桿塔接地電阻季節(jié)系數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用

鄭雄偉，孫翠英，蘇紅梅，何瑞東，王建國

（1.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021；

2.國網(wǎng)河北省電力公司，石家莊 050021；3.武漢大學(xué)，武漢 430072）

桿塔接地電阻季節(jié)系數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用

鄭雄偉1，孫翠英1，蘇紅梅1，何瑞東2，王建國3

（1.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021；

2.國網(wǎng)河北省電力公司，石家莊 050021；3.武漢大學(xué)，武漢 430072）

針對季節(jié)系數(shù)對接地系統(tǒng)建設(shè)費用的影響問題，提出基于GPRS通信的輸電線路桿塔接地電阻實時監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建的功能需求，介紹該系統(tǒng)的總體架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，分析該系統(tǒng)的應(yīng)用情況及效果，結(jié)果表明該系統(tǒng)可實現(xiàn)桿塔接地電阻（工頻接地電阻和沖擊接地電阻）、土壤電阻率、環(huán)境溫濕度、降雨量、三層土壤溫度及含水量等參數(shù)的同步在線測量，為河北省南部電網(wǎng)桿塔接地電阻季節(jié)系數(shù)的影響因素及取值范圍的研究提供借鑒。

桿塔接地電阻；季節(jié)系數(shù)；在線監(jiān)測；土壤電阻率

1 概述

桿塔接地電阻的大小直接影響輸電線路耐雷水平，關(guān)系到線路的雷擊跳閘率和可靠運行指標(biāo)［1］。設(shè)計接地裝置時，應(yīng)考慮土壤干燥或凍結(jié)等季節(jié)因素的影響，使其在四季均應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，若季節(jié)系數(shù)取值過大，接地系統(tǒng)建設(shè)費用偏高；若季節(jié)系數(shù)取值過小，則可能導(dǎo)致接地電阻季節(jié)性超標(biāo)。電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL／T 621－1997《交流電氣裝置的接地》給出了不同埋深的水平接地極和垂直接地極的季節(jié)系數(shù)取值范圍［2］，但由于觀測數(shù)據(jù)很少，其合理性一直備受關(guān)注。目前，國內(nèi)外桿塔接地電阻季節(jié)變化的觀測數(shù)據(jù)相當(dāng)匱乏，對于輸電線路桿塔接地電阻季節(jié)系數(shù)的研究尚處于初始階段，可借鑒的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗非常少，而且因氣候及地質(zhì)條件的差別，世界各地土壤電阻率隨季節(jié)變化的特征差別較大，出現(xiàn)峰值的月份也明顯不同，接地電阻季節(jié)系數(shù)的分布范圍也存在明顯差別［3－5］，不同地區(qū)接地電阻季節(jié)系數(shù)的制定需因地制宜，不可盲目引進外地數(shù)據(jù)和規(guī)律。因此，構(gòu)建一套桿塔接地電阻季節(jié)系數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)來研究本地區(qū)桿塔接地電阻季節(jié)系數(shù)的影響因素及取值范圍，對于合理的接地設(shè)計具有一定意義。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求

桿塔接地電阻取決于接地體的形式（形狀、尺寸、埋深等）和其所處土壤的電阻率。前者為恒定參量，后者為變量。

土壤電阻率是反映土壤理化性質(zhì)的一個綜合性參數(shù)。土壤膠體帶有電荷，土壤溶液中常含有電解質(zhì)，土壤中的水分狀況、含鹽量及組成、松緊度、質(zhì)地、土壤溫度等均對土壤電阻率產(chǎn)生影響，尤其是含水量的多少，可以使土壤電阻率在很大范圍內(nèi)變化。

降雨量和環(huán)境溫度直接影響不同深度的土壤溫度和土壤含水量，而土壤溫度和土壤含水量又直接影響土壤電阻率［6－7］，從宏觀上看，降雨量和環(huán)境溫度隨季節(jié)而變，因此，土壤電阻率會隨季節(jié)而變，從而使接地電阻也呈季節(jié)性變化。

研究桿塔接地電阻季節(jié)系數(shù)，需要研究土壤電阻率和接地電阻與降雨、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、土壤溫度、土壤含水量、土壤深度之間的關(guān)系，深入分析各氣象要素和土壤參數(shù)對土壤電阻率及桿塔接地電阻的影響方式和影響程度。

因此，桿塔接地電阻季節(jié)系數(shù)在線監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)實現(xiàn)以下信號的自動同步測量、遠程傳輸、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)分析處理：桿塔工頻接地電阻和沖擊接地電阻；各不同等值深度土壤電阻率、土壤溫度和土壤含水量；環(huán)境溫度、濕度和降雨量。

3 在線監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)

