换流站接地网接地阻抗准确测量研究
2019-05-17李艳鹏李永祥
李艳鹏,晋 涛,李永祥
(国网山西省电力公司电力科学研究院,山西 太原 030001)
大型变电站的地网接地阻抗是否满足设计要求,是关系变电站安全运行的关键因素。接地网接地阻抗的准确测量直接影响到接地网设计、施工质量检验的正确判断,是评价接地装置特性的有效手段。在实际接地阻抗测试中使用的有电位降法、直线法、夹角法和远离法,前3种方法受土壤电阻率均匀性影响很大,而远离法涉及的放线距离远,在实际使用中各有优缺点。
1 接地阻抗测试原理
接地阻抗是电流经接地装置流入大地时接地网的电位和电流的比值。现场测试地网接地阻抗一般采用三极法,通过在接地极与电流极之间施加电流,测量接地极和电压极之间的电压,最终计算得出接地阻抗值。以下是接地网接地阻抗的基本原理。
1.1 电位降法
电位降法是接地阻抗测试的基本方法。其原理是设置一个电流极固定不动,将电压极沿着电流极与接地极的连线移动多次,用高阻电压表测出接地装置与电压极之间的地表电压,绘出接地网与电流极之间的电位降曲线,分析测量曲线,将测量曲线中的饱和段电压近似作为接地装置相对于无穷远处的电压,找出曲线平坦段对应的视在接地阻抗即为接地阻抗实际测量值。在实际测量工作中,电位降法需要反复多次测量,工作量大,电位降曲线绘制相对比较麻烦,现场检测不易开展。
1.2 补偿法
补偿法是通过利用电流极的引入所造成的电场畸变使无穷远处的零电位面移至接地网G和电流极C之间,相对于零电位面所测得的接地阻抗即为接地网与电流极共同作用下的接地阻抗值,达到缩短测量引线长度和减少工作量的目的。补偿法又分为直线法和夹角法。
直线法测试接线如图1所示,三极分别为被测接地装置G、测量用的电压极P和电流极C。其中电流线长度dCG约为被测接地网最大对角线长度的4~5倍,电压极到接地网的距离dPG约为电流极到接地网距离的50%~60%。测量时电压极沿被测接地装置G与电流极C的连线方向移动3次,每次移动的距离为dCG的5%左右,当3次测试的结果误差在5%以内即可取测量值为接地阻抗值。
图1 直线法的原理接线图
1.3 远离法
补偿法是基于均匀土壤得出的结论,在土壤结构极不均匀的场合不宜采用。对于非均匀土壤条件下的接地阻抗测量,目前规程DL/T475推荐采用基于物理零电位点的远离法进行测量。
在工程实际测量中,无法将电压测量极布置到无穷远处,只能布置在距接地网一定距离、工程上能接受的地方。布线距离足够远可以得到接近真实的接地阻抗值。
2 测试干扰因素分析
2.1 土壤电阻率的影响
接地阻抗是电流流经接地装置向地中散流时土壤所呈现的阻碍作用。当在接地极注入一个电流I时,该电流将通过接地装置向大地呈半球形散流,并最终流向无穷远处。若假设土壤电阻率均匀分布,土壤电阻率为ρ,接地装置的半径为r,则可得出接地装置的阻抗
补偿法包括直线法和夹角法,测试原理相同,以夹角法为例分析,其测量原理如图2所示。
如图2所示,E为等值半径为r的接地装置,C为电流极,P为电压极。c为接地装置E与电流极C的距离,p为接地装置E与电压极P的距离,θ为电压极与电流极间的夹角。
图2 夹角法测量原理图
假设流入电极E的电流为正,则电流极流出电极E的电流为负,所以在电极E形成的电位差为
同理,电极E与电流极C在电压极P处形成的电位差为
通过接地极E和电压极P的电位差,计算得出接地阻抗为
补偿法测试接地阻抗是在接地极为半球体和土壤电阻率相等的前提下得出的,对于接地极、电压极和电流极土壤电阻率变化较大的情况,公式(1)、(2)和(3)均不成立,利用直线法和夹角法难以获得准确的接地阻抗测量结果。尤其是现场人工布线距离相比地网面积相差不大的情况,接地体散流也不能等效集中在接地极附近。
2.2 引线互感的影响
互感干扰是测试布线引入的干扰,现场测试使用异频法能避免周围工频磁场的干扰,但仍存在电流测试引线在电压线上引入的干扰。为了简化分析,本文将测试布线回路等效为2个矩形平面,电流线和电压线均布置在大地平面上,两者之间的角度为θ,电压线形成的回路平面面积为S1,电流线施加电流为I,如图3所示。
由电磁场原理可知,距离导线距离为x的圆周上任一点的磁感应强度为
式中,x为电流线至电压回路投影平面的平均距离。
地中回流也可以等效为电流为I的导体,导体的镜像深度与电流的穿透深度有关,受到土壤的分布结构和成分影响。回流导体的电流与电压回路之间有互感,会在电压回路上产生感应电动势,同样依据公式(5)可以计算出互感,施加电流对电压回路的互感由电流线及回流导体共同作用,其大小与电流在土壤中穿透深度、与电压线及电流线布置的空间相对位置有关。
从图3和公式5可以得出,地网测试时施加电流对电压回路的互感耦合可以通过增加两者的空间距离及角度θ来减小,两者间的角度θ≥90°情况下,忽略接地极处地中电流方向的影响,电流对电压回路的互感为零。
3 接地阻抗现场实测
±800 kV特高压雁门关换流站接地网水平接地体的敷设深度按0.8 m设计,并通过2.5 m垂直接地体埋入冻土层以下。水平接地体选用150 mm2铜绞线。接地网最大边长约为574.5 m和307.5m,最大对角线长度约为652 m,与接地网外围连接有9口300 m接地深井,接地阻抗设计值为0.23 Ω。
表1 晋北站分层土壤电阻率
考虑到±800 kV特高压雁门关换流站所在地区土壤电阻分层和接地网所处的土壤不均匀。本次试验采用远离法进行测试,测试中用换流站接地极作为电流极,电流线长度约为71 km,用换流站外第17级直流线路杆塔地网作为电压极,电压线长度约为7.1 km,远大于接地网对角线长度,电流线电压线间夹角约为90°。现场测试的数据见表2。
表2 接地阻抗测试结果
4 结论
a)换流站接地网面积大,土壤电阻率分布不均匀,现场采用直线法和夹角法测试阻抗均为0.6 Ω,测试电阻为0.08 Ω,分析测试结果主要受测试方法和回路间互感的影响,直线法和夹角法在土壤电阻率不均匀的情况下,一是测试中已无法通过计算找到电压的零位点,土壤电阻率均匀条件下的计算公式已不适用,二是受现场地理条件限制,人工布线很难保证电压线与电流线的空间距离和角度,电流线对电压线形成互感影响测试结果。
b)远离法测试接地阻抗可以克服土壤电阻率不均匀带来的影响,但是要求电流极、电压极与接地极三者距离足够远,距离越远,引起的误差越小,建议至少大于10倍的接地网对角线长度。现场一般需要借助建成的输电线作为电压线和电流线,应选择两者的角度大于90%,以排除互感的影响。此外,远离法还应注意避免与电压线、电流线交叉的带电线路对测试的影响。
c)现场测试应尽可能降低电流线回路的回路电阻,提高测试的信噪比。