接地网地线分流向量的测量

周大东，王 玲，赵振威，王东烨，邵建康

（1.锦州市环境监测中心站，辽宁 锦州 121000；2.国网本溪供电公司，辽宁 本溪 117000；3.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；4.上海大帆电气设备有限公司，上海 201109）

接地网地线分流向量的测量

周大东1，王 玲2，赵振威3，王东烨3，邵建康4

（1.锦州市环境监测中心站，辽宁 锦州 121000；2.国网本溪供电公司，辽宁 本溪 117000；3.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；4.上海大帆电气设备有限公司，上海 201109）

通过使用基于无线传输相位差比较方法和强抗千倍干扰选频测量技术，能在千倍工频干扰下对杆塔的分流向量进行准确的测量，能准确有效剔除接地测量过程中分流成分，提高接地网接地阻抗测量的准确度，为保证电力系统在雷击或短路故障下的安全运行和人员的安全具有重要的意义。

接地网；地线分流；接地阻抗；分流向量；抗千倍干扰

接地阻抗测量过程中，对地网注入工频或异频交流电流信号，电流通过电流线、电流极、大地和接地网形成电流回路，如果接地网是独立的，测试的电流信号将通过接地网全部散流到大地中，如果接地网与其他接地体存在电气连接，这时部分电流信号将通过这些接地体流出，而从接地网散流到大地的测试电流将减小，将通过与被测电网连接的金属接地体流出的电流称为地线的分流［1－5］。

由于地线分流的存在，部分测试电流通过金属导体流出，这时导致接地阻抗的测量值偏小。变电站内的避雷线和两端接地电缆的金属屏蔽层是主要的分流源。大量的现场接地阻抗测量结果表明，分流影响能达到20%～80%，对接地阻抗测量影响很大。

如何在存在分流的情况下对接地阻抗进行准确测量是一个难题，目前实际测量过程主要通过解除接地线与接地网的连接和对地线分流进行测量两种方法解决。

对于解除接地线与接地网的连接。变电站内避雷线一般与地网之间通过跳线连接，断开跳线可实现解除架空地线与接地网之间的连接。光纤复合架空地线（OPGW）和一些其他单独的接地线，由于其结构和安装特点无法与地网隔离。一些使用电缆做进线或出线的现场，在变电站已投运的情况下，解除其接地屏蔽层存在很大的安全问题，一般不会执行［6－7］。

对地线分流进行测量。由于解开地线的连接存在很大的困难，只能采取测量分流的办法，去除地线分流的影响，得到准确的接地阻抗值。目前基本采用罗氏线圈来测量分流的大小，从注入地网的总电流中减去分流的大小，得到实际注入地网的电流值。但由于分流电流与测试电流存在相位差，该方法只测量了分流的大小，而没有测量分流的方向，仍存在一定的误差，甚至可能出现分流模值的总和大于注入地网测试电流逻辑错误的情况［8－10］。

本文使用无线传输相位差比较法和强抗干扰选频测量技术，对地线分流向量进行测量。首先采样测试电流的波形信息，通过无线传输方式将其传输到场区各地，然后使用抗千倍干扰的无线分流测量单元接收该信号，配合柔性罗氏线圈采样构架中分流的大小和波形，将两者的波形进行比较，从而得到分流的大小和相位，实现对分流向量的准确测量。

1 分流向量测量原理

如图1所示，从构架上引出的架空避雷线将全部的输电杆塔接入被测地网，同时两端接地的高压电缆其金属屏蔽层相当于地线，将被测地网对侧的杆塔或配电变压器接入，这样将大大改变被测地网拓扑结构，对被测电流造成分流。在对被测地网的接地阻抗测量时如果未剔除分流的影响，将使其接地阻抗的测量结果偏小。

图1 变电站地线分流对接地阻抗测试影响示意图

如图2所示，电流I0为在地网中注入的测试总电流，一部分电流I2通过接地网的接地扁铁直接散流向大地，另外一部分电流I1通过与地网连接的金属构架和两端接地电缆的屏蔽层流走，这时电流I1回路中由于有分流地线的存在，产生了分流，电流I1可能只有一部分通过避雷线和电缆的屏蔽层流向大地，产生分流电流I4，其他部分电流则通过金属构架环流回到接地网，这时通过地网实际散流到大地的电流为I5［11］。

图2 异频电流地网散流模型

对分流电流I4进行测量，理论上讲，应到出线构架顶端向外处测量避雷线和OPGW光纤地线的分流信号。由于一般避雷线的出线点位于构架的顶端，考虑到实际操作中人员的安全，一般直接在地面构架上进行测量。对电缆屏蔽层的分流测量也是同样的原理。

