一种基于异频法的大型地网接地阻抗测量方法

2012-07-30郑键雄刘艳玲中山市防雷设施检测所广东中山528401

智能建筑电气技术 2012年4期

叶平 / 郑键雄 / 刘艳玲（中山市防雷设施检测所，广东中山 528401）

前言

大型地网一般是指110kV及以上的变电站的接地装置，或者等效面积在5000m2以上的接地装置。随着社会进步，经济发展，大型地网的应用也逐渐由发电厂和变电站等普及到日常的商住小区和大型的会展商贸中心，其接地阻抗的准确测量也成为急需解决的问题。

1 大型地网接地阻抗的特点

如今的商住小区为了实现土地资源利用的最大化，往往采用地下全面深挖基坑，整体设置地下车库，地面分为若干座相对独立的中高层建筑的形式进行开发。通常整个地下车库的底板钢筋都会被利用作为接地体，占地面积很容易就超过5000m2，即形成大型地网。

大型地网由于其与土壤接触面积多，散流面积大，相应地其接地阻抗也较小，一般都在1Ω以下。传统的4102接地电阻表仅仅几mA的测试电流，注入如此大型地网中，犹如石牛入大海，显然是无法准确测量出此类地网的接地阻抗。因此对大型地网接地阻抗的测量方法提出更高的要求。

2 采用异频法测试接地阻抗的原理

目前常用的接地阻抗测试方法主要是电位降法。如图1所示，测量时设置一个电流极C和电位极P，接地装置G、电位极P和电流极C布置在一条直线或三角形排列。将已知的测试电流I注入接地装置G，通过测量接地装置与电位极P之间的电压U，然后代入公式R=U/I即可计算接地阻抗。通过前后移动P极的位置改变P极与G极之间的距离dGP，从而得出不同的U值和R值。以R值为纵轴，dGP值为横轴得出变化曲线（如图2所示），曲线平坦段所对应的接地阻抗值为接地装置的接地阻抗真值。此时的P极所在区域即平时所说的零电位点，而此时的R值为接地装置G的准确接地阻抗值。

由于极化现象的存在，不可能也不会使用直流电流进行地网的测试。传统的接地阻抗测量时，注入接地装置G中的测试电流一般采用最容易获得的工频交变测试电流（50Hz）。最容易获得，也带来了最容易被干扰的缺点。无论是接地装置本身还是大地中，往往存在一定的工频杂散电流或零序电流。在将50Hz（工频）的交变测试电流注入接地体时，这些杂散电流或零序电流不仅流入测试电流回路，影响电流读数，还在电压回路形成压降，影响电压读数，从而影响R的准确性。当零序电流较大时还会对同样工作在50Hz的测试仪器造成最为严重的同频干扰，测试仪器完全无法正常工作，甚至损坏。

为了减少地中杂散电流对测量数据的影响，通常可增大工频测试电流。令工频测试电流值远远大于杂散电流值，即增大信噪比，从而达到降低干扰的目的。然而当测试电流提高时，测试线和测试极周边的危险电压也相应提高，会对周边的人身安全造成更大的威胁。更何况在某些情况下，想要将测试电流提升也会遇到设备性能限制、电源供电不足、资源耗费过大和性价比低的实际困难。

为解决工频电流测试的实际问题，人们提出了改变测试电流的频率以消除杂散电流或零序电流干扰的接地阻抗测试方法，简称异频法。而异频法相对工频法的最大区别就是注入接地体的测试电流频率不是50Hz的，有异于工频。通过改变测试电流的频率降低了大地中杂散电流或零序电流的干扰，从而提高测量的准确性。采用异频法时，可以将测试电流控制在较低水平，相应的危险度也可以降低，更为方便使用。

在接地阻抗的测试中，工频干扰对测试结果的影响最大，而其他频段的干扰较小。异频法的原理就是调节测试电流输出频率，避开工频（50Hz），使之工作在没有干扰或干扰少的频段。因此，异频法仍是利用电位降原理的一种测试方法。

3 采用异频法测试接地阻抗的方法

异频法的测量方法与工频法基本相同，一般常用的是直线法和夹角。直线法采用三极法。即电流极、电压极和接地装置在同一直线布线，电流极与接地装置的距离dGC取接地装置的最大对角线长度D的3～5倍，而dGP也同样遵循“0.618法则”，取0.618倍的dGC。为了消除测试线对测试结果的影响，可在接地装置的被测地网旁边增加一个辅助地极，使三极法变为四极法。

受场地限制无法使用直线法时，可使用夹角法。如图3所示，电流极、电压极和接地装置不在同一直线布线，电流极与接地装置的距离dGC取接地装置的最大对角线长度D的3～5倍，且dGP=dGC。dGP与dGC成一个夹角，故称为夹角法。

图3 夹角法测试接地阻抗

4 采用异频法测试接地阻抗的注意事项

4.1 选用异频法测试大型地网接地阻抗的理论依据及其实践要求

笔者曾经做过两个简单的实验，试图找出接地阻抗测量时的一些规律。

实验一：同频干扰实验

仪器：日本共立4102A接地电阻仪，2台；法国CA6472N，1台。测试线、测试极等附件若干。4102A的测试电流为固定频率，CA6472N则具备了自动调整测试电流频率的功能。

