基于异频法的大型水电站接地网接地阻抗测量实践

熊 舟，杨 烽，何 强

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北 宜昌 443133）

0 引言

装机容量在200 MW 以上的水电厂的接地装置称为大型接地网，对于大型接地网来说，简单地通过测量接地电阻并不能准确评估接地网的安全状况，还应考量接地网中的感性分量，因此测量大型接地网接地阻抗需同时测量接地电阻和接地电抗。

接地装置作为交直流接地和防雷保护接地，对雷击、静电和故障电流起泄流和均压作用[1]，是维护电力系统安全可靠运行、保障运维人员和电气设备安全的重要保障。

1 概述

某水电站共装机32 台700 MW 水轮发电机组，分为左岸电站、右岸电站和地下电站。其中左岸电站装机14 台，500 kV 出线8 回，右岸电站装机12 台，500 kV 出线7 回，地下电站装机6 台，500 kV 出线3回。该电站接地装置由7 部分组成：左岸电站接地装置、右岸电站接地装置、地下电站接地装置、大坝接地装置、泄水闸接地装置、升船机接地装置、永久船闸接地装置，以上7 部分接地装置通过大坝上游迎水面结构表层钢筋、贯穿整个大坝电缆廊道接地干线、基础灌浆廊道接地干线、架空地线、坝顶门机轨道及部分人工接地干线连成一体，该电站接地装置的最大对角线长度约为4 km。

为了准确评估电站接地网系统的安全性能，确保电站设备连续稳定地运行，保障工作人员的人身安全，需定期对电站接地网接地阻抗进行测量[2]。

2 接地阻抗测量方法

大型接地网接地阻抗的测量方法主要有工频电流法、异频电流法等，测量过程中，由于高频干扰、带电运作的线路、测量回路的互感、地中零序电流及地下导体等因素的影响，使用工频电流法测量时，会出现信噪比高、误差过大的问题[3]，为了解决上述干扰问题，准确测量接地阻抗，采用异频电流法测量大型接地网接地阻抗。除了测量环境的电磁干扰，对于有架空避雷线的电站，避雷线是接地网分流的主体路径，会对接地阻抗的测试造成很大影响，因此还需进行架空避雷线的分流测试。

异频电流法就是利用变频电源产生异于工频电流频率的电流对接地阻抗进行测量，通过滤波的方法消除接地网中的干扰信号[4]。异频电流法测量接地阻抗方法与工频电流法基本一致，根据布线方式分为直线法、夹角法和反向法[5]，通常采用电流-电压表三极法。在主地网注入电流，测量地网在注入电流后地网上电压的变化来推算接地网的接地阻抗。

2.1 直线法

直线法测量示意图如图1 所示，电流线和电位线同方向敷设，dCG通常为4D～5D，dPG通常为(0.5～0.6)dCG。P 在G 与C 连线方向移动三次，每次移动的距离约为dCG的5%左右，当三次测试的结果误差在5%以内，认为试验数据有效，否则重新测量。

图1 电流—电压表三级法测试接地阻抗示意图

2.2 夹角法

夹角法测量示意图如图2 所示，电流线和电位线不同方向敷设，呈一定夹角θ。θ通常要求为45°以上，一般不宜小于30°，dPG与dCG长度相近，测量的接地阻抗可用公式（1）进行修正。

图2 夹角三极法测量原理图

2.3 反向法

反向法是一种特殊的夹角法，电位线和电流线之间的夹角约为180°，反向法测量示意图如图3 所示，布线要求、修正公式与夹角法相同。

图3 反向法测量原理图

3 测量过程

由于受到现场地势条件的限制，为了减少电流线和电位线互感耦合及各种特殊地形对测量结果的影响，采用夹角法进行接地阻抗测量，同时为了研究人工敷设试验线的数据准确性，本次试验也采用反向法进行测量。

3.1 夹角法测量过程

夹角法测量接线示意图4 所示。

图 4 夹角法测量接线示意图

3.1.1 注流点

为了对比不同注流点的测量结果，在该电站的左岸和右岸主变压器区域各选1 个注流点，左岸注流点选择4B 主变压器中性点电抗器接地引下线，右岸注流点选择18B 主变压器中性点电抗器接地引下线。

