文本基于异频大电流的大型地网接地特性测量技术.docx
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文本基于异频大电流的大型地网接地特性测量技术
基于异频大电流的大型地网接地特性测量技术
中国能源建设集团北京电力建设公司
郝全柱王大勇莫会兴聂建民张宏蔡丽虹
1、前言
随着发电厂和变电站规模的扩大，其接地网的面积更大，电力系统中数字化、智能化电子设备的普遍应用，其对地网安全可靠性的要求更严格。
对于大型地网，其安全可靠性的评估不能再片面强调接地阻抗唯一性，而应对接地网的场区电位梯度、跨步电压、接触电压、电气完整性等参数特性进行综合判断。
基于以上背景，准确测量大型地网接地特性对方法、设备、经验的要求越来越高。
DL/T475-2006《接地装置特性参数测量导则》推荐采用异频电流法测试大型地网的特性参数，相比传统工频大电流法，抗干扰性强，大大提高测量精度和工作效率。
对接地阻抗测量，施加3A以上的异频小电流即可获得较为满意的结果，但对电位参数测量时，施加小于10A异频电流，若地网场区较大或土壤电阻率较高，得到的跨步电压、接触电压、场区地表电位梯度等电压信号响应较低（数毫伏以下），选频表有时甚至没有读数，异频小电流测试的应用范围因此受到很大限制。
为解决上述问题，通过并联两台15kW的推挽式的正弦波高保真线性功率放大变频电源增大测试系统的容量，经过无局放升压变压器输出合适电压，得到较大的输出电流（试验表明最大电流可达70A），可获得足够大的电位差信号，较好解决了异频小电流法在大型地网测试中电压信号响应较低的问题，满足实测精度要求。
利用该异频大电流接地特性测试系统，对大型地网接地特性多个进行全面测试，获得了较理想的结果。
2、技术特点
2.1变频电源输出波形为纯正弦波，输出功率大，输出电压频率、幅值可调，既可获得适合测量接地阻抗时的异频小电流（大于3A），又可获得满足跨步电压、接触电压、场区地表电位梯度测量时的足够异频大电流，测试结果准确度高，同时又大大降低了测试工作的难度。
2.2论证了异频测量法与工频测量法的等效性。
2.3总结了不同现场环境下异频法测量接地阻抗应采用的测量方式，总结了不同测量方式的典型值的参数修正值。
2.4规范了跨步电压、接触电压测试过程的各个环节，力求全面、科学、严谨的同时合理安排了测试项目，大大减少了工作量。
3、适用范围
基建大型变电站和发电厂接地网接地特性各个参数的交接试验及正常运行时的定期测试。
4、工艺原理
本工法以DL/T475-2006《接地装置特性参数测量导则》和GB50150-2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》为依据，采用两台15kW变频电源并联作为功率源，输出特定频率（取45～55HZ）的电流，通过中间变压器选择合适的输出电压（与电流回路电阻匹配）注入电流极，用高精度选频表采集电流、电压信号进行地网接地阻抗、跨步电压、接触电压、地网地电位分布、土壤电阻率等参数的测试，得到准确度较高的测试结果。
对于异频法测量接地阻抗，注入电流选用6～8A可获得较为理想的测试结果。
变频电源输出电压一般为200～400V，要获得6～8A的注入电流，要求电流极接地电阻经中间变压器匹配后低至30～40Ω。
对于土壤条件较差的现场，电流极接地电阻可达数千欧，经过升压变压器匹配后仍难以达到测量要求。
对于要求注入电流更大的跨步电压、接触电压、场区地表电位梯度测量，难以升高注入电流的问题更加突出。
通过并联两台15kW大功率的变频电源，使输出电流增加一倍，可有效解决上述问题，且设备重量相对于功率增加一倍的单台变频电源大大减小，适合工程测量实际应用。
两台变频电源并联如下图4.1所示：
