接地网接地阻抗测试方法误差分析

2018-03-14徐碧川龙国华周友武周龙武

江西电力 2018年2期

徐碧川，万华，龙国华，周友武，周龙武，张竞

0 引言

发电厂和变电站接地网是变电站设备的重要组成部分，它不仅为变电站内各电气设备提供公共的参考地，同时在系统发生接地故障时还起到了泄放故障电流、改善地表电位分布的作用，对于保障站内一、二次设备以及人员的安全有着至关重要的作用[1-3]。

在接地网接地性能参数异常的情况下，系统接地短路或遭受雷击，会导致电位的异常抬升和地表电位的异常分布，从而对站内人员、设备的安全造成威胁，特别是地网反击造成二次设备绝缘击穿，导致监测、控制或保护设备误动或拒动而“间接”导致事故扩大，造成严重的事故，带来巨大的经济损失和社会影响。

接地阻抗的测量在接地网全过程管理阶段是最常用的测试手段，也是反映接地网接地性能的最直观体现，它能在一定程度上为变电站运维人员提供接地网安全性能的参考。本文通过对江西电网变电站主地网运维情况资料的收集、调研，总结出接地网运维检修过程中接地阻抗测试存在的典型问题，并针对接地阻抗测试方法不当的各种情况带来的测试误差进行仿真与分析，并提出相应的建议。

1 接地网接地阻抗测试问题分析

在江西电网变电站接地网交接、运维检修阶段，发现了接地阻抗测试存在如下典型问题：

1）接地阻抗测试超期。未按照接地阻抗例行测试的周期进行测试。

2）测试放线长度不符合测量导则要求。文献[4]要求：“测试接地装置工频特性参数的电流极应布置得尽量远，通常电流极与被试接地装置边缘的距离应为被试接地装置最大对角线长度的4-5倍”。调研数据显示，在进行接地阻抗测试时，部分电流极的放线长度未能达到标准要求。

3）零电位点确定方法不规范。直线法测量接地阻抗时，需要移动电位极寻找零电位点。文献[4]要求，电位极应在与被测接地装置与电流极连线方向移动三次，每次移动距离为电流极距接地装置边缘距离的5%，当三次测试的结果误差在5%以内即可。调研数据显示，部分测量中未寻找零电位点，直接将单次测试结果作为变电站接地阻抗值，在零电位点的寻找过程中，移动距离不够、移动位置严重偏移等现象较为普遍。

4）放线时电流线与电压线距离太近。采用直线法测试接地阻抗时，为了避免互感对测试结果带来的影响，文献[4]要求电位线和电流线保持尽量远的距离。调研数据显示，部分测试过程中，未将电位线和电流线隔远，给测试结果带来误差。例如在某次测试中，电位线与电流线相隔距离只有80 cm左右，并行长度超过1 km，此时互感会对测量结果带来较大影响。

5）未考虑外延接地系统分流的影响。在对运行变电站进行接地阻抗测试时，未考虑连接到主地网的避雷线或进线电缆外护套在测试过程中分流的影响，造成测试结果普遍偏小，不能真实反映变电站地网接地阻抗值。

2 接地阻抗测试误差仿真分析

接地网具有隐蔽工程的特点，所处环境和影响因素复杂，接地阻抗的准确测量，特别是大型接地网的测量，长期以来一直是困扰国内外接地技术工作者，但又必须面对并解决的技术难题。

2.1 测试放线长度不足

直线法测试误差来源并不单一，除了放线长度、引线互感，还有零电位点的确立等人为因素，特别是直线法测试时，电压极移动存在极大的不规范性，移动距离不够或者根本未进行测距，移动时由于路径等现场因素导致角度严重偏移，直线法的测试存在诸多问题。故本文主要分析夹角法的放线长度带来的测试误差。

为了分析方便，建立了一个标准的简易接地网模型，接地网尺寸为100 m×100 m，最大对角线长度140 m，网格尺寸为10 m×10 m，接地导体为截面积480 mm2的扁钢，运用CDEGS对不同的布线方法进行仿真，分析布线方法的差异带来的误差。

土壤电阻率取100 Ω·m，应用上述标准接地网模型进行仿真，在接地软件CDEGS[5-6]的MALZ模块中计算地网接地阻抗真实值为0.4 570∠0.69°Ω，测试方法选用文献[4]中的夹角法，夹角取180°和90°，测试电流用异频法48 Hz/10A，采用两种放线距离分别进行测试：

方案1：电流线自接地网向东布置，电流极至接地网边缘300 m（2D），电压线自接地网向西布置，电压极至接地网边缘300 m（2D）。

方案2：电流线自接地网向东布置，电流极至接地网边缘700 m（5D），电压线自接地网向西布置，电压极至接地网边缘700 m（5D）。

图1 180°夹角法布线示意

图2 90°夹角法布线示意

由于电流极的引入对电压极电位造成了影响，将导致接地网与电位极之间电位差测量值较地网真实电位升高偏小，此偏差可以通过文献[4]中的公式进行修正。

运用CDEGS对上述两种放线长度的测试情况进行仿真，结果见表1。

表1 夹角法放线距离不同的测试误差对比

从表1中的结果来看，在夹角法的应用过程中，2D和5D的放线距离差别导致了接地网直接测试值存在10%左右的差别，而在修正系数对测试值进行修正后，该偏差被进一步放大，导致了接近20%的差别。5D的放线距离最终的接地阻抗误差仅有7.02%，远小于2D的放线距离的测试结果。

