實(shí)際系統(tǒng)故障時(shí)的單位場區(qū)地表電位梯度。式中：U'T為測量相鄰兩點(diǎn)間電位差值，Im為輸入地網(wǎng)中的電流（A），Im為被測接地裝置中系統(tǒng)單相接地短路電流（A），d 為測量間距（根據(jù)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(dǎo)電良好的鋼釬或角鋼，如場區(qū)是水泥路面或堅(jiān)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(dāng)重物。測試線較長時(shí)應(yīng)注意電場或磁場的相互干擾。

圖2 場區(qū)地表電位梯度分布測量示意圖

2 測試、檢測及校驗(yàn)

2.1 接地網(wǎng)完整性測試

方法。測試接地網(wǎng)的完整性俗稱接地網(wǎng)的導(dǎo)通試驗(yàn)，首先選定重要設(shè)備的接地扁鐵為基準(zhǔn)點(diǎn)，一般首選變壓器或大型設(shè)備的接地扁鐵，再測試這個(gè)設(shè)備到周圍電氣設(shè)備接地部分導(dǎo)通電阻。如開始即有很多設(shè)備測試結(jié)果不良，宜考慮更換基準(zhǔn)點(diǎn)。

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(jí)設(shè)備場區(qū)之間；各種高低壓設(shè)備，包括各種金屬構(gòu)架、各種金屬箱體等之間；各接地主要干線、電氣設(shè)備場區(qū)內(nèi)及附近重要設(shè)備內(nèi)部各接地干線之間；獨(dú)立避雷針及門型架與主地網(wǎng)之間；其他必要部分與主地網(wǎng)之間。

試驗(yàn)接線。測試應(yīng)選用專門儀器，儀器的分辨率≤1mΩ、準(zhǔn)確度≥1.0級(jí)。在被試電氣設(shè)備的接地部分與基準(zhǔn)點(diǎn)間加恒定電流，再用內(nèi)阻較高的電壓表測試基準(zhǔn)點(diǎn)的電流通過接地裝置到被試設(shè)備的接地部分這段接地導(dǎo)體上產(chǎn)生的電壓差，并換算到電阻值。采用其他方法時(shí)應(yīng)注意扣除線損的電阻（圖3）。

圖3 接地網(wǎng)電氣完整性測試接線示意圖

2.2 接地網(wǎng)接地體腐蝕診斷檢查

基于接地網(wǎng)絡(luò)理論的接地網(wǎng)腐蝕診斷數(shù)值計(jì)算的原理為：因?yàn)榻饘俚膶?dǎo)電性比土壤好很多，可將接地網(wǎng)等效為純電阻網(wǎng)絡(luò)，接地網(wǎng)體焊接完成后各支路接地體的電阻值已確定（標(biāo)稱值），我們視它為原始值；當(dāng)接地網(wǎng)運(yùn)行多年后，在某些特殊環(huán)境條件下一些接地體會(huì)出現(xiàn)腐蝕，嚴(yán)重的情況下可能發(fā)生斷裂，此時(shí)各支路接地體電阻值與原始值相對比會(huì)變大。通過測量接地扁鐵間的導(dǎo)通電阻值，并建立腐蝕前后導(dǎo)通電阻變化值與支路接地體電阻變化值的關(guān)系；借助系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算方法，可得到腐蝕前后接地網(wǎng)支路接地體電阻變化情況，以判斷接地網(wǎng)腐蝕及斷點(diǎn)情況[3]。

2.3 接地網(wǎng)和接地體熱穩(wěn)定校驗(yàn)

系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障時(shí)，在繼電保護(hù)隔離短路故障前，持續(xù)的接地短路故障電流流經(jīng)接地體所帶來的發(fā)熱效應(yīng)非常顯著，接地網(wǎng)接地體應(yīng)能夠承受系統(tǒng)最大運(yùn)行方式和最惡劣系統(tǒng)短路初始條件下故障電流載流而不發(fā)生斷裂或熔斷。變電站、變電站設(shè)備接地體和接地網(wǎng)接地線的截面應(yīng)按接地短路電流進(jìn)行熱穩(wěn)定校驗(yàn)。首先應(yīng)核算當(dāng)前或?qū)碜冸娬竞怂愕南到y(tǒng)最大短路電流水平，以確定現(xiàn)有設(shè)備接地部分和主接地網(wǎng)能承受的最大短路電流，以后，運(yùn)行變電站根據(jù)省電力調(diào)度中心（220kV 及以上變電站）和市調(diào)（110kV 變電站）當(dāng)年給出的變電站的最大單相短路電流進(jìn)行接地網(wǎng)和接地體的熱穩(wěn)定校驗(yàn)核算。

新建變電站和需進(jìn)行接地網(wǎng)改造的變電站，故障電流原則上應(yīng)選擇變電站遠(yuǎn)景接線情況下（15～20年）站內(nèi)發(fā)生接地故障時(shí)的接地故障電流。當(dāng)系統(tǒng)遠(yuǎn)景不是十分明確時(shí)，220kV 設(shè)備場區(qū)的總故障電流可選63kA；220kV 站220kV 設(shè)備場區(qū)的可選50kA，220kV 樞紐站的220kV 設(shè)備場區(qū)選50kA，一 般 的220kV 站 的220kV 設(shè) 備 場 區(qū) 選40kA；110kV 站可選25kA。

根據(jù)熱穩(wěn)定條件，未考慮腐蝕時(shí)，接地引下線的最小截面應(yīng)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(wěn)定值（A），根據(jù)系統(tǒng)5～10年發(fā)展規(guī)劃，按系統(tǒng)最大運(yùn)行方式確定；te為短路的等效持續(xù)時(shí)間（s），為嚴(yán)格起見，一般取一級(jí)后備保護(hù)（主保護(hù)失靈）動(dòng)作的時(shí)限，220kV 電壓等級(jí)的電氣設(shè)備取0.35s，220kV 和110kV 電壓等級(jí)的電氣設(shè)備取0.6s～0.7s；c 為接地線材料的熱穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)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(zhì)材料取70，銅質(zhì)材料取210。

熱穩(wěn)定校驗(yàn)應(yīng)分別按地上接地導(dǎo)體和地下導(dǎo)體兩個(gè)部分進(jìn)行。根據(jù)熱穩(wěn)定條件，未考慮腐蝕時(shí)，主接地網(wǎng)接地體和接地極的最小截面不宜小于連接至接地網(wǎng)的接地導(dǎo)體（線）截面的75%。同一電壓等級(jí)接地體截面不同時(shí)應(yīng)按最小截面進(jìn)行核算。對于腐蝕情況嚴(yán)重的接地體，應(yīng)根據(jù)該接地體的有效截面進(jìn)行接地體的熱穩(wěn)定校驗(yàn)，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(yùn)行時(shí)間較長，曾進(jìn)行過多次接地網(wǎng)改造，接地體截面存在著多種規(guī)格，應(yīng)以最小截面進(jìn)行校驗(yàn)。

熱穩(wěn)定校核時(shí)應(yīng)考慮腐蝕因素的影響，結(jié)合接地網(wǎng)開挖檢查的導(dǎo)體腐蝕程度進(jìn)行校正?？砂凑战拥鼐W(wǎng)導(dǎo)體的規(guī)格尺寸和實(shí)測的年平均滲入度計(jì)算運(yùn)行若干年后接地體的截面，比較并評(píng)價(jià)接地體目前的截面是否滿足接地體熱穩(wěn)定條件確定的最小截面要求，同時(shí)根據(jù)腐蝕率預(yù)測剩余使用壽命是否滿足接地裝置的設(shè)計(jì)使用年限要求。