图4.1两台变频电源并联接线图
图4.1标记含义见表4-1。
表4-1变频电源并联接线标记含义
标记
含义
标记
含义
标记
含义
1
第一推挽放大式变频电源
2
第二推挽放大式变频电源
3
并联控制信号线
4
第一输出端
5
第二输出端
6
第三输出端
7
第一输出端
8
第二输出端
9
第三输出端
两台变频电源并联运行实际应用如下图4.2所示：
图4.2两台HVFP-15kW推挽放大式变频电源并联运行图
两台推挽放大式变频电源通过并联控制线相互协调，其都采用了DSP芯片高速运算处理，使每台推挽放大式变频电源同时合闸、分闸，输出电压的频率、幅值、相位均一致并能够将两台设备的不同步控制在极小的时间范围内，使并联的两台变频电源作为一个整体较大功率的输出。
异频测量法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，不会因为接地网是否在运行或干扰信号的存在而受到影响，有效的消除了工频、高频和零序电流干扰。
异频测量法适合的电流测量频率为工频f±5Hz即45～55Hz，在此频率下测量经换算得到的特性参数与工频特性参数具有等效性。
在f±5Hz频率范围内，接地阻抗中的电阻分量变化很小，而电抗分量与频率成正比。
设在f-Δf和f+Δf（Δf≤5Hz）两个关于工频f对称的频率下测量得到的电阻值分别为R1和R2，电抗值为X1和X2，接地阻抗为Z1和Z2，则接地网接地电阻为
（4-1）
在工频f下接地网电抗为
（4-2）
则在工频f下接地网接地阻抗为
（4-3）
虽然式（4-1）和式（4-2）形式相同，但含义不同。
式（4-1）是同一个量两次测量的平均值，而式（4-2）实际上事线性差值。
式（4-3）为理论上接地阻抗计算公式。
实际上，在每个频率下测得的结果都是接地阻抗，并不是点在和电抗分量。
在工频f下接地网接地阻抗的近似计算公式为
（4-4）
尽管在形式上式（4-3）和（4-4）区别很大，但从以下分析可知，它们的计算结果相差甚微。
接地网电抗X与电流频率f的关系为
（L为接地网电感）。
在频率f-Δf和f+Δf下，接地电抗分别为
（4-5）
（4-6）
式中：
k1为频率偏移量，
。
令：
（4-7）
将式（4-5）、式（4-6）和式（4-7）代入式（4-4）中，得
（4-8）
将式（4-7）代入（4-3）中得
（4-9）
Z＇误差为
（4-10）
将式（4-8）和（4-9）代入式（4-10）中可知，误差ε是k1和k2的函数。
随着k1或k2的增大，误差ε增加，但总体来说很小。
在取测量频率偏差k1=Δf/f=0.2，即测量频率取为40Hz和60Hz，当k2=X/R=0.1时，即接地网面积较小时，ε=0.020%；当k2=0.7时，即接地网面积很大时，ε=0.44%。
上述分析可见，用两个在工频附近且对称于工频的频率f-Δf和f+Δf（Δf≤5Hz）下分别测量阻抗的平均值等于接地网的工频接地阻抗，误差ε很小。
5、技术流程及操作要点
5.1技术流程
图5.1-1施工工艺流程图
5.2操作要点
5.2.1测量仪器选型介绍及测试环境
目前技术比较成熟的异频法接地测量系统，以澳大利亚红相公司8000（S）型大型接地网测量系统较为典型。
今年来国内厂家陆续开发出以替代进口的相同功能设备，且容量增加，满足不同场合尤其是电流极布置较为困难的场合的要求。
要实现完整的接地网参数特性，要求异频接地测量系统至少包含以下配置：
1、大功率变频电源；2、选频电压、电流表；3、升压变压器（或称阻抗变换器）；4、电流采样器（柔性罗哥夫斯基线圈）。
红相8000（S）变频电源最大输出功率为1500VA，输出测试电流3～20A（测试电流回路电阻40Ω以下），输出频率范围40～60Hz，频率步进1Hz，准确度等级不低于1.0级，
