大型接地装置的工频间隔波测量方法研究

何智强，李 欣，王丽蓉，胡晓晖，潘卓洪

(1.国网湖南省电力有限公司，湖南 长沙 410007；2.国网湖南省电力有限公司电力科学研究院，湖南 长沙 410007；3.国网湖南省电力有限公司检修公司，湖南 长沙 410003；4.武汉市康达电气有限公司，湖北 武汉 430070；5.华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室，河北 保定 071003)

0 引言

在电网数字化和智能化发展的趋势下，以监控、测量、保护等为目的的弱电设备对接地可靠性提出了越来越高的要求[1]。评价接地系统性能的重要标准是其接地阻抗，即接地装置对远方电位零点的阻抗[2- 3]。接地阻抗测量是接地系统验收的重要环节，同时也是一项工作量较大的现场测试工作，受现场干扰[4]、地形和土壤电阻率[5]、布线路径[6-7]、互感耦合[8-9]等多方面的因素影响，对测量仪器的精度和抗干扰性能有较高的要求。目前行业内普遍认为工频干扰是接地测量主要影响因素。为了应对工频干扰，常用工频大电流法或异频法进行测量[10]。工频大电流法是加大工频试验电流以提高信噪比。异频法是使用与工频错开一个小频差的试验电流并通过硬件软件滤波，实现工频干扰的消除。工频大电流法和异频法需要的试验电源较为笨重，整套测量装置的售价高昂。

为了降低接地阻抗测量仪器的复杂性和制造成本，并提高仪器现场抗干扰的能力和工作的可靠性，本文提出了大型接地装置的工频间隔波测量方法。通过硬件实现间隔波电流输出，通过数个周期测量信号的差分去噪以取得有效信号成分。本文先以算例从原理上分析了方法的有效性，并在某500 kV变电站的接地阻抗测量中实现了应用。本文研究为接地测量及其装备制造提供参考。

1 大型接地装置的阻抗测量方法

在规程DL/T 475《接地装置特性参数测量导则》中，规定大型接地装置为：①110 kV及以上电压等级变电站的接地装置；②装机容量在200 MW以上的火电厂和水电厂的接地装置；③等效面积在5 000 m2以上的接地装置[10]。根据电源类型，大型接地装置的阻抗测量方法可分为异频电流法和工频大电流法两种。

如果采用工频电流测试接地装置的工频特性参数，DL/T 475要求采用独立电源或经隔离变压器供电，并尽可能加大试验电流，试验电流不宜小于50 A，并应特别注意试验的安全问题，如电流极和试验回路的看护。由于上述要求较为苛刻，为了降低测量仪器的容量和提高测量准确度，DL/T 475推荐采用异频电流法测试接地装置的工频特性参数。异频测量法使用变频电源，在偏离工频的频率下测试，接地网干扰经过选频滤波被消除，因而测量结果不受系统电源的影响，不会因接地网是否在运行或干扰信号的存在而受到影响，可有效地消除工频干扰。同时，选频也消除了接地网中的高频干扰。因此，选用异频法测量接地网可有效消除干扰对测量结果的影响。

为保证测量结果尽可能反映接地网在工频运行条件下的特性，异频法测量应尽量在接近工频的条件下测量，即所谓的“类工频”测量。基于异频法的接地网特性参数测量设备有较高的技术要求，需要测量设备具有可变的电压和电流测量通频带，还必须从硬件和软件两方面综合考虑使设备达到较高的测量精度。基于异频法的测量设备具有较好的抗干扰性能，在现场得到了广泛的应用。

工频大电流法和异频法的共同缺点是试验电源较为笨重，而且整套测量装置的售价高昂。测量大型接地装置接地阻抗对电源的要求如表1所示。异频法虽然具有较好的抗干扰能力，但其测量结果需要折算到工频，会引入一定误差。从减轻设备质量、降低成本、提高直接测量准确度的角度来说，有必要基于工频电流研究新的测量方法，实现接地阻抗的工频抗干扰直接测量。

表1 测量大型接地装置接地阻抗对电源的要求

2 现场的噪声分析

噪声指现场所有干扰或扰乱有用信号的不期望的扰动，包括人为造成的和自然界产生的干扰，以及由电系统材料和物理器件产生的自然扰动。噪声是一种随机信号，在任何一瞬间都不能精确预知其大小。它由振幅随机和相位随机的频率分量构成。为了给新的工频测量方法提供参考依据，在地铁、电气化铁路牵引站、发电厂等不同接地网检测现场采集实际干扰噪声的波形并进行分析。

