配网临时挂接地线接地电阻检测试验研究

程乐峰，姜静，陈亮，殷林飞，余涛（.华南理工大学电力学院，广东 广州 50640；.广东电网有限责任公司肇庆供电局，广东 肇庆 56060）



配网临时挂接地线接地电阻检测试验研究

程乐峰1，姜静1，陈亮2，殷林飞1，余涛1
（1.华南理工大学电力学院，广东 广州 510640；2.广东电网有限责任公司肇庆供电局，广东 肇庆 526060）

摘要：利用法国CA6415和美国Fluke1625等电阻检测仪对配网临时挂接地线接地电阻进行了测试研究，并对接地电阻的影响进行了试验验证。测试研究包括两个方面，一是对感应电压进行了测试，并对抑制感应电压的措施进行了试验验证；二是对感应电压注入测量法进行了现场试验验证。试验表明在输电线路回路中不存在干扰的情况下，感应电压注入测量法是可行的，但易受强电磁干扰和复杂的电磁环境影响。最后，给出了四种接地线检测方案，并对各方案进行了比较，最终认为采用直接信号注入式的方案可有效检测接地线的接地状态。

关键词：接地线；接地电阻仪；感应电压注入法；直接注入法；检测

本文引用格式：程乐峰，姜静，陈亮，等.配网临时挂接地线接地电阻检测试验研究［J］.新型工业化，2016，6（6）：1-10.

Citation： CHENG Le-feng， JIANG Jing， CHEN Liang， et al.Detection and Experimental Study for Grounding Resistance of Distribution Network Temporary Hanging Grounding Wires［J］.The Journal of New Industrialization，2016，6（6）： 1-10.

0 引言

目前，国内电力企业，尤其是各地方供电局十分重视配网改造和检修工作前后对临时挂接地线的检测和查找工作。配网作业前，需要挂接接地进行牢固接地，以保护检修人员和设备安全，作业完成后，需要在合闸送电前，及时拆除掉所有的临时挂接地线，恢复送电。配网线路或设备作业完成前后，都需要严格按照工作票或通过电话随时与电力调度部门联系停电的线路或设备，待拆除所有安全措施后，再报告电力调度部门，由其调度送电，恢复系统供电［1-4］。由于整个过程主要依靠操作票制度和现场作业人员对操作规程的执行程度，因此，易存在漏洞和误操作的可能性，尤其是漏拆临时挂接地线，导致“带地线合闸送电”这一恶性事故发生。据不完全统计，每年我国在110kV以下配电网发生带地线合闸送电的事故依然频繁，其中，各种恶性误操作事故大概占到25%左右［5-7］。对于10kV配网线路，在我国覆盖面广、数量众多，其检修位置不固定，因此，在10kV及以下低压配电网中发生漏拆接地线的概率远高于有接地点在线监测系统的高压或超高压输电网。2010年10月份，我国某市地方供电公司发生了一起因调度人员认为疏忽、漏项操作造成10kV线路带接地线送电的恶性误操作事故。

基于此，有必要对配网线路临时挂接地线的接地状态进行检测，本文从检测接地电阻角度出发，利用国内外先进的电阻测试仪对配网线路接地电阻进行测试研究，以寻找最佳的接地线接地状态检测方案。经调研和查阅文献资料，目前国内有关预防挂接地线合闸的研究主要集中在接地线管理系统的搭建方面，少部分集中在防接地线合闸装置的研发上。