在線監(jiān)測系統(tǒng)由安裝于桿塔上的監(jiān)測站和安裝于遠程中心控制室內(nèi)的終端服務(wù)器（中控機）組成，監(jiān)測站與終端服務(wù)器之間通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)進行通信。各監(jiān)測站將相應(yīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過GPRS無線傳輸至終端服務(wù)器，通過終端服務(wù)器也能遠程管理和控制各監(jiān)測站。監(jiān)測站以工控機為核心，包括太陽能供電系統(tǒng)、氣象數(shù)據(jù)采集模塊、接地數(shù)據(jù)采集模塊、通信模塊等子功能模塊。接地電阻季節(jié)系數(shù)觀測站原理見圖1。

圖1 接地電阻季節(jié)系數(shù)觀測站原理

4 在線監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

4.1 太陽能供電系統(tǒng)

系統(tǒng)采用的供電方式為太陽能供電，通過太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換為電能后給蓄電池充電，再由蓄電池對用電設(shè)備進行供電，整個發(fā)電、供電過程由太陽能控制器來控制，系統(tǒng)供電方式原理見圖2。

4.2 氣象數(shù)據(jù)采集模塊

氣象數(shù)據(jù)采集模塊用來采集大氣環(huán)境和土環(huán)境的溫濕度等氣象數(shù)據(jù)，并實時傳輸至工控機。該模塊通過空氣溫濕度探頭采集監(jiān)測點的環(huán)境溫度和濕度，通過自動雨量筒采集降雨量信息，通過安裝于0.6m、1m、2m深土壤層中的土壤溫度探頭和土壤含水量探頭采集各等值深度土壤溫度和含水量。

圖2 系統(tǒng)供電方式原理

4.3 接地數(shù)據(jù)采集模塊

接地數(shù)據(jù)采集模塊又包括桿塔接地電阻采集模塊和土壤電阻率采集模塊，用來采集桿塔的工頻接地電阻、沖擊接地電阻和各等值深度土壤電阻率。桿塔接地電阻采集模塊采用三極0.618法測量接地電阻［8］，通過工頻信號源和沖擊信號源分別產(chǎn)生工頻電流和標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電流，注入測試回路，通過電壓傳感器和電流傳感器以及采集卡測得入地電流波形和電壓極的電壓波形，再由工控機分析計算得到桿塔的工頻接地電阻和沖擊接地電阻。土壤電阻率采集模塊采用四極等距法（或稱Wenner法）測量土壤電阻率［9］，每層等值深度的土壤電阻率都取自垂直等距布置的4根測量電極（電極插入土壤深度為＜0.05a，a為每相鄰兩支探針之間的距離），測量電極共3套，分別測量0.6m、1m、2m深度土壤電阻率。土壤電阻率和接地電阻的測量由多通道選擇開關(guān)實現(xiàn)輸出回路的選擇輸出，并同步控制采集卡的信號采集輸入，從而實現(xiàn)測量信號源和采集傳感器的共用，以精簡監(jiān)測站設(shè)備數(shù)量，系統(tǒng)供電方式原理見圖3。

圖3 系統(tǒng)供電方式原理

4.4 通信模塊

通信模塊用于實現(xiàn)監(jiān)測站與終端服務(wù)器之間的無線通信。該模塊采用基于2G、2.5G、3G等網(wǎng)絡(luò)平臺的GPRS通信模塊，擁有低功耗高性能的嵌入式處理器，可高速處理協(xié)議和大量數(shù)據(jù)內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn)的TCP／IP協(xié)議棧，支持透明數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)終端永遠在線，支持雙數(shù)據(jù)中心備份傳輸及多數(shù)據(jù)中心同步傳輸（5個數(shù)據(jù)中心），支持根據(jù)域名和IP地址訪問中心，支持虛擬數(shù)據(jù)專用網(wǎng)（APN）多種工作模式選擇，使用方便、靈活。模塊軟硬件采用看門狗設(shè)計，保證系統(tǒng)穩(wěn)定同時支持RS232／RS485接口，支持5～35V寬電壓供電，抗干擾設(shè)計，適合電磁環(huán)境惡劣的應(yīng)用需求。

4.5 工控機

工控機是監(jiān)測站的核心，運行著由圖形化的編程語言LABVIEW編寫的控制及通信單元，該單元能控制測量電路的輸入和輸出，通過輸出信號端口控制切換電路對通道進行切換。工控機將采集到的數(shù)據(jù)及系統(tǒng)的基本信息一起打包后，通過通信模塊傳往終端服務(wù)器上。

4.6 終端服務(wù)器

終端服務(wù)器運行著數(shù)據(jù)分析及處理單元，該單元接收數(shù)據(jù)后，先對數(shù)據(jù)進行解包，分析處理后存儲至數(shù)據(jù)庫并實時顯示在軟件前端窗口界面上。

