基于CDEGS探讨前期数据采集

云南电网有限责任公司红河供电局 王允光 余 炜 郭 涛 沈 映 朱启龙 续所良 解延毅

变电站的地网测试按照常规的测试方法关注焦点单纯集中在接地阻抗上，而基于CDEGS 的数据采集围绕故障情况下地电位升、网内电位差、跨步电位差和接触电位差4个安全性能指标，从接地网均压性能、健康性能、散流性能，多个要素多个具体方面进行多维度评价。结合现场测试和理论计算，准确给出接地网入地故障电流、接地阻抗、接触电压、跨步电压、地网电位分布、地网完整性、地网金属导体腐蚀情况等现时状态，通过实测和计算相结合的方法分析接地网的安全性。依据状态评估结果采取有针对性的整改措施，从而保证电气设备的安全运行和人员的人身安全。

测试主要围绕以下进行：变电站的视在土壤电阻率测试和土壤结构分析；接地网参数测试、接地网的完整性测试和接地网接地扁铁的腐蚀诊断检查；接地网和接地扁铁热稳定校验；接地网接地电阻仿真计算；单相接地短路电流计算；变电站发生单相接地故障时地网导体电位升高（GPR）；变电站发生单相接地故障时跨步电压和接触电压；选点开挖检查。

1 测试相关

1.1 土壤电阻率

土壤电阻率测试的一般要求如下：应避免在雨后立即测量接地电阻。测量中当仪表的灵敏度过高时可将电极的位置提高，使其插入土中浅些。当仪表灵敏度不够时可给电压极和电流极插入点注入水而使其湿润，以降低辅助接地棒的电阻；测量时被测的接地装置应与避雷线断开，电流极、电压极应布置在与线路或地下金属管道垂直的方向上，被测接地体E、电压极P 及电流极C 之间的距离应符合测量方法的要求；可选用输出电流为交流或直流电流的仪器测试土壤电阻率。对于大间距的土壤宜采用交变直流法进行测试，即仪器输出的波形为正负交替变化的直流方波，方波宽度为0.1～8s，可有效避免交流法引起的互感误差和避免直流法土壤极化引起的误差；仪器的电压极引线与电流极引线间应保持1m 以上距离，以免使自身发生干扰；应反复测量3～4次取其平均值，使用接地电阻表时发现干扰可改变接地电阻表转动速度。

采用四极法测量土壤电阻率时，其接线原理图如图1所示。由外侧电极C1、C2通入电流I，若电极的埋深为l，电极间的距离为a，则C1、C2电极使P1、P2上出现的电压分别为式1式2，而两极间的电位差为式3，因此土壤电阻率为式4。式中：ρ 为土壤电阻率，Ωm；a 为电极间的距离，m；U 为P1、P2点的实测电压，V；Rg 为实测土壤电阻，Ω。

图1 四极法测试土壤电阻率示意图

依据相关规定，各极间的距离a 等于或大于电极埋入深度h 的20倍，即a ≥20h，测量电极建议用直径等于或大于1.5cm 圆钢或小于25×25×4的角钢，长度均等于或大于40cm。试验电流流入外侧两个电极，接地电阻试验设备通过测得的电流和相应两个电极间的电位差得到R，通过计算得到被测场地的视在土壤电阻率ρ=2πaR。

1.2 接地电阻

接地电阻指电流由接地装置流入大地再经大地流向另一个接地体或向远处扩散所遇到的电阻，在数值上等于流过接地装置入地的电流与这个电流产生的电位差之除。它包括接地线和接地体本身电阻，接地体与大地的电阻间的接触电阻及两接地体间大地的电阻或接地体到无限大远处的大地电阻，一般测的接地电阻为接地体到无限大远处的大地电阻。根据DL/T475-2017中6.1.1条规定，测试的试验电源宜采用异频电流法测试接地装置的工频特性参数。试验电流频率宜在40～60Hz 内，电流幅值通常应大于3A。对于试验现场干扰大时可加大测试电流，同时需特别注意试验安全。在本次测试中采用45Hz 和55Hz 的电流进行测试，电流幅值大于3A。

根据DL/T475-2017中6.1.2条测试回路的布置规定，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中心的距离dCG应为被试接地装置的变电站的最大对角线长度D的4～5倍；当远距离放线有困难时，在土壤电阻率均匀地区dCG可取2D，在土壤电阻率不均匀地区可取3D。电流线和电位线间都应保持尽量远的距离，以减小电流线与电位线间互感的影响。