其中，文献［8］探讨了分布式电源接入对小电阻接地系统零序电流保护影响的机理，分析指出设置合理的并网变压器中性点接地阻抗值，可减少分布式电源接入对配电网保护带来的影响；文献［9］对城市配网典型接地方式进行了分析，并对零序电流保护应用进行了研究，分别对中性点经消弧线圈接地以及经小电阻接地方式下的现场应用的改进提出了新方法；文献［10］则进行了基于风险评估的配网防误分析研究；文献［11］提出了基于改进拟态物理学算法的配电故障区段定位，仿真结果表明其在定位准确和容错性方面有较大优势；文献［12-14］针对临时接地线的管理和监控问题，分别开发了临时接地线综合管理系统或可视化系统，可实现对临时接地线的科学、有效管理，这些管理系统可以将GPRS，GPS，GSM等通讯手段，以及远程视频、超声波测距和RFID等技术应用到系统中，通过移动接地线的状态识别经通讯手段传给管理系统，工作人员根据管理系统信息进行判断并做出决定，但其对于管理的规范性和管理系统的普及性要求较高，实施起来整个过程较繁琐，且只是线路中的常规接地能检测到，很难控制恶意接地等意外情况，比如通过细铁丝接地，管理系统就无法检测其接地情况，另外，通讯技术有限，尤其是偏远的农村和山区，系统可能会出现信号不良，影响判断。文献［16-20］则分别设计或开发了接地线在线监控系统，可用于检修人员和管理人员在进行操作、检修作业时对现场接地状态的掌握，防止发生输电线路带地线合闸恶性事故的发生，确保正常的检修流程，但这些监控系统，如前所述，大多实施起来整个过程比较繁琐，很难监控到恶性接地情况，在偏远山区或农村较难应用，影响判断结果。针对接地线状态可视化操作，文献［21］设计了基于通用无线分组业务（GPRS）网络的电力检修作业挂接地线状态监测装置，选用超声波测距的方法来检测接地线的挂接状态，并使用串口摄像头对检修作业现场采集，通过MC55模块以GPRS方式传送监控和图像数据，从而实现可视化管理，该可视化监控系统虽可更好地显示作业点挂接地线的实时信息，但受制于通讯技术，针对偏远山区和农村的接地线状态监控，存在一定困难；而文献［22］针对作业现场临时接地线挂接状态监测需求，设计了基于RFID和Zigbee的作业现场接地线管控系统总体架构，确定了各个部分的功能，通过运行测试，证明系统具有一定的工作可靠性，可在一定程度上提高变电站管理的信息化水平。

针对目前对配网线路接地线挂接状态的检测研究，本文利用国内外先进的电阻检测仪对配网临时挂接地线的接地电阻进行测试研究，包括对接地电阻影响、感应电压及其抑制措施、感应式注入方式等的研究分析和试验验证，通过大量的现场试验，给出了四种检测方案，并通过比较分析，确定了一种合理的接地线状态检测方案，即直接信号注入的检测方案，为后续开发接地线状态检测硬件装置提供了技术方案和研究基础。

1 接地电阻仪测试情况

1.1 接线方式和检测原理

分别在肇庆两施工地点，初步构想是利用接地电阻检测仪，在保留最后一组接地线的情况下，对输电线路进行电阻测量判断是否有漏拆除的接地线。通过电磁感应注入信号的方式，分别就存在额外接地点和不存在接地点的情况做了试验。为了证明方法的可行性，采用法国CA6415和美国FLUCK1625接地电阻检测仪，检测方式如下图1所示。

图1 测接线方式Fig.1 Measuring connection mode

图2 等效电路及检测原理图Fig.2 Equivalent circuit and measuring principle

基于图1，等效检测电路及检测原理如图2所示。

1.2 试验结果说明

共进行了两组现场试验，进行第一组试验时，现场试验有一处接地点在山腰上，施工点附近多加了一处临时接地线，试验时临时接地线未拆时，测试接地电阻约490～620Ω；临时接地线拆除后（也就是远方接地点在山上时），仪器无法测量。试验说明了施工现场接地情况复杂多样，当接地土壤为岩石或山丘时，接地电阻比较大，增加了检测难度。

第二组试验时，如图1（a）所示，试验现场有4个杆塔，每个杆塔相距约为60m，在挂接地线时，工程施工人员直接将临时接地线的一端与杆塔的固定线连接，为了保证安全，在靠近施工地点（第三杆塔）增添了一处接地线。

