1000kV输电杆塔接地装置冲击阻抗现场测试与分析

司文荣， 谢小松， 傅晨钊， 赵丹丹， 肖 嵘， 金 珩

(1. 国网上海市电力公司电力科学研究院, 上海 200437; 2. 国网上海市电力公司检修公司, 上海 200063)

1000kV输电杆塔接地装置冲击阻抗现场测试与分析

司文荣1， 谢小松2， 傅晨钊1， 赵丹丹1， 肖 嵘1， 金 珩1

(1. 国网上海市电力公司电力科学研究院, 上海 200437; 2. 国网上海市电力公司检修公司, 上海 200063)

为获取特高压1000kV输电杆塔接地装置的冲击阻抗特性，采用一种能够稳定输出小幅值8/20μs标准雷电流作为入射波的便携式仪器，同时测量接地装置的暂态响应电压。对上海地区特高压1000kV安塘线典型输电杆塔在四个塔腿与接地装置全部联接、解开的两个工况下，进行了多次测试并记录数据。对时、频域冲击阻抗基于数字采集获取的电流、电压波形信号进行了特性分析，以及结果稳定性对比。结果分析表明，该方法测试手段简便，测试结果稳定，时、频域冲击阻抗分析结果能够较准确地反映输电杆塔接地装置在冲击电流下的基本特性。

1000kV； 输电杆塔； 接地装置； 冲击阻抗； 现场测试； 时、频域分析

1 引言

输电杆塔接地装置的冲击接地阻抗特性是衡量其雷电防护性能的重要依据[1]，目前国内外大量的研究工作[2]主要集中在冲击接地阻抗的电路等效仿真模型、理论计算以及实测数据的经验公式，且各种分析方法并未达成一致意见[3]，而在输电杆塔冲击接地阻抗的现场测试方面的工作开展较少。

现阶段输电杆塔接地装置冲击接地阻抗现场测试的方式主要有以下四种：①基于卷积变换计算的冲击阻抗测试[4]；②模型法雷电冲击下的杆塔阻抗测量[5]；③小幅值冲击电流法测量接地阻抗[6]；④大幅值冲击电流法测量接地阻抗[7]。方式①利用波头较缓、幅值较小的注入电流，通过卷积变换计算的方式求出接地装置在波头较陡、幅值较大的雷电流波形作用下的电压响应，进而求出冲击接地阻抗；方式②根据接地体的金属结构和土壤中电场分布，根据杆塔、接地装置等效电阻、电感模型，通过对模型中等效高度测试点对地电位来测量冲击阻抗，还可以通过分析塔身绝缘子悬挂高度与冲击接地阻抗之间的关系，确定可接受范围的高度和冲击阻抗，实现施工工程量优化和装置设计。方式③采用冲击电流发生器模拟雷电流，产生小幅值、波头时间低于10μs、放电时间30～70μs的冲击电流，作为测试电流注入接地体，数据采集装置经测量回路得到接地体电压、电流信号，从而实现冲击接地阻抗的测量。方式④将大型冲击电流发生器试验设备安装在大型货车上(安装汽油发电机给试验装置提供电源)，运至现场进行冲击试验，对输电杆塔接地装置输入数十千安的雷电流进行测量。

考虑到输电杆塔存在大型车辆无法达到的情况，以及大规模测试需要方便操作和可携带的装置，本文采用一种能够稳定输出小幅值的8/20μs标准雷电流作为入射波的便携式装置，同时测量接地装置的暂态响应电压，进行计算分析从而获取接地装置的冲击阻抗特性。并首次对上海地区特高压1000kV安塘线典型杆塔的接地装置进行了现场测试，对测试得到的电流、电压波形进行了时、频域分析，得到了能够反映其基本物理特性的时、频域冲击阻抗(Transient Grounding Resistance in Time and Frequency domain, TGRT和TGRF)。

2 1000kV杆塔接地装置与冲击阻抗测试

2.1 1000kV杆塔接地装置

目前，上海1000kV练塘站进线为同杆并架方式的安塘I/II线，施工单位为上海送变电工程公司，设计单位为华东电力设计院，建设单位为国网电网公司。其中，上海市电力公司运维长度约为16.987km，共41基杆塔，一基被测杆塔及其接地装置如图1所示。该杆塔地线与塔身之间无绝缘子，为接地方式。