5 應(yīng)用情況及效果

氣候及地質(zhì)條件的差別對接地電阻季節(jié)系數(shù)的影響較大，因此，監(jiān)測站的布置應(yīng)充分考慮氣候地貌特征的影響。河北省南部電網(wǎng)（簡稱“河北南網(wǎng)”）整個監(jiān)測系統(tǒng)共有3個監(jiān)測站，分別安裝于太行山東麓山區(qū)丘陵地帶、中部平原地帶和東部瀕海鹽堿地帶，其中山區(qū)桿塔為安大二線31號桿塔，平原桿塔為安大一線41號桿塔（轉(zhuǎn)角耐張塔），鹽堿地桿塔為于韓一線45號桿塔，以上布點基本可以代表河北南網(wǎng)地區(qū)的3種典型氣候地貌特征。

各監(jiān)測站投運后運行工況良好，獲得桿塔接地電阻（工頻接地電阻和沖擊接地電阻）、土壤電阻率、環(huán)境溫濕度、降雨量、三層土壤溫度及含水量等參數(shù)的詳實數(shù)據(jù)。通過運行近半年的數(shù)據(jù)初步分析，環(huán)境溫度、降水等參數(shù)對不同深度土壤電阻率的影響是由表層土壤向深層土壤逐漸進行的，同時相關(guān)影響有一定的時間滯后性，且不同氣候地貌區(qū)域的影響也略有差異，準(zhǔn)確規(guī)律尚待系統(tǒng)積累更長時間周期的數(shù)據(jù)后深入分析。

6 結(jié)論

a.構(gòu)建的基于GPRS通信的輸電線路桿塔接地電阻實時監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了桿塔接地電阻（工頻接地電阻和沖擊接地電阻）、土壤電阻率、環(huán)境溫濕度、降雨量、三層土壤溫度及含水量等參數(shù)的同步在線測量；

b.針對河北南網(wǎng)山區(qū)、平原、鹽堿地3種典型氣候地貌特征區(qū)域布置了3處監(jiān)測站，并實現(xiàn)了3站同步自動監(jiān)測，各監(jiān)測站投運后運行工況良好，各監(jiān)測站運行近半年的數(shù)據(jù)可初步分析相關(guān)參數(shù)對接地電阻季節(jié)系數(shù)的影響；

c.待系統(tǒng)多年連續(xù)運行后，可將用大量實測數(shù)據(jù)詳細分析土壤溫度、含水量受環(huán)境溫度和降水量的影響，以及桿塔接地電阻和土壤電阻率的季節(jié)性變化情況，為確定河北南網(wǎng)地區(qū)桿塔接地電阻季節(jié)系數(shù)的影響因素及取值范圍提供堅強的數(shù)據(jù)支撐，使桿塔接地裝置設(shè)計技術(shù)經(jīng)濟性最優(yōu)化。

［1］解廣潤.電力系統(tǒng)接地技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，1994.

［2］DL／T 621－1997，交流電氣裝置的接地［S］.

［3］de Franco R，Biella G，Tosi L，et al.Monitoring the saltwater intrusion by time lapse electrical resistivity tomography：The Chioggia test site（Venice Lagoon，Italy）［J］.Journal of Applied Geophysics.2009，69（3-4）：117-130.

［4］何金良，沈亞東，孫為民，等.發(fā)變電站接地系統(tǒng)的季節(jié)系數(shù)分析［J］.高壓電器.2003（3）：1-3.

［5］孫為民，何金良，曾 嶸，等.季節(jié)因素對發(fā)變電站接地系統(tǒng)安全性能的影響［J］.中國電機工程學(xué)報，2000（1）：16-19.

［6］曹曉斌，吳廣寧，付龍海，等.溫度對土壤電阻率影響的研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2007，22（9）：1-6.

［7］王偉峰.接地電阻測量季節(jié)的選擇［J］.水利電力機械.2004（2）：46.

［8］DL 887－2004，桿塔工頻接地電阻測量［S］.

［9］DL 475－2006，接地裝置特性參數(shù)測量導(dǎo)則［S］.

本文責(zé)任編輯：楊秀敏

Construction and Application of Tower Footing Impedance Seasonal Factors in On-line Monitoring System

To solve the coefficient of grounding resistance season factors to the influence of grounding device construction costs，this paper puts forward the functional requirements of the on-line monitoring system based on GPRS wireless communication，introduces the system＇s overall architecture and key technologies，analyzes the application and effect of the system，the results indicates that the system can measure the following parameters in synchronism，such as power frequence and surging tower-footing impedance，soil resistivity，environmental humiture，rain capacity and soil humiture in three different depth.The data from the monitoring system can be used to research the span and the influencing factors of the seasonal factors for the tower-footing impedance in Southern Hebei Power Grid area.

tower-footing impedance；seasonal factors；online monitoring；soil resistivity

1001-9898（2014）05-0005-03

2014-06-09

鄭雄偉（1983－），男，高級工程師，主要從事輸電線路運行檢修以及防雷、接地與過電壓方面的試驗與研究工作。

TM862

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