试验步骤：（1）只在第一个杆塔和第三个杆塔所在位置挂接地线，利用钳形接地电阻测试仪测得的电阻值为80Ω；（2）然后在第四个杆塔所在位置也接地，发现测得电阻值仍然为80Ω；（3）再将第三个杆塔上的接地线拆除后进行测量，发现此时没有测得电阻值，即电阻值超出量程。

1.3 试验结果分析

分析试验结果前，先简单阐述一下接地电阻测试的原理。接地电阻是指电流经过接地体进入大地并向周围扩散时所遇到的电阻。大地具有一定的电阻率，如果有电流流过时，则大地各处就具有不同的电位。电流经接地体注入大地后，它以电流场的形式向四处扩散，离接地点愈远，半球形的散流面积愈大，地中的电流密度就愈小，因此可认为在较远处（15～20m以外），单位扩散距离的电阻及地中电流密度已接近零，该处电位已为零电位。

在原土层内直接设置接地极模拟电位梯度为圆形，由于接地极与土壤的接触面积与半径成正比的，而接地极的接地电阻主要集中在2倍的导体长度范围内，接地模拟圆上限取2L ，下限取导体半径，则有

式中，ρ为土壤电阻率，L为接地体长度，d为接地体直径。现场试验可能会遇到各种类型的土壤，几种常见的土壤电阻率ρ如表1所示。

表1 现场几种常见土壤的电阻率ρTab.1 The resistivity ρ of several kinds of common earth in field

基于式（1）和表1，对接地电阻进行估算。对于2400Hz的信号，由于配电线路杆塔距离很短，四个杆塔的最大距离为180m，按照理论计算，线路的阻抗应该是很小的。具体计算如下：配电线路型号取LGJ-70，其直流电阻约为0.45Ω/km，电抗约为0.3Ω/km，电纳约为3.7×10-6S/km，对于180m的线路，直流电阻约为0.08Ω，电抗约为0.05Ω，电纳较小，可以忽略不计。由此看来，线路的阻抗是很小的，使用电阻仪测得电阻值的主要是接地电阻，其实也就是大地电阻，现场线路简单示意图如下图3所示。

图3 现场配网线路简单示意图Fig.3 Field distribution network line simple schematic diagram

假设接地体长度为0.6m，直径为0.1m，对于土壤电阻率为100Ω·m时，接地电阻为84Ω，而土壤电阻率为1500Ω·m时，接地电阻为1250Ω。可见土壤电阻率较大时，测得的接地电阻值会超出仪器测量范围。

1.4 试验结论

（1）现场存在两个问题：施工过程中，为了方便，往往通过将接地线夹在电杆稳固线上的方式接地，此种方式容易出现不良接地的情况，且电杆稳固线斜插入地，接地电阻相对较大。当出现接地电阻大的情况，超过仪器测量范围，因此试验过程中无法得到测试值；

（2）输电线路构成回路时，由于磁场感应存在比较大的干扰信号，接地电阻检测仪没有设计针对此类强干扰电流的处理方法，即使有显示检测阻值，其结果也不能作为参考；

（3）我国10kV配网，特别是对于农村配电网，通常是采用中性点不接地方式，对于10/ 0.4kV变压器只是低压侧是接地的，即0.4kV一侧采用三相四线制，在采用三相并联输入信号的方式时，可以忽略变压器的影响；

（4）根据调研了解的情况，对于10kV线路，在无接地线接地的情况不允许直接操作，因此初步打算在拆除地线时，通过对最后一组接地线注入信号的方式检测线路是否还有额外未拆除的接地线。此方式虽然保证了安全，却无法检测到相间短路的情况；

（5）现场接地情况随环境的变化而变化，可能存在较大接地电阻的情况，因此通过钳形互感器感应的方式不适用于接地线的检测，需要直接往线路中注入较大信号。同时现场可能出现的接地电阻阻值需要后期反复有针对性的试验确定；

（6）输电线路受感应电压的影响，可能存在干扰信号，同时由于长距离输电线路充电电容的存在，需要选定特定频率范围的注入信号，并且可以调节频率范围，同时通过硬件或软件滤波对采集信号进行处理，结合特定智能算法，增加检测精度，排除干扰影响；