图1背景噪声和频谱功率密度示意图。图1(a)为地铁牵引站接地阻抗测量的背景噪声，图1(b)为图1(a)的频谱功率密度。从数据及其频谱分析的结果来看，地铁牵引站进行接地阻抗测量时会面临非常严重的噪声问题：首先是低频段有连续频谱噪声的大干扰，反而工频噪声的功率密度并不大，奇次谐波干扰严重，甚至三次谐波的能量谱达到基波的10倍以上。

图1(c)为电气化铁路牵引站进行接地阻抗测量时的背景噪声，图1(d)为图1(c)的频谱功率密度。结果表明，电气化铁路牵引站进行接地阻抗测量时会面临较大的工频噪声。

图1(e)为某大型火力发电厂接地阻抗测量时的背景噪声，图1(f)为图1(e)的频谱功率密度。结果表明，该发电厂进行接地阻抗测量时会面临幅值高达15 V的工频噪声。图1(f)表明工频噪声是噪声的主要成分，奇次谐波成分也较为丰富。

图1 背景噪声与频谱功率密度示意图

图1表明，不同类型大型接地装置接地阻抗测量现场的背景噪声与频谱功率密度呈现不同的特性，有的以工频干扰为主，有的以低频干扰叠加奇次谐波的形态呈现。另外，现场噪声大部分情况下是相对稳定的。地铁和电气化铁路由于机车的运动会引起短时突变的噪声，但很快会恢复为相对稳定的状态。下面针对上述两种情况进行接地阻抗的工频间隔波测量方法研究。

3 工频间隔波测量方法的原理

工频电流结合倒相法是DL/T 475中描述的一种工频抗干扰方法[10]。其实施流程分三步：首先，不施加电流，测量干扰电压U0；然后，分别施加试验电流I1，测量合成电压U1；最后，将试验电流倒相-I1，测量合成电压U2。通过两次施加电流，三次测量电压，通过式(1)计算得到接地阻抗。

(1)

三极法结合倒相法需要使用分立的调压变压器、电流表、电压表、功率表等设备，还需要繁琐的人工操作和计算，因此实际应用起来比较麻烦。另外，由于零序电流的相位不确定，而且施加正相、倒相测试电流时，干扰电压U0的幅值和相差可能发生变化，会导致较大的测量误差。

本文在“倒相法”的基础上，运用高速信号采集，程控恒流源和同步检测等技术，提出工频间隔波测量方法，其原理流程图如图2所示。首先，使用100 kHz采样频率对背景噪声进行基础的测量和分析，确认噪声呈现稳态不突变的情况，以避免非稳态噪声对测量结果造成的影响；然后，发送间隔周期的工频正弦波电流，并基于同步检测技术控制高速采集单元对连续周期进行采样；最后，基于采集的数据进行时间差分运算，消除相对稳定的背景噪声后，对信号进行离散傅里叶变换(discrete Fourier transform，DFT)，得到有效电压信号的幅值和相位，并计算得到接地阻抗。

图2 工频间隔波测量方法原理流程图

间隔波测量是整个测量的核心环节。在确认噪声正常的情况下，在测量的主回路注入工频试验电流。为了尽量提高输出的测量电流，测量可使用升压变压器对市电进行升压。一般情况下，测试电源的频率与背景噪声中的工频噪声频率完全一致，两者仅幅值和相位有所区别。如果使用工频电源连续测量的方式，则无法区分有效信号和工频噪声。

工频间隔波电流输出流程如下：偶数周波正弦电压过零时通过程控恒源注入试验电流I到测量回路，1个周期后停止电流输出，等待1个周期后到下一周波再注入试验电流I，如此循环。工频间隔波电流I的表达式为：

(2)

式中:Am为有效电流信号的峰值；f为工频；t为时间。

在I的激励下，电压极取得的测量信号U如式(3)所示：

(3)

式中:vm为有效电压信号的峰值；f为工频；t为时间。

令噪声信号为U0=n(t)，根据间隔波的测量原理，在电压极测量的信号s(t)如式(4)所示：

(4)

由式(4)可知，在奇数周波测量的信号为噪声信号，在偶数周波测量的信号为噪声与有效信号的叠加信号，相当于将有效信号调制在噪声信号中。高速采集单元同步于系统工频，对电压极信号连续采样并按周期分组保存。无电流输出的周期为奇数周期，有电流输出的周期为偶数周期。为了消除背景噪声，基于间隔周期对数据进行差分运算，以偶数周期s(t)为基准周期，用前后相邻的奇数周期数据，按式(5)进行运算，去除噪声，解调得到工频间隔波电流对应的有效电压信号s′(t′)。

s′(t′)=s(t)-0.5[s(t+T)+s(t-T)]