图1 被测试1000kV输电杆塔及其接地装置示意图Fig.1 1000kV tower and its grounding connection diagram

图1(b)为杆塔接地装置的电气接线示意图。其中接地装置的接地方框边长H为28m，4个射线长度均为33m，每个射线带有3个接地模块电极，接地模块电极与接地方框的距离a为5m，两个水平接地模块电极之间的距离为8m。接地方框和射线的主要材料为φ12mm圆钢，接地体边框与基础立柱的距离为0.5m，接地装置的埋深为0.8m。

2.2 冲击阻抗测试

冲击阻抗测试接线如图2(a)所示。测试的同时利用三级法测试了工频阻抗[8](如图2(b)所示)。 考虑1000 kV输电线路杆塔地线分流对阻抗测量结果的影响，测试时分为两种工况：①四个塔腿A、B、C、D接地处均没有解开下(即全部与塔身联接，其中一个塔腿联接情况如图2(c)所示)，在塔腿A点处测试冲击和工频阻抗；②四个塔腿A、B、C、D接地处均解开状态下，依次测试四个塔腿处的冲击和工频阻抗，其中一个塔腿接地解开后的状态如图2(d)所示。

图2 1000kV输电杆塔接地装置冲击阻抗测试Fig.2 Impulse impedance measurement for 1000kV tower and its grounding connection

出于安全性、实用性及适用性的考虑，本文采用一种能够稳定输出小幅值8/20μs的标准雷电流作为入射波的便携式仪器，同时测量接地装置的电压响应，进行计算分析从而获取接地装置的冲击阻抗特性，图3为电压、电流数据导出后幅值归一化的波形比较，其中采样率为5MS/s。为免受现场干扰信号影响，装置输出的冲击电流峰值为安培级别，从而满足在标准雷电流波形要求下进行接地装置冲击接地阻抗测试的同时，便于实现测试设备的便携化、小型化，以适应现场测量的复杂环境。测试设备在测试过程中不会影响与接地装置相连的其他电气设备的正常运行，具有很强的现场实用性和通用性，便于冲击接地阻抗现场检测工作的大规模开展。

图3 便携式仪器测试获取的典型注入电流、暂态响应电压波形Fig.3 Detected typical current and voltage waveshapes in impulse impedance test with portable instrument

3 冲击阻抗波形时、频域分析

3.1 时域分析(TRGT)

(1)

式中，n为采样点数；Iimp(ti)为ti时刻的注入电流幅值；Uimp(ti)为ti时刻的暂态响应电压幅值。

此外，考虑到目前较多研究文献给出的冲击阻抗值Z=U/I，这里定义：

(2)

式中，max为取序列的最大值。即采集获取注入电流、暂态响应电压波形的峰值之比，通常，由于冲击电流的高频特性，暂态响应电压波形由于电感效应会超前电流波形(如图3所示)，该数值不会体现在式(1)中。

3.2 频域分析(TRGF)

考虑《DLT 266-2012接地装置冲击特性参数测试导则》[9]以及文献[10,11]的研究结论，冲击接地阻抗定义如下：

(3)

式中，R为接地网的电阻；L为接地网的电感。

(4)

式中，FFT为对序列进行离散快速傅里叶变换；abs为对复数序列取模值。

冲击过电压波形的FFT处理和波形参数提取见文献[12-14]。

4 1000kV杆塔接地装置冲击阻抗波形分析

4.1 工况1塔腿四处接地全部联接

表1 工况1的测试电压、电流波形的参数对比Tab.1 Parameters comparison of detected current and voltage waveshapes in impulse impedance tests for situation 1

图4 工况1的测试电压、电流波形Fig.4 Detected current and voltage waveshapes in impulse impedance tests for situation 1

图5给出了测试数据的冲击阻抗时域特性分析，冲击阻抗从起始值(极大值或峰值)逐渐下降到一个极小值(0)。对照图4的电压、电流波形，可以看出图5仅为注入电流波头时间的时域特性。由于数据采集的设计，响应电压波形在电流波形峰值对应时刻(电压波形对应为过零时刻)后应呈现负值，但没有采集，这样使得在该时刻后响应电压波形均为零值。但由于冲击电流波头时间段高频分量丰富且幅值大，电压响应幅值较冲击电流波尾时间段大，因此图5所示阻抗时域分析具有代表性。经计算，测试数据最初瞬间的冲击阻抗均值为16.84Ω，该数值为注入电流波形、接地装置的形状和材料、周围土壤环境共同决定的一个阻抗值[15,16]，与接地装置的稳态或工频阻抗无关。由于注入的是8/20μs标准雷电流波形，在1000kV输电杆塔防雷保护设计工程计算最大反击电压时可以参考这一数值。