实际测量过程中，由于接地杆塔与接地网之间存在电感分量，这时地线的分流电流与测试电流之间存在相位差，不能简单进行模值相加，需要对分流电流的向量进行测试。如图2所示，假设构架上的电流｜I1｜和｜I3｜方向都是往外流，分流的计算则非常简单，分流大小｜I4｜＝｜I1｜＋｜I3｜。而实际上电流I1和I3与测试电流I0间存在相位差，这时如果电流I4还是简单使用I1和I3模值相加的话，电流I4的计算值将大于实际值，修正计算出的接地阻抗值大于真实值。同时在大型变电站中，金属构架非常复杂，由于各个构架与地网的连接点之间并非等电位，相互之间存在电位差，这样在构架之间将形成环流，如图1所示，假设在构架之间存在环流，电流I1一部分是通过地线分流出去产生分流电流I4，而另外一部分电流I3通过其他的金属构架环流回到地网，如果将这部分环流回到地网的电流也计入分流，将放大分流系数，增加测量的误差，甚至可能出现分流测量值的模值和大于总的测试电流［12－18］。

2 分流向量的准确测量

通过使用DF9600接地及分流向量测量系统进行测试。如图3所示，用变频信号源通过耦合变压器隔离升压，对地网注入一个异频电流Im，并在测量全程中保持该电流稳定。利用电流互感器对注入的测试电流取样，经过AD转换及选频滤波运算处理，得到测试电流的波形和相位信息，将该相位定义为基准相位，即零相位。将该基准相位信息无线发射出去，远端无线分流测量单元内置有无线接收装置，可无线接收到该相位数据，并将该数据处理后送入无线分流测量单元的CPU。

图3 分流测量示意图

同时无线分流测量单元另一个端口接长度为300 mm以上的罗氏线圈，圈住与架空地线相连的杆塔，采样取得杆塔上的分流电流信号；经过AD转换及选频滤波运算处理，排除50 Hz及其他干扰，提取出异频电流的波形信息，送入CPU。CPU进行分流电流相位与无线接收到的测试电流相位比较，得到该基杆塔分流的大小和相位差，即可得到该基杆塔分流的向量。

根据上述方法，测量变电站内所有与架空地线相连的杆塔上的分流及交联电缆外护套上的分流，得到各分流的向量。将所有分流向量进行复数相加求向量和，则可得到整体的地线分流值。将测试电流方向作为基准，将其波形通过无线传输方式传输到现场测量的各个位置，使用抗千倍干扰的无线分流测量单元接收该信号，并使用罗氏线圈测量构架上分流电流的大小和波形，将两者的波形进行比较，即得到分流向量的大小和相位［19－21］。

使用该方法测量存在以下难点。

a.现场强烈工频干扰对测量的影响

我国绝大多数电气设备运行于50 Hz工频交流电压下，电网存在很强的50 Hz干扰，因此，在高压变电站现场一些微弱的测试信号因50 Hz强干扰而难以测量，往往带来很大的误差甚至无法测量。为解决现场强烈工频干扰问题，目前大型地网的测量越来越多采用异频法测量。通过对地网注入异于工频而又接近工频的测试电流，一般为45～55 Hz，这样既能有效滤除50 Hz干扰，又能与工频具有很好的等效性。

使用异频法测试理论上可避免50 Hz干扰带来的影响，但最大的技术困难在于如何排除比异频信号（以53 Hz为例）大很多倍的50 Hz干扰而准确测量。在某些干扰比较大的测量现场，出线构架中50 Hz工频干扰电流可能比53 Hz分流信号大千倍，相当于被测异频分流仅50 mA，而构架中的工频干扰能达到50 A，此时干扰信号是被测信号的千倍，如何在千倍的干扰下对异频信号进行准确测量是一个难题。

通过使用很长的柔性罗氏线圈采样现场出线构架中的分流信号，配合一种异频弱电流无线分流测量单元对采样的分流信号进行测量，由于其具有高精度、高分辨率和极强的抗干扰能力，能在千倍工频干扰下准确测量罗氏线圈采样到的微弱异频信号。无线分流测量单元采用复杂的硬件系统和软件算法，抗干扰能力极强，可在50 Hz干扰信号幅值比被测异频信号幅值大千倍的情况下，仍能准确测量异频信号。

b.分流向量相位的准确测量

基准波形信号在无线传输过程中，由于存在信号延时，将影响相位的准确测量。无线信号在空气中的传播是以光速进行，因此，数据在空气中的传输时间可忽略，信号的延时主要来自于两处信号的采样计算、信号的发射接收、数据的处理和干扰的滤波计算等过程。为此专门研发了一套运算软件，能对这些延时进行修正和补偿，通过在实验室大量试验和现场测量，其精度完全满足现场测量要求。

c.罗氏线圈测量小电流信号

由于分流测量过程中，需要对体积大、形状不规则的导体（如大型的金属构架、输电杆塔等）电流进行采样，目前普遍采用长的柔性罗氏线圈。通常罗氏线圈的变比较大，常见的Rogowski线圈原始信号变比为1 000 A／50 mV左右，常用来测量比较大的电流。而现场分流的大小一般只有mA级的电流，金属构架中的工频干扰电流可能达到数A甚至数十A。如当被测的异频信号为100 mA时，罗氏线圈的原始感应信号仅为5 μV，这就要求测量设备有很高的测量精度和分辨率，同时对测量设备的抗干扰能力提出了很大的挑战。