放线距离过小导致了接地阻抗的最终测试值与真实值产生明显的偏差，造成偏差的主要原因是修正系数的原理性误差。从修正系数的推导过程可以看出，所有推导都是基于均匀土壤下接地网的半球形等效模型，在放线距离过短的情况下，接地网散流在小范围内的地表电位分布与半球形散流模型存在较大差别，从而导致了接地阻抗修正后，测量偏差被进一步放大。该偏差在非均匀的土壤中以及夹角小于180°的测试方案下会被进一步放大。

2.2 引线间互感

为了分析方便，同样建立一个标准的简易接地网模型，用来模拟典型220 kV变电站主地网尺寸，接地网尺寸为200 m×200 m，最大对角线长度280 m，网格尺寸为10 m×10 m，接地导体为截面积480 mm2的扁钢，运用CDEGS对不同的布线方法进行仿真，分析引线互感对测试结果带来的误差。

如果接地网处于表2所示的中等土壤电阻率的条件下，运用CDEGS仿真得到接地网接地阻抗真实值为0.5048∠0.53°Ω。其他条件不变，再次进行仿真，结果见表3。

表2 层状土壤结构

表3 不同布线间距情况下的误差对比

从计算结果来看，在平均布线间距为2.5 m时，互感阻抗达接地阻抗真实值的1.15倍，此时接地阻抗的测试值为真实值的1.52倍。

通过对110 kV、220 kV、500 kV典型变电站接地网仿真，推荐110 kV变电站放线间距至少4 m，220 kV变电站放线间距至少8 m，500 kV变电站放线间距至少9 m，以上计算值均为平均土壤电阻率为100 Ω·m的前提下仿真计算得出，在土壤电阻率较高的地区布线间距下限可以适当放宽，此时引线互感导致的接地网测量误差可控制在10%以内。然而，考虑现场土壤分布的不均匀性，电压极在0.5～0.6倍dCG之间移动5%时，测量结果变化变化往往超过5%，且没有规律，直线法在寻找零电位点的过程存在困难，且测试工作量较大。

综上所述，220 kV及以上电压等级的变电站接地网接地阻抗不推荐采用直线法进行测量，如果受条件限制必须用直线法测量的，必须保证上述放线间距，且在结合GPS定位的情况下，按照规程移动电压极准确的找到零电位点，方能保证测试结果的可信度。

2.3 外延接地系统的分流

对接地网进行接地阻抗测试时，外延接地系统会将一部分测试电流分走，使得通过接地网入地的电流减小，从而使测试结果偏小。外延接地系统包括与接地网连接的架空出线避雷线、与地网连接的电缆外护套、与接地网焊接的消防水管和其它金属体等，架空地线分流如图3所示。

图3 架空地线接入变电站地网后拓扑结构和分流

厂站发生短路时，其分流系数是由系统中的电流分布决定的，因而影响分流系数的参数有：厂、站接地阻抗、杆塔接地阻抗、地线和相线自阻抗、相线和地线间的互阻抗、以及从母线看系统的等值阻抗。这些参数很大一部分与线路参数关系密切。

对江西某110 kV变电站进行分流系数的仿真，本期110 kV侧2回进线，根据具体参数，运用ATP对该变电站进行建模仿真，仿真得到站内单相及两相接地短路时，短路电流Is、避雷线流过的电流Ib、以及接地网入地电流Ig的有效值见表4，其中，两相接地短路电流分流波形见图4。

表4 某110 kV变电站短路电流水平

图4 两相接地短路电流分流波形

可见，本期远期2回出线的情况下，站内短路时避雷线分走的电流约占短路电流的72.9%。如果在实际测量中，接地阻抗测量值为0.3 Ω，则接地阻抗的实际值应为0.3/（1-0.729）=1.11 Ω。可见，在接地网接地阻抗测试中，不进行分流系数的测试，将导致测试结果严重偏离真实值。

在进行变电站接地网的设计阶段，设计单位必须对厂站进行分流系数的计算，以确定接地网接地阻抗设计值是否满足变电站安全的要求[7]。对于详细的分流系数，应根据实际的变电站设备及出线参数进行仿真计算，且计算工况包括各种运行方式下的各种接地短路故障，包括站内短路故障以及站外短路故障。然而，随着变电站投运后，新增的出线以及变化的接地网及杆塔的接地阻抗将可能导致分流系数发生较大变化，特别是电缆外护套对分流系数的影响较大，同时随着主变的新增以及系统短路容量的增加，从而导致入地电流也发生较大变化，故分流系数的测量应作为接地网安全性评估的重要环节而被重视起来。

3 外延接地系统分流系数实测

在对2.3中的江西某110 kV变电站进行接地阻抗的测试时，进行分流系数的实测，测试仪器选用DF9000变频大电流接地特性测试仪。对接地网产生分流的只有110 kV的两回线路的避雷线，由于该站10 kV电力出线为单端接地，故可以不考虑电缆护套的分流。在测量接地阻抗的同时，用罗氏线圈圈住出线门型构架各个架脚，以注入电流为0相位，基准向量通过无线发射装置发出相位参考，分流测试单元接收该信号，从而测出各部分为分流向量的幅值和相角，现场测试如图5所示。注入的测试电流幅值3.07 A，即I0=3.07∠0°A各架脚测量所得的分流电流向量见表5。