(5)

式中:s′为调制后的数据；t′为调制数据的时间量；T为工频周期时间。

在噪声相对稳定的情况下，间隔周期噪声的幅值、相位基本相同，因此式(5)可以较好地剔除噪声，获得有用信号。对解调得到的电压信号进行离散傅里叶分析，可以得到电压信号的幅值|s|和相位差θS，除以间隔波电流信号I，便可得到接地阻抗测量值，如式(6)所示：

(6)

4 现场实测与验证

工频间隔波测量方法的测量结果如图3所示。为了验证工频间隔波测量原理的有效性，将现场采集的噪声信号依据间隔波测量原理进行数据处理，把图1中的噪声信号在空载情况下采用间隔波进行去噪可以得到剩余噪声，采用式(5)去噪之后，图3(a)、图3(c)和图3(e)的残余噪声是原始噪声的1/100～1/1 500，说明去噪效果可达40～64 dB。

通过注入一个虚拟的测量电压信号(下文取0.141sin100t)可分析工频间隔波方法的测量性能，结果见图3(b)、图3(d)和图3(f)。对图3(b)、图3(d)和图3(f)数据进行离散傅里叶分析得到有效信号的幅值和相位偏差。以噪声最严重的图3(f)为例，测量取得的工频电压信号幅值误差仅为0.31%，相位误差为-0.24°，测量精度完全满足规程DL/T 475的要求。

根据工频间隔波方法的测量原理研制了测试仪器的样机，工频间隔波测量仪器的输出电流波形如图4所示。并在变电站与异频法测试设备进行现场试验验证。选取某500 kV变电站进行间隔波测量方法的现场验证。测量对象为一个长270 m、宽220 m、对角线350 m的接地系统。由于现场限制，测量布线选用远离夹角法进行，布线夹角约为110°，满足规程关于远离夹角法的要求。

图3 工频间隔波测量方法的测量结果

图4 工频间隔波测量仪器的输出电流波形

为了对比间隔波测量方法的有效性，现场使用异频法(测量频率为53 Hz，仪器为红相接地阻抗测量系统)作测量对比。测量过程中选取了不同的测量点，两种测量方法的输出电流均为3 A(有效值)，测量数据如表2所示。

表2 间隔波与异频法的测量结果对比

结果对比表明，间隔波的测量数据无论是模值还是相角均比较稳定，而且和异频法的测量结果一致。初步现场运用的情况表明间隔波的测量方法是一种有效的测量方法。

与工频电流大电流测量方法不同，间隔波可以通过“市电+隔离调压变”的方式供电，可有效降低试验电流和设备成本。目前，间隔波的样机中需要引入高速的采样单元、电力电子开关及其控制电路。这部分的装置和元件都是比较成熟的，设备增加的成本并不高。

随着物联网技术的发展，接地阻抗测量装置也需要向轻型化和智能化的方向发展。在有效降低测量回路阻抗和提高仪器测量精度的情况下，间隔波测量技术可以实现设备的轻型化。假设电流极的接地电阻降到20 Ω，以3 A的测量电流输出为例，仪器的输出电压可以降低到数十V，电源容量要求也大大降低。另外，通过良好的硬件降噪技术可以进一步提高测量仪器的信噪比，从而降低对试验电流的要求。

5 结论

针对使用工频电流测量接地阻抗时要求使用大电流输出的缺点，本文提出了一种间隔波接地阻抗测量方法，所得结论如下。

①间隔波方法通过同步的高速采集单元和可控高速电力电子开关，将工频测量电源在间隔工频周期内断开，通过相邻信号的前后向差分可有效压制现场噪声。

②从原理上分析了间隔波方法有效性，在现场测量了不同类型的强干扰噪声并分析了它们的波形参数和特征。通过仿真算例证明了本文方法的有效性，并在此基础上研发间隔波测量接地阻抗的样机。

③在某500 kV变电站的接地阻抗测量中实现了间隔波测量方法的应用，并与异频法作对比。结果表明，间隔波的测量数据的模值和相角和异频法的测量结果一致，证明间隔波方法是一种有效的接地阻抗测量方法。

本文方法开启了接地阻抗现场测量和仪器研发的新思路，可以有效降低测试电源的容量，从而实现装备的轻型化和智能化。