采用能抗千倍干扰、高精度、高分辨率的选频测量装置及国际最新的智能式选频抗干扰技术，使用高性能的CPU和先进的干扰频谱分析软件，通过频谱运算，能在千倍工频干扰下，准确测量出指定频率的微弱信号。

3 实施案例

某500 kV变电站使用DF9600系统进行接地阻抗和分流测试。该变电站接地网对角线D≈900 m，电压极和电流极距接地网边缘均为2 000 m（≈2D），夹角为30°，带避雷线的接地阻抗测量值Z0为0.327 3 Ω。

对地网注入47 Hz、10 A的测试电流，保持测试电流稳定，并将其相位信息无线传输至场区各处，采用罗氏线圈测量各处构架分流，得到分流向量数据如表1所示。

从实测数据可以看出，测试电流在各处的分流呈现明显的相角差异性，其中存在明显的环流成分，如第4项和第8项，即测试电流并非总是流出地网，也会在构架之间形成环流，需要将环流成分甄别并剔除。

表1 分流测量结果

通过向量求和运算得到分流向量和为6.530 A∠－159.7°，为便于比较，计算分流代数和为12.69 A，超过测试电流的大小，验证了不能只测量分流模值大小。将测试电流参考向量（10 A∠0°）与分流向量和再进行向量求和计算，得到地网实际散流的电流向量为4.489A∠－30.3°，地网实际散流电流为测试电流的44.89%。

计算得地网实际接地阻抗为

现场测量表明，DF9600系统具有很强的抗干扰能力和很高的精度，所测一根构架上的50 Hz电流工频干扰为21.2 A，而53 Hz异频测试分流仅为28.2 mA∠－152.8°，在现场对这种750多倍强干扰下的分流大小和相位测量准确性进行了验证：柔性罗氏线圈的缠绕构架的方向反向后所测相位为27.3°，2次相位值相差180.1°，表明相位测量是准确可信的；将测试电流降低50%，此时所测分流大小降为19.1 mA，呈现良好的线性，说明分流大小测量也是可信的。

4 结论

a.在对变电站和电厂等一些大型地网的接地阻抗测量过程中，由于架空避雷地线、光纤地线和电缆屏蔽层的存在，对测试电流产生分流，导致接地阻抗测量值偏小，对测量结果造成很大的影响，不能准确反映接地网的真实情况，留有安全隐患。因此，在无法隔离分流地线与被测量接地网连接的情况下，需要对地线分流进行测量。

b.由于地线分流电流与测试电流间存在相位差，且在杆塔构架之间存在环流，如果单纯计算地线分流大小模值的代数和，分流系数将大于实际值，导致修正后接地阻抗值偏大，甚至还可能出现分流代数和大于总测试电流的不符合基本逻辑的情况。因此，需要对地线分流进行向量测量。

c.在对分流向量测量过程中，一般采用罗氏线圈来进行测量。罗氏线圈变比较大，且测量现场存在很大的工频干扰，这就要求测量装置有很高的分辨率和精度，并有很强的工频抗干扰能力。

d.采用DF9600系统，通过使用无线传输相位差比较法和强干扰选频测量技术，能在千倍工频干扰下对微弱分流信号的大小和方向进行准确测量，对提高接地网接地阻抗测量的准确度、保证电力系统在雷击或短路故障下的安全具有重要的意义。

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Accurate Measurement on Grounding Grid Ground Shunt Vector

ZHOU Dadong1，WANG Ling2，ZHAO Zhenwei3，WANG Dongye3，SHAO Jiankang4
（1.Jinzhou Environment Monitoring Center，Jinzhou，Liaoning 121000，China；2.State Grid Benxi Power Electric Supply Company，Benxi，Liaoning 117000，China；3.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；4.Shanghai Dafan Power Equipment Co.，Ltd.，Shanghai 201109，China）

In this paper，by using different frequency measurement，phase comparison method based on wireless transmission，Ro⁃gowski coil shunt signal sampling and high⁃precision，high⁃resolution，anti⁃interference of the Rogowski coil wireless measuring devices can thousand fold lower frequency interference the diversion of tower vector accurate measurements，which can accurately and effectively weed out the diversion of ingredients to improve accuracy.This method has significance for ensuring the safe operation of power system and workers'safety.

grounding grid；ground shunt；grounding impedance；shunt vector；anti－thousandfold interference

TM862

A

1004－7913（2016）10－0030－04

周大东（1960），男，高级工程师，从事环境监测设备管理工作。

2016－07－20）