测试场区地表电位梯度、跨步电压、接触电压时4025B选频万用表电压分辨率不低于1mV，选频性能和精度良好。
红相8000（S）变频电源容量较小、输出电压低，测量电流小难以满足场区地表电位梯度、跨步电压、接触电压等电位测试要求。
苏州海沃科技有限公司开发的异频大电流接地测试系统，变频电源由两台并联15kWHVFP型推挽放大式变频电源和HVJDB型无局放升压变压器组成，采用正弦波高保真线性功率放大电源，输出波形为纯正弦波，输出电流可达70A，在多个现场跨步电压和接触电压测试中，电流足够大，可获得足够大的电位差信号，满足实测要求。
5.2.2测试前准备
（1）确认现场环境。
接地特性测试不宜在雨天或土壤较为湿润时进行，应尽量在干燥季节和土壤未冻结时进行。
接地网接地阻抗测试测试要考核独立接地网的散流特性，故接地阻抗测试原则上应在基建变电站、电厂架空线路和电缆接入前进行。
正常运行时的接地阻抗测试应计及分流带来的影响。
（2）查看现场。
测试工作负责人查看现场安全措施是否满足工作要求，并办理许可手续。
（3）现场勘察，选择合理的布线方式。
采用便携式GPS，确认接地网的边缘坐标，根据试验条件和周围地形，充分考虑和回避不利因素的影响，经过实地勘察，确定布线方式和电流极、电压极的位置，并沿电流线及电压线检查安全措施是否完善。
（4）现场安全、技术措施交底。
各工作组成员列队，测试负责人宣读工作票上的工作内容和安全技术措施，明确分工，严格执行。
（5）试验设备准备。
用万用表检查用于测试的电流线、电压线是否有断路现象，地桩上的铁锈是否清除干净；搬运仪器、工具、材料等；可靠连接试验所需地线；记录现场环境湿度、温度。
采用的设备及材料如表6所示。
（6）接取试验电源。
使用符合安全要求的电源架线，将电源线从试验地点拉至检修电源箱，接取电源。
5.2.3接地阻抗测试
5.2.3.1接地阻抗测试工艺流程
接地阻抗测试工艺流程如图5.2.3-1所示。
5.2.3.1测量接地网最大对角线长度
接地网对角线长度D的取值在接地阻抗测试中占有重要地位，其不仅影响电压线和电流线的布线长度，还直接影响修正系数。
对规则的长方形接地网其对角线长度即为D，而对于一个不规则形状接地网来说，原则上应选取所有远端点中相距最远的两个端点之间的距离作为接地网对角线长度。
根据设计图纸中的接地网尺寸，计算接地网最大尺寸，再采用便携式GPS设备，对
接地网最大对角线长度进行精确测量。
图5.2.3-1接地阻抗测试工艺流程图
5.2.3.2确定测试方案
电位降法是接地阻抗测试的基本方法，但在实际测量实践中，能够满足被测接地装置为半球电极且土壤电阻率均匀的前提几乎不存在。
要实现准确测量，电位降法要求电流极引线足够长，以消除因实际接地网结构及土壤不均匀造成的地电位偏移影响，对于土壤结构极不均匀、地形条件不利于布线的现场，测量结果误差较大。
另外，电位降法需要反复多次测量，工作量大，电位降曲线的绘制也相对麻烦，不利于现场操作。
在电位降理论基础上衍生出的直线法（0.618法）和30°夹角法，通过有效利用电流极引入的电场畸变，寻求接地网和电流极之间的零电位面，较之电位降法易于测量，但其仍受土壤不均匀性影响较大，在土壤结构不均匀的现场测量结果往往误差较大。
直线法造成电流线和电压线互感较大，使误差更大，故对于大型地网，不宜采用直线法。
30°夹角法的优点在于布线长度相对较短，通常只需要2D（D为接地网等效对角线长度）左右，布线工作量相对较小。
对于土质条件较好，土壤较为均匀的现场，如无山河交界、岩石和田野混合地貌等情况，可选30°夹角法布线。
远离法有效克服了土壤不均匀带来的测量误差，在接地网和电流极平面上任意角度都可以实现较为准确的测量，可根据现场条件灵活选择布线角度，降低了测量难度。