（7）普通的接地电阻检测仪，一般测量时注入信号的频率比较高，且频率固定，只适用于接地电阻的测量，不适用于接地线状态的检测；同时其检测范围有限，对于复杂和远距离接地的情况无法测量；在接地线状态的检测情况中，线路中存在着干扰信号，其值甚至可能大于接地电阻检测仪需要采集的电流信号大小，使得接地电阻检测仪无法正常测试。另外，市场上接地电阻检测仪检测频率过高，增大了输电线路分布电容的影响，同时高频率下线路阻抗很大，加上接地电阻检测仪器功率不够，因此，很难直接应用到输电线路接地线检测上。

2 接地电阻的影响试验验证

基于前面接地电阻仪实验和对耦合接地电阻影响的PSCAD仿真建模分析，为了验证接地电阻大小对注入信号的影响，使用额定值为10V，频率为400Hz的正弦波电源作为信号源，进行试验分析，如下图4所示。

图4 接地电阻影响现场试验Fig.4 Grounding resistance impact field experiment

试验结果表明，接地桩等效电阻与接地桩之间的距离有关，在20m内，接地桩等效电阻随着距离的增大而增大，超过20m后等效接地电阻值几乎不变。同时，根据试验土壤条件，可以推断实际检测环境下接地桩等效电阻值范围可能在400 Ω～2000 Ω。

3 感应电压测试及抑制措施试验验证

针对同杆并架输电线路中存在较大感应电压的情况，特制了一个接地电阻盒，就耦合电阻对感应电压的抑制作用进行了现场试验，详细情况描述如下。其中图5为接地桩和输电线路接地线，图6为自制的接地电阻盒和试验现场图。

图5 接地桩和接地线示意图Fig.5 The grounding stick and transmission grounding wire

图6 自制的接地电阻盒和现场试验Fig.6 The self-made grounding resistance box and field test

图7为现场试验测试波形图，从现场试验所记录的波形可以看出，同杆并架情况下，检修输电线路受运行线路的影响，恶劣情况下感应电压可高达近500V。采用耦合电阻接地后，随着接地电阻的减小，对感应电压的削弱效果越明显。同时注入弱信号时，从所拷贝波形看出，在远方接地时线路中的电流比较大也比较明显，工频电流信号受到了耦合电阻的抑制，远方不存在接地线时，线路中仅存在微弱的电容电流信号。

4 针对两种测量法进行现场试验验证

对于感应电压注入测量法，利用一台国产的双钳接地电阻仪，在肇庆供电局的培训基地进行了试验，试验的情况表明在输电线路回路中不存在干扰的情况下，感应电压注入测量法是可行的。

对于直接注入法，由于需要接地桩，为了验证接地桩的接地电阻的大小及其实际的检测效果（电压、电流值），使用额定值10V，频率400Hz的正弦波电源作为信号源，进行试验分析，试验结果表明，接地桩等效电阻与接地桩之间的距离有关，在20m内，接地桩等效电阻随着距离的增大而增大，超过20m后等效接地电阻值几乎不变。同时，根据试验土壤条件，可以推断实际检测环境下接地桩等效电阻值范围可能在400 ～2000 Ω，也就是说采用10V信号源的情况下，注入电流可能在1-20mA级别。现场试验数据如表2所示。