图6给出了测试数据的冲击阻抗频域特性分析，测试数据的冲击阻抗在频率0～250kHz段吻合较好(图6(b)为将图6(a)的x轴拉伸后的图形)，峰值阻抗均值为 6.965Ω，对应的频率点为195.3kHz处，次峰值阻抗均值为 4.112Ω，对应的频率点为136.7kHz处。这与8/20μs冲击电流所包含频率分量特性一致，更高频率分量的数据容易受干扰和采样频率影响，可以忽略而不用于特性分析。

图5 工况1测试数据的冲击阻抗时域特性分析Fig.5 TRGT date analysis for situation 1

图6 工况1测试数据的冲击阻抗频域特性分析Fig.6 TRGF date analysis for situation 1

测试结果的TRGT和TRGF分析表明，不能仅基于工频阻抗测试的结果来评估输电线路杆塔防雷接地性能，特别是大型杆塔接地装置。将基于模拟实际雷电流波形测试得到的冲击阻抗时、频特性分析用于评估杆塔的防雷性能更具有说服力和意义。

4.2 工况2塔腿四处接地全部解开

表2 工况2的测试电压、电流波形的参数对比Tab.2 Parameters comparison of detected current and voltage waveshapes in impulse impedance tests for situation 2

图7～图9给出了测试数据的电压电流波形、冲击阻抗时域特性分析和频域特性分析曲线。各个曲线的表征特性和规律与工况1的分析结果类似，仅在幅值上有一定差异，这里不再重复分析。

需要指出的是，工况2 四个塔腿接地处全部解开，对接地装置而言从四个塔腿A～D接地处测试应结果一致，但由于在标准8/20μs冲击雷电流注入下测试时，高频分量占主导，使得暂态响应电压幅值容易受周围环境和测试布线影响，进而TRGT和TRGF的分析结果也有一定的不同。如果将TRGT和TRGF分析得到的曲线作为诊断依据，则只能将四个塔腿各自测试得到的历史数据和当前数据进行相关性分析或作其他对比计算分析。

图7 工况2的测试电压、电流波形

图8 工况2测试数据的冲击阻抗时域特性分析Fig.8 TRGT date analysis for situation 2

图9 工况2测试数据的冲击阻抗频域特性分析Fig.9 TRGF date analysis for situation 2

5 结论

采用一种能够稳定输出小幅值8/20μs标准雷电流作为入射波的便携式仪器，同时测量接地装置的暂态电压响应，可以获取输电杆塔接地装置的冲击阻抗特性。输电杆塔接地装置的冲击阻抗特性可以基于数据采集注入电流和暂态响应电压波形，进行时、频域分析得到。对上海地区特高压1000kV安塘线典型输电杆塔在四个塔腿与接地装置全部联接、解开两个工况下的测试结果分析表明，该方法测试手段简便，测试结果稳定，可以用于特高压1000kV输电杆塔接地装置的防雷性能评估分析。

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Analysis and on-site tests of impulse impedance for grounding device of 1000kV transmission tower

SI Wen-rong1， XIE Xiao-song2， FU Chen-zhao1， ZHAO Dan-dan1， XIAO Rong1， JIN Heng1

(1. State Grid Shanghai Electric Power Research Institute， Shanghai 200437， China;2. State Grid Shanghai Maintenance Company， Shanghai 200063， China)

For obtaining impulse impedance characteristics for grounding device of UHV 1000kV transmission tower, a portable instrument is used as the incident wave source to the grounding device, which stably outputs a 8/20μs standard lightning current with simultaneous measurement of the response transient voltage. Tests and data recording were done to a typical tower of UHV 1000kV An-Tong line in Shanghai Area under two conditions, the four tower legs connected or unconnected to the ground device. Transient grounding resistance in time and frequency domain (TGRT and TGRF) are analyzed and compared based on the measured current and voltage waveshapes. Results show that the testing method is simple, test results are stable and the TGRT and TGRF can accurately reflect the basic physical properties of the grounding device of transmission tower.

1000kV; transmission tower; grounding device; impulse impedance; on-site rest; analysis in time and frequency domain

2015-10-19

司文荣(1981-), 男, 江苏籍, 高级工程师, 博士, 研究方向为电力设备试验和故障诊断分析； 傅晨钊(1975-), 男, 河南籍, 高级工程师, 博士, 研究方向为电力设备试验和设备管理技术。

TM47

A

1003-3076(2016)09-0074-07