反向法是远离法的特例，具有典型的实测代表性，电流线和电压线间的互感降至最低，如果地理条件允许，180°（反向）应作为首选测量角度。
远离法要求布线长度足够长，工作量增加。
综上，在大型地网接地阻抗测试中，布线优先采用远离法，当远离法布线条件不允许时，采用30°夹角法，但此时要考虑土壤不均匀带来的可能误差。
下面对30°夹角法和远离法进行简要介绍。
30°夹角法、远离法测量原理图如图5.2.3-1所示：
图5.2.3-1夹角法、远离法测量原理图
当θ=30°时为30°夹角法，电压线与电流线呈等腰三角形布置dPG=dCG，，电流极和电压极到接地网最近边缘的直线距离≥2D（D为接地网等效对角线长度），应注意的是并非所布测量线长度≥2D，远离法亦如此。
在实际测量过程中θ取29°能有效消除电压极电位差带来的误差。
当dPG与dCG足够大且大致相等时为远离法，θ可取任意角度，当θ=180°时为反向法，条件满足时优先选择。
对测得的结果进行修正，公式如下：
（5-1）
式中：
Z＇为接地阻抗测量值，Z为接地阻抗修正值。
为便于现场测试应用，将远离法修正公式（5-1）取典型的布线长度（dPG=dCG）和夹角制成夹角法修正系数表5.2.3-1，测量结果除以表格内数值即得到修正值。
表5.2.3-1远离法（夹角法）典型布线修正系数
θd
3D
3.5D
4D
4.5D
5D
5.5D
6D
8D
10D
70°
0.8120
0.8388
0.8590
0.8746
0.8872
0.8974
0.9060
0.9295
0.9436
75°
0.8036
0.8316
0.8527
0.8690
0.8821
0.8928
0.9018
0.9263
0.9411
80°
0.7963
0.8254
0.8472
0.8642
0.8778
0.8889
0.8982
0.9236
0.9389
85°
0.7900
0.8200
0.8425
0.8600
0.8740
0.8855
0.8950
0.9213
0.9370
90°
0.7854
0.8153
0.8384
0.8563
0.8707
0.8825
0.8923
0.9192
0.9354
95°
0.7797
0.8112
0.8348
0.8531
0.8678
0.8798
0.8898
0.9174
0.9339
100°
0.7755
0.8075
0.8316
0.8503
0.8653
0.8775
0.8877
0.9158
0.9326
105°
0.7717
0.8043
0.8288
0.8478
0.8630
0.8755
0.8859
0.9144
0.9315
110°
0.7684
0.8015
0.8263
0.8456
0.8610
0.8737
0.8842
0.9131
0.9305
115°
0.7655
0.7990
0.8241
0.8436
0.8593
0.8721
0.8803
0.9121
0.9296
120°
0.7629
0.7968
0.8222
0.8419
0.8577
0.8707
0.8793
0.9111
0.9289
125°
0.7606
0.7948
0.8205
0.8404
0.8564
0.8694
0.8784
0.9102
0.9282
130°
0.7586
0.7931
0.8190
0.8391
0.8552
0.8683
0.8777
0.9095
0.9276
135°
0.7569
0.7916
0.8177
0.8379
0.8541
0.8674
0.8770
0.9088
0.9270
140°
0.7553
0.7903
0.8165
0.8369
0.8532
0.8666
0.8765
0.9083