5 基于现场试验确定四种接地线检测方案

基于现场试验，确定4种接地线检测方案。其中，

方案一：保留一组接地线，通过钳形电压互感器，利用电磁感应注入电压检测信号，以确定是否存在额外的临时挂接地线。该方案检测原理如图8（a）所示。

图7 现场试验测试波形图Fig.7 The field test waves

方案二：利用绝缘棒将检测装置与配网线路相连。该方案检测原理如图8（b）所示。

方案三：保留一组接地线，在接地线与接地极的连接处接入电压源，电源的另一接地端与接地极相距的距离应不小于20m。该方案检测原理如图8（c）所示。

方案四：在方案三的基础上，将原来的单相注入改为三相电压信号注入，但需要改造接地线。该方案检测原理如图8（d）所示。

表2 现场试验数据Tab.2 The field test data

四种检测方案优缺点对比如表3所示。综上，经过大量现场调研和试验研究，确定了如图8所示的四种检测方案，通过比较，认为最终可采用方案一和方案二。其中，方案一采用感应式测量方法，在实验室经试验，可以很好地检测出接电线的状态，但在现场测量过程中，比较容易受到强电磁干扰和复杂的电磁环境的影响。因此，最理想的是方案二，该方案采用直接注入式检测方法，基于该方法，研制了试验原型样机。样机通过直接注入式方法，将多个变化的中频段信号（试验过程中发现间谐波信号效果更好）注入到待测线路进行检测，检测回路由样机、样机接地线、大地、临时挂接地线、待测线路等构成，样机逆变桥发射功率足够的变频信号到待测回路，由高精度采样芯片不断对检测回路的电压和电流进行采用，然后利用冗余判据法和阻抗法，判断临时挂接地线的状态，并计算临时挂接地线接地点与测量点间的距离，该距离值可辅助检修人员查找临时挂接地线。利用方案二可检测出临时挂接地线单相接地、两相接地、三相接地和相间短路等接地情况。

图8 四种检测方案原理示意图Fig.8 The schematic diagram of four kinds of detection scheme

表3 四种检测方案优缺点比较Tab.3 The advantages and disadvantages comparison of four kinds of detection scheme

6 总结

本文利用接地电阻检测仪对配网线路临时挂接地线的接地电阻进行试验研究，通过大量的现场试验，对接地电阻的影响、抑制感应电压的措施、感应电压注入测量法等进行了试验验证，试验表明在检测线路不存在干扰的情况下，感应式注入检测方案效果良好，但易受强电测干扰和复杂电磁环境影响，通过试验验证最终确立了四种检测方案，通过对各方案的优缺点分析，最终得出结论认为应采用直接信号注入方案来检测临时挂接地线的状态，利用该方法所验证的样机可有效检测多种接地线状态，具有一定的实用性和有效性。

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DOI：10.19335/j.cnki.2095-6649.2016.06.001

基金项目：中国南方电网科技项目资助（K-GD2014-204）；国家自然科学基金项目（51177051， 51477055）

作者简介：程乐峰（1990-），男，通信作者，硕士，主要研究方向：配网自动化和电力系统运行分析及控制；姜静（1984-），男，硕士，主要研究方向：配电网自动化、电能质量分析与控制；陈亮（ 1977-），男，博士，高级工程师，主要从事方向：电力调度、经济调度；殷林飞（1989-），男，硕士，主要从事向：配网自动化及电力系统控制分析；余涛（1974-），男，教授，博士生导师，主要研究领域：复杂电力系统的非线性控制理论和仿真、智能控制算法等

Detection and Experimental Study for Grounding Resistance of Distribution Network Temporary Hanging Grounding Wires

CHENG Le-feng1， JIANG Jing1， CHEN Liang2， YIN Lin-fei1， YU Tao1
（1.Electric Power College， South China University of Technology， Guangzhou， Guangdong 510640， China； 2.Zhaoqing Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co.， Ltd， Zhaoqing， Guangdong 526060， China）

ABSTRACT：The CA6415 from France and Fluke1625 from America were used to implement experimental study on temporary hanging grounding wire resistance in distribution network， and the influences of grounding resistance were experimentally verified.The experimental study included two aspects， one is to test the induced voltage， and verified the measures to control induced voltage； the other is to finish field experimental verification on the induced voltage injection measuring method.The tests show that this method is feasible when no disturbances exist in transmission lines， but is easily influenced by the strong electromagnetic interference and complex electromagnetic environment.Finally， four grounding wire measuring schemes are given and compared and finally think that it can effectively judge the grounding wire status via the direct signal injection scheme.

KEyWORDS：Gounding wire； Ground meter； Iduced voltage injection method； Drect injection method； Dtection