方法：本次实验中，利用其中1台4102A作为干扰源使用，将其干扰电流注入被测物中，分别使用另两台接地电阻仪进行测试。

实验过程：

（1）在未注入干扰电流时，分别使用3台仪表测试了被测物的接地阻抗，均为200Ω。

（2）注入干扰电流时，测试用的4102A从不同角度（相对干扰源来说）测试，都无法测出被测物的接地阻抗，在两台4102A的仪表盘均观察到同频干扰的现象：指针一直在强烈摆动，无法读出数值。

（3）注入干扰电流时，CA6472N自动启动了抗干扰功能，在比正常测试时间略滞后几秒后，也顺利测出接地阻抗，数值接近200Ω。

小结：同频干扰系接地阻抗测量时最大干扰源，应尽量避免。

实验二：不同情况下的测试极对测试结果的影响

仪器：法国CA6472N，1台；测试线和测试极等附件若干

方法：保持测试方法（三极法）、测试环境、测试极基本情况不变，通过改变测试极与大地的接触情况，试图找出测试极的状况对测试结果的影响。详见图1。

测试结果：详见表1和表2。

表1 测试极与大地接触情况对比表一

表2 测试极与大地接触情况对比表二

小结：

（1）进行接地阻抗测试时，仅对测试极周边加水，对被测物最终的测量结果影响不大。

（2）在被测物的接地情况不变时，改善电流极C与土壤的接触情况，可显著增加注入的测试电流。即可有效提高信噪比。

通过上述两个简单的实验，可得出在采用异频法测试大型地网接地阻抗时应密切关注的两个结论：

（1）同频干扰对接地阻抗测量时造成严重影响，采用异频法测试是解决同频干扰的最简办法。

（2）通过改善优化测试极（特别是电流极C）与土壤的接触情况，能有效提高仪器的信噪比。

4.2 影响用异频法测量接地阻抗结果的主要因素及其解决方法

1）影响因素

影响接地阻抗测量结果的主要因素有：带电运行的线路、地中杂散电流、高频干扰、测量回路的互感、导体分流和土壤的不均质。

（1）带电运行的线路和地中杂散电流对于工作在50Hz的测试仪器形成了同频干扰，属最强的干扰影响因素。

（2）由于波的叠加，频率为仪器测试频率N次方的高频干扰电流成为了接地阻抗测试中仅次于同频干扰的第二大影响因素。

（3）当采用直线法测量接地阻抗时，各测试线路往往长距离平行敷设，当线路中注入交变的测试电流时，线路之间容易产生互感，线路中的测试电流也会出现变化。

（4）当对接地装置注入测试电流时，测试电流可通过与接地装置相连接的导体（包括避雷线）分走一部分测试电流，流入测试仪器的测试电流相应减少。

（5）当接地装置所在区域的土壤电阻率不均匀时，位于土壤电阻率较低区域的接地体会分走更多的电流。即接地装置周边所形成的电压梯度线不均。

2）解决方法

通过以上对用异频法测量接地阻抗结果的主要影响因素进行分析，常用的解决方法包括以下几种：

（1）调整测试频率，避免使用50Hz的测试电流进行接地阻抗测试。

（2）测试接地阻抗时，优先使用夹角法或者测试极分别布置在接地装置相对两侧的直线法进行。采用直线法必须将测试极布置在接地装置的同一侧时，应将测试线路的间距增大或采用四极法进行测量。

（3）进行测量时，应将所有与接地装置连接的导体断开。无法断开时，测试极应远离此类导体。

（4）布置测试极时，应优先选择地势平坦、地质条件相近的区域，现场条件允许时，dGC应取接地装置的最大对角线长度D的5倍。

图4 横门电厂接地阻抗测试示意图D所在直线为电厂地网最大对角线长度，E、P、C分别为测试极的布置点

4.3 采用异频法测试大型地网接地阻抗案例

2011年，受嘉明电力有限公司横门电厂委托，我们对横门电厂的接地装置的接地阻抗进行了测试。

横门电厂位于中山市火炬高新技术产业开发区东部横门马鞍岛上，东临珠江口、西距中山市约20km，占地面积64.24ha。横门发电厂总装机容量超过百万kW，年发电量超50亿kWh，系中山市以及珠江三角洲西翼电网的骨干电厂。

横门电厂现已有两期工程投入使用，全厂使用共用接地装置，一、二期工程均连入同一接地装置，使用GPS测得接地装置的最大对角线长度D为1003m，属于大型地网。电厂为骨干电厂，全天24h生产，不允许停机。在二期工程投产前曾委托某单位使用工频大电流法测得其接地阻抗为0.5Ω。此次邀请我们对该接地装置实施运行中的测试。

横门岛呈南北向细长形，横门电厂位于横门岛的西北角。电厂向西临水，北面为小山丘，山丘下为村庄，西南也是山丘，东面和东南面为农田和筹建中的工业区，地势较为平坦。经综合考虑，决定采用异频法进行测量，测试极布置采用夹角法，受横门岛宽度限制，取dGP=dGC不小于2D。详见图4。

经过测试，得出其接地阻抗为0.5Ω，与某单位使用工频大电流法测出的数据相同。

本次接地阻抗的测试，在克服了带电运行等不利因素影响的问题，通过准确定位测试极、增大测试极与土壤的接触面积等方法，使用异频法在花费较少的人力物力资源情况下得到了令人满意及较为准确的测试结果。