异频小电流扫频式接地阻抗测试系统研究

王 森，李志忠，张振存

(1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，西安 710100； 2.西安旭之辉机电科技有限公司，西安 710200)

接地系统是电网的重要组成部分，其主要作用是把电气设备与大地连接，提供稳定的参考电位，为故障电流和雷击电流提供泄放通道。接地系统对电网的安全稳定运行具有重要意义，在电力系统中，电气事故大多与接地装置有关。

1 发展现状

目前，我国主要使用的测试方法为变频电流法，测试回路布局采用远离夹角法，但是此测试方式存在以下问题：测试设备功能单一，只能测试地网装置的接地阻抗，无法测试地网装置的其他工频特性参数；采用远离夹角法进行测试回路布线时，由于距离较远，对于电流极和电位极位置的确定比较困难，在布线时无法得知是否满足距离和角度等布线要求，放线效率低；进行分流测试时，由于分流电流信号较微弱，现场干扰信号强，针对分流电流向量不但要测试幅值还要测试相位，需要对多个测试点的向量进行求和计算，测试效率较低且精度较差；在进行地网状态安全评估时，测试项目包括地表电位梯度测试、跨步电压测试、接触电压测试等，每个测试项目的测试位置点较多，且测试过程要求变频恒流源能够稳定输出并自动进行补偿调节，目前很少有装置可以满足此要求，因此研制新型地网装置工频特性综合测试装置具有重要意义。

2 新型地网装置工频特性综合测试装置原理

本测试系统测试电源采用40～60 Hz(按1 Hz或5 Hz与50 Hz相邻对等频率)的交流电源自动选频跟踪测试，能在强干扰环境下准确测量并换算到工频50 Hz下的数据，因此测量的准确性和等效性进一步得到提高。测试系统变频稳流电源可输出频率为40～300 Hz的正弦波测试电流，输出频率及电流大小幅值受系统程序指令控制。测量部分电压采样电路具有较高输入阻抗，在跨步电位、接触电位、梯度分布等测试中不易受两电位极与变电站地面接触电阻大小变化的影响，电压测量电路将采集到的信号放大后输送至数字滤波器，数字滤波器用于滤除非选频的工频等干扰信号，只接受仪器选定的频率信号。采用自动双变频(也可单频)方式进行接地阻抗的自动测试，仪器测量及控制系统通过A/D转换器取得远端电流极的注入异频电流和电位极测取的同频电压波形数据，取试验双频率点的平均值作为实测工频接地电阻RD、接地电抗XD，并导算出接地阻抗ZD、接地电感LD，根据地网最大对角线长度布置的电流极和电压极的布线长度及夹角进行阻抗修正计算。

2.1 主要技术指标

额定功率：10 kVA；输入电源：220 V±10%；输入频率：50 Hz±2%(发电机)；输出频率：45 Hz/55 Hz或49 Hz/51 Hz双频，单频，45～55 Hz或40～60 Hz扫频；频率稳定度：±0.1%；最大输出电流：20 A；连续工作时间：≤4 h；接线/测量方式：标准四极法/自动测量；电流极电流测量：0～2 A～20 A，自动量程，分辨率0.000 1 A；电压极测量电压：0～20 V～200 V，自动量程，分辨率0.001 V；相位测量误差：0～360°±(读数+0.05°)；接地阻抗测量范围：0～1 000 Ω，分辨率：0.001 Ω；测量准确度：±(读数×1%+0.01 Ω)。

2.2 异频信号输出装置原理框图

异频信号输出装置主要功能是输出稳定、可靠的异频电流信号，保证接地阻抗测试的高精度和强抗干扰性能，同时满足分流测试、地表电位梯度测试、跨步电压测试、接触电压测试等状态安全评估的长时间、稳定输出要求。系统主要由整流桥+滤波电路、IPM模块、控制电源、启动保护电路、IPM驱动电路、低压直流电流电压处理电路、低压交流电流电压处理电路、DSP控制电路和主控单元组成。

图1 异频信号输出装置原理框图

3 效果验证

为了检测异频小电流扫频式接地阻抗测试系统的性能，使用本装置对凤城某500 kV变电站进行接地阻抗测试。该变电站长约410 m，最大处宽约190 m，占地约117亩，主控楼面积为1 179 m2，其最大对角线长约440 m。根据实际勘察，站内现有500 kV、220 kV、35 kV的电压等级场域，主接地网呈现长方形状。测量时采用30°夹角法进行布线，其中电流线和电压线分别采用6 mm2和4 mm2的单芯多股胶质导线。通过GPS定位仪可快速计算出电流线和电压线的直线距离均为2 000 m左右，两直线夹角约为35.89°。电流极接地电阻≤8 Ω，电压极接地电阻≤100 Ω。

测试结果完全满足变电站接地电阻的设计要求，测试过程中，对于接地阻抗的修正值是系统根据设置的电极布局参数进行自动计算的；在进行分流系数测试时，通过无线遥测选频电流装置对各分流点进行基于参考电流的分流向量测试，各分机的测试结果通过无线方式发送给主机，主机再对各点的电流向量进行矢量和运算，同时结合参考电流计算出分流系数，进一步得出真实的接地阻抗值。整个测试过程高效、快速、准确，顺利地完成了变电站地网装置的工频特性测试和状态评估等工作，得到了用户的一致好评。

4 结语

采用变频抗干扰技术，选频抗干扰性能(信噪比)优于1/1 000，能在强干扰环境下准确测得接地装置的各类工频特性参数。可采用45～65 Hz的基波频率相邻对等频率1 Hz/5 Hz，任意选择双频率或单频率的交流电源自动测试，测试电流完全符合《DL/T475-2017接地装置特性参数测量导则》变频法试验电流规定及要求(3～20 A)，可以在不停电的情况下进行大型接地网工频特性参数测量，克服了传统测试方法的不足，使得大型接地系统的测试变得精确、可靠、方便、安全。