0.9266
145°
0.7540
0.7892
0.8155
0.8360
0.8524
0.8658
0.8770
0.9078
0.9262
150°
0.7529
0.7882
0.8147
0.8353
0.8518
0.8652
0.8765
0.9074
0.9259
155°
0.7520
0.7874
0.8140
0.8347
0.8512
0.8647
0.8760
0.9070
0.9256
160°
0.7513
0.7868
0.8135
0.8342
0.8508
0.8643
0.8756
0.9067
0.9254
165°
0.7507
0.7863
0.8130
0.8338
0.8504
0.8640
0.8754
0.9065
0.9252
170°
0.7503
0.7860
0.8127
0.8335
0.8502
0.8638
0.8752
0.9064
0.9251
175°
0.7501
0.7858
0.8126
0.8334
0.8501
0.8637
0.8751
0.9063
0.9250
180°
0.7500
0.7857
0.8125
0.8333
0.8500
0.8636
0.8750
0.9063
0.9250
由表5.2.3-1可知，当dPG=dCG=10D时，反向法修正系数为1/0.9250=1.08，表明测试结果已经接近无穷远时的真实值（偏小8%左右）。
一般地，110kV常规变电站接地网对角线在不考虑扩建时尺寸约150m，布线长度10D即1500m，在实测中较易实现，故在110kV变电站应采用10D反向法进行测量。
220kV常规敞开式变电站接地网对角线尺寸约300m，布线长度5D即1500m，适合实测中的现场条件，准确度也能得到兼顾，故在220kV变电站接地网应采用5D反向法测试。
对于500kV及以上变电站和大型电厂的接地网，对角线往往超过500m，布放5D或以上长度时不仅路径选择有困难，而且布线工作量大，可以考虑4D反向法进行测量，测量结果修正系数为1/0.8125=1.23，通过修正的误差在工程上仍能接受。
在现场条件允许情况下，布线长度越长越好，对测量结果进行修正可参照表5-1。
如果条件允许，现场制定布线方案时，尽量选择车辆能通过的路径，以便电压线和电流线能放置在车辆上布放，达到减小工作量和劳动强度并有利于沿线看护的目的。
5.2.3.3布置电流极、电压极
在上一步确定好布线方式后，电压极P和电流极C的点便随之确定。
电压极的布置在理论上没有要求，在DL/T475-2006中规定电位极应紧密而不松动地插入土壤中10～20cm。
在电源容量一定时，电流极接地电阻对电流回路其决定性作用，欲得到大的试验电流，电流极接地电阻应尽可能小。
经多个地网测试实践，采用电流极多个导体并联或给电流极浇水的方法测量往往事倍功半，不建议采用。
应该考虑利用低土壤电阻率、增大导体与土壤接触面相结合的方法来获得尽可能低的电流极接地电阻。
在选好的电流极点附近寻找土质条件较好的地点作为电流极插入点，如湿润的土壤、河涌、水沟、小溪、水洼等。
增大电流极的埋地深度，埋地深度应≥1m，选用一段3～5m的多股编织铜地线，将电流极与之相连后，均匀布放到水洼、水沟的淤泥里或直接扔进河里，将获得较好的降阻效果。
将镀锌钢管作为电流极、电压极装置插入地中，布置好电压极和电流极后，在场内选择一个可靠接地点作为电流注入点G，一般选主变接地引下线作为G点。
5.2.3.4放置电压线与电流线
以反向法为例，说明电压线与电流线放置操作要点。
测量接地阻抗注入异频电流6～8A便可获得较为理想的测量结果，选用明线敷设6mm2塑胶绝缘铜芯线作为电流线，满足通流量及安全裕量要求，电流线较细大大减轻了放线工作量。