3.1.2 电流线和电位线

由于电站接地网面积非常大，对角线长度约为4 km，且为山区地形，人工放线非常困难，故测量时采用电站II 回500 kV 输电线路作为试验回路，根据线路感应电压测量结果，选定最低感应电压位置处峡葛II 回A 相 为测试电流回路（其中A 相94 V、B 相114 V、C 相329 V）、峡都III 回B 相为测试电压回路（其中A 相89 V、B 相49 V、C 相64 V）。

3.1.3 电流极布置

为了尽可能提供较大的试验电流，必须降低试验回路电阻，利用峡葛II 回63 号塔引下导线至距离铁塔120 m 以外的低土壤区域（砂土102 Ω·m）打造人工小型地网作为辅助电流极。63 号塔至电站主变压器区域直线距离约为24 km，方位113°。辅助电流极与电站接地网之间的直线距离DCG满足4D～5D 的要求。

3.1.4 电位极布置

主电位极位置为峡都III 回66 号塔附近，66号塔至电站主变压器区域直线距离约为24 km，方位153°。从所选线路杆塔引下导线至距离铁塔50 m 以外的位置敷设电位极，电位极采用数根Φ20 mm×300 mm 圆钢制作成临时小地网。

3.2 反向法测量过程

反向法注流点选择右岸18B 主变压器中性点电抗器接地引下线，电流线选择峡葛II 回A 相。辅助电位极位置为人工放线至峡葛II 回线路呈90°～180°的3D～5D 区域，电位线敷设约16 km 经辅助电位极接地，电位极采用数根Φ20 mm×300 mm 圆钢制作成临时小地网。

3.3 架空避雷线分流测量

在接地阻抗测量试验电流回路不变的条件下，从右岸18B 主变压器注流，在左岸电站、右岸电站2个区域500 kV 线路出线2 号铁塔塔头架空避雷器进线端和地下电站区域500 kV 线路1 号铁塔塔头架空避雷线出线端，对500 kV 架空避雷线的分流进行测量。

图5 避雷线出线端分流测量位置示意图

4 测量结果

4.1 架空避雷线分流测量

部分线路避雷线分流测量值如表1 所示，通过计算，避雷线的分流占比为79.6%。

表1 部分线路架空避雷线分流测量表

4.2 夹角法测量

夹角法测量时电流极线路长度为24 km，电压极线路长度为24 km，电流极与电压极夹角为40°，测量结果如下。

4.2.1 左岸4B 主变压器中性点注流

左岸4B 注流时接地阻抗测量值如表2 所示。

表2 4B 注流时接地阻抗测量值

4.2.2 右岸18B 主变压器中性点注流

右岸18B 注流时接地阻抗测量值如表3 所示。

表3 18B 注流时接地阻抗测量值

4.3 反向法

反向法注流点为右岸18B 主变压器中性点，接地阻抗测量值如表4 所示。

表4 反向法接地阻抗测量值

线路避雷线分流占比为79.6%，不考虑分流系数的前提下，该电站2018 年最大运行方式下短路电流最大值为左岸电站54.767 kA，接地阻抗允许值5 kV/54.767 kA=0.091 Ω，因此夹角法接地阻抗实测值0.077 Ω、0.071 Ω，反向法接地阻抗实测值0.068 Ω 均在合格范围内。考虑分流系数的前提下，电站最大短路电流I=54.767×0.204=11.172 kA，电站接地阻抗允许值5 kV/11.172 kA=0.448 Ω，夹角法接地阻抗实测值0.377 Ω、0.348 Ω，反向法接地阻抗实测值0.333 Ω 均在合格范围内。

综合以上数据，结合夹角法与反向法的散流区域的土壤电阻率平均值，电站接地网接地阻抗值为0.071 Ω，满足电站安全稳定运行的需要。

5 结语

采用异频电流法对大型水电站接地网接地阻抗进行测量，能够很好地消除系统零序电流的干扰，同时为了减小互感对测量结果的影响，测量方法采用夹角法和反向法，站内电位线均采用屏蔽导线，并且为了减小同塔线路对电位线路的干扰，电位线的其余两相在电位极端接地，对中相进行屏蔽保护。

该水电站首次采用反向法进行接地阻抗测量，测量结果表明人工敷设电位线能基本消除线路互感影响，且人工敷设电位线不仅能提高测量安全性，还能突破设备运行方式的限制，后期可研究电流线和电位线均采用人工敷设方式可行性。