1.3 分流系数

接地电阻测量过程中对接地装置注入交流电流信号，如接地网体是独立的，注入的电流信号将通过接地网体全部散流到大地中，如接地网体与其他设备接地体存在良好的电气连接，这时部分电流信号将通过这些接地体流出，而从接地网体散流到大地的测试电流将减小，将通过与被测接地网体连接的金属扁铁流出的电流称为地线的分流。对于有架空避雷线和金属屏蔽两端接地电缆出线的变电站，出线杆塔接地扁铁和远方地网对注入的电流I 进行了分流，对接地扁铁接地电阻的测试造成很大的影响，因此应进行架空避雷线和电缆金属屏蔽的分流测试[1]。

根据DL/T475-2017《接地装置特性参数测量导则》规定，分流系数测试电源宜采用异频电流法测试接地网分流系数，试验电流频率宜在40Hz～60Hz 范围，标准正弦波波形，电流幅值通常不宜小于3A，对于试验现场干扰大的时候可加大注入电流。分流测试一般是向量测试，即分流的向量 和I∑∠θ∑=I1 ∠θ1+I2 ∠θ2+…+In ∠θn，地 网实际散流的相量IG ∠θG=I ∠0°+I∑∠θ∑，地网分流系数为K=IG/I×100%。一般应采用具有相量测试功能的柔性罗氏线圈对与有架空避雷线和金属屏蔽两端接地的电缆出线构架基脚及出线电缆沟的电缆族进行分流向量测试，并将所有的分流进行相量运算得到分流系数K，以修正接地电阻值。

1.4 接触电位差

接触电位差：接地短路电流流过接地装置时大地表面形成分布电位，在地面上离设备水平距离为1.0米处与设备外壳、构架或墙壁离地面的垂直距离为2.0米处两点间的电位差称为接触电位差。接地网孔中心对接地网接地极的最大电位差称为最大接触电位差。

在变电站中可能有接地短路电流流过的金属设备外壳或构架上测量接触电位差。将电流注入点引至待测设备外壳或构架上，高内阻电压表V 的一端接至地面上离设备外壳或构架水平距离1.0m 的测量极上，电压极一端接触地面、另一端接至设备外壳或构架离地面2.0m 处。加测量电流I，读取电压表数值可测出通过主地网电流I 对应的接触电位差UT[2]。站内接触电位差与通过接地网流入土壤的电流值成正比。实测的接触电位差尚需按经接地网流入地中地最大短路电流Imax换算，接触电位差的最大值为UTjmax=UT×Imax/I。

1.5 跨步电位差

跨步电位差是指电流自接地电极(或接地网)经周围土壤流散时地面上水平距为1m 的两点间的电位差在变电站中的人员经常走动的区域测量跨步电位差。电流输入点取接地短路电流可能自接地电极(或接地网)经周围土壤或接地网的地方流散时，将测量两根电压极钢钎按1.0m 间距打入地下0.5m，并保证两根电压极紧密插入土壤，高内阻电压表V 的两端分别接至两根电压测量极上。注入测量电流I、读取两根电压极的电压，可测量出通过主地网电流I对应的跨步电位差US。如在水泥地面上或坚硬物体上测量，需在测量点放置与地面接触良好且半径大于10cm 两块包裹湿抹布的圆盘电极，并在每块圆盘电极上加适当的重量。

跨步电位差与地网流入土壤中的电流值成正比。实测的跨步电位差尚需经按接地网流入地中的最大短路电流Imax换算，跨步电位差地最大值为USmax=US×Imax/I。

1.6 场区地表电位梯度分布

可按接地阻抗测量方法施加电流，在“手动”方式下调节输出足够大的电流。当间距为1m 时场区地表电位梯度UT按公式UT=U'T×Is/Im折算，得到实际系统故障时的单位场区地表电位梯度。式中：U'T为测量相邻两点间电位差值，Im为输入地网中的电流（A），Im为被测接地装置中系统单相接地短路电流（A），d 为测量间距（根据情况可选1m、2m、4m 或6m），P 为电位极，测量示意图如图2。电位极P 可采用导电良好的钢钎或角钢，如场区是水泥路面或坚硬物体表面，可采用与地面接触良好且半径大于10cm 两块包裹湿抹布的圆盘电极，并压上适当重物。测试线较长时应注意电场或磁场的相互干扰。

图2 场区地表电位梯度分布测量示意图

2 测试、检测及校验

2.1 接地网完整性测试

方法。测试接地网的完整性俗称接地网的导通试验，首先选定重要设备的接地扁铁为基准点，一般首选变压器或大型设备的接地扁铁，再测试这个设备到周围电气设备接地部分导通电阻。如开始即有很多设备测试结果不良，宜考虑更换基准点。