电压线流过电流较小，选用1.5mm2塑胶绝缘铜线。
将缠有塑胶绝缘铜芯线的线轴整体搬至电流注入点G附件，固定线轴，手持塑胶绝缘铜芯线一端朝电流极C点牵拉，随线轴转动电流线不断放置。
塑胶绝缘线一端牵拉至电流极C点后，将其可靠连接至镀锌钢管上，线轴电流线的另一端接至升压变压器输出极上。
电压线的放置参照电流线的放置，固定线轴，牵拉一端，接至电压极P点镀锌钢管，另一端接至电流注入点可靠接地装置。
如下图5.2.3-2所示：
图5.2.3-2电压线、电流线放置图（反向法）
电流线、电压线沿线应满足绝缘要求，不能有破损，不能侵泡在水中及其他地湿情形，应尽量往路边放置，防止车碾人踩。
同时，电流线、电压线应尽量避开地下管道并远离运行中的传输线路或与之垂直，以减小互感干扰。
5.2.3.5仪器接线、测量
异频法测试接地特性选择45～55Hz之间的对称频率作为测试电流的频率，一般地，干扰电压较小时选择49Hz与51Hz、48Hz与52Hz两组对称频率进行测量，但干扰电压较大时以47Hz与53Hz、46Hz与54Hz、45Hz与55Hz为宜，考虑到干扰电压的不稳定性及其测量值得偶然性，建议采用后三组对称频率作为测量频率，可用三组频率分别测量并作对比分析。
接地阻抗测试时的各仪器接线如下图5.2.3-3所示。
图5.2.3-3接地阻抗测量仪器接线图
用接地摇表测量电流回路的大致接地电阻Z0，选择变频电源最大输出电压的2/3作为电流回路电压U0，欲得到I0（如6～8A）的测试电流，则升压变压器变比约为
（5-1）
得到大致变比和升压变压器的输入电压U0后，选择升压变压器的输出电压，由此确定升压变压器绕组接线。
欲增大测量回路电流，应选择升压变压器更大输出电压以实现匹配。
按图5.2.3-3完成仪器接线后，再次确认安全措施是否到位，安全措施全部到位后开始通电测量。
打开选频表，选择相应的频率f1，进入“阻抗测量”选项。
调节变频电源频率，使之输出频率为f1，缓慢增大变频电源输出电压，观测选频表中电流数值，当电流升至合适值时记录接地阻抗值停止测试，同样方法在f1的对称频率f2下进行测量。
测试结果可按表5-2进行记录。
表5.2.3-2接地阻抗测量结果记录表
电流注入点
电流频率（Hz）
测试电流（A）
电压（V）
接地阻抗测量值（Ω）
接地阻抗修正值（Ω）
46
54
46Hz和54Hz测量结果平均值（Ω）
47
53
47Hz和53Hz测量结果平均值（Ω）
48
52
48Hz和52Hz测量结果平均值（Ω）
49
51
49Hz和51Hz测量结果平均值（Ω）
接地阻抗测量值经修正后即得到最接近真实值的接地阻抗值，修正公式为式（5-1），典型值可参考表5.2.3-1，多组频率测试应取修正值得平均值作为最终的测量结果。
上述是基于接地网独立情况下的接地阻抗测试，若为运行中的场站，其接地网与其他金属接地体存在电气连接，还应作测试电流的分流测试以评估散流对测量结果的影响。
得到测量结果后根据设计要求及相关规程，判断接地阻抗是否满足安全可靠性要求。
5.2.4跨步电压、接触电压测试
5.2.4.1相关概念
跨步电压和接触电压时反映场站发生接地短路故障，接地网流过短路电流时，接地网场区电位升高对人员影响的特性参数指标。
实际短路电流经接地网散流时，接地网边缘和尖角部位将产生相对较高的跨步电压，靠近接地网边缘的围墙附近，也将产生相对较高的接触电压，可能对场站内外人员的安全造成威胁。
跨步电位差在数值上即为场区地表电位梯度，可直接在场区地表电位梯度曲线上量取折算，但实测中两者评估的对象不同，前者重点在接地网场区边缘附近、人员活动频繁区域、变电站大门等区域，后者则是以整个场
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