测试的范围。变电站接地装置电气完整性测试的范围如下：各种电压等级设备场区之间；各种高低压设备，包括各种金属构架、各种金属箱体等之间；各接地主要干线、电气设备场区内及附近重要设备内部各接地干线之间；独立避雷针及门型架与主地网之间；其他必要部分与主地网之间。

试验接线。测试应选用专门仪器，仪器的分辨率≤1mΩ、准确度≥1.0级。在被试电气设备的接地部分与基准点间加恒定电流，再用内阻较高的电压表测试基准点的电流通过接地装置到被试设备的接地部分这段接地导体上产生的电压差，并换算到电阻值。采用其他方法时应注意扣除线损的电阻（图3）。

图3 接地网电气完整性测试接线示意图

2.2 接地网接地体腐蚀诊断检查

基于接地网络理论的接地网腐蚀诊断数值计算的原理为：因为金属的导电性比土壤好很多，可将接地网等效为纯电阻网络，接地网体焊接完成后各支路接地体的电阻值已确定（标称值），我们视它为原始值；当接地网运行多年后，在某些特殊环境条件下一些接地体会出现腐蚀，严重的情况下可能发生断裂，此时各支路接地体电阻值与原始值相对比会变大。通过测量接地扁铁间的导通电阻值，并建立腐蚀前后导通电阻变化值与支路接地体电阻变化值的关系；借助系统优化计算方法，可得到腐蚀前后接地网支路接地体电阻变化情况，以判断接地网腐蚀及断点情况[3]。

2.3 接地网和接地体热稳定校验

系统发生接地短路故障时，在继电保护隔离短路故障前，持续的接地短路故障电流流经接地体所带来的发热效应非常显著，接地网接地体应能够承受系统最大运行方式和最恶劣系统短路初始条件下故障电流载流而不发生断裂或熔断。变电站、变电站设备接地体和接地网接地线的截面应按接地短路电流进行热稳定校验。首先应核算当前或将来变电站核算的系统最大短路电流水平，以确定现有设备接地部分和主接地网能承受的最大短路电流，以后，运行变电站根据省电力调度中心（220kV 及以上变电站）和市调（110kV 变电站）当年给出的变电站的最大单相短路电流进行接地网和接地体的热稳定校验核算。

新建变电站和需进行接地网改造的变电站，故障电流原则上应选择变电站远景接线情况下（15～20年）站内发生接地故障时的接地故障电流。当系统远景不是十分明确时，220kV 设备场区的总故障电流可选63kA；220kV 站220kV 设备场区的可选50kA，220kV 枢纽站的220kV 设备场区选50kA，一 般 的220kV 站 的220kV 设 备 场 区 选40kA；110kV 站可选25kA。

根据热稳定条件，未考虑腐蚀时，接地引下线的最小截面应符合的要求，式中：Sg为接地线的最小截面（mm2）；Ig为流过接地线的短路电流稳定值（A），根据系统5～10年发展规划，按系统最大运行方式确定；te为短路的等效持续时间（s），为严格起见，一般取一级后备保护（主保护失灵）动作的时限，220kV 电压等级的电气设备取0.35s，220kV 和110kV 电压等级的电气设备取0.6s～0.7s；c 为接地线材料的热稳定系数，根据不同材料的种类性能及允许的最高温度和短路前接地装置的初始温度确定。钢质材料取70，铜质材料取210。

热稳定校验应分别按地上接地导体和地下导体两个部分进行。根据热稳定条件，未考虑腐蚀时，主接地网接地体和接地极的最小截面不宜小于连接至接地网的接地导体（线）截面的75%。同一电压等级接地体截面不同时应按最小截面进行核算。对于腐蚀情况严重的接地体，应根据该接地体的有效截面进行接地体的热稳定校验，有效截面是指已处理过腐蚀表面的接地体的截面。部分变电站由于运行时间较长，曾进行过多次接地网改造，接地体截面存在着多种规格，应以最小截面进行校验。

热稳定校核时应考虑腐蚀因素的影响，结合接地网开挖检查的导体腐蚀程度进行校正。可按照接地网导体的规格尺寸和实测的年平均渗入度计算运行若干年后接地体的截面，比较并评价接地体目前的截面是否满足接地体热稳定条件确定的最小截面要求，同时根据腐蚀率预测剩余使用寿命是否满足接地装置的设计使用年限要求。