接地網(wǎng)地線分流向量的測量

周大東，王 玲，趙振威，王東燁，邵建康

（1.錦州市環(huán)境監(jiān)測中心站，遼寧 錦州 121000；2.國網(wǎng)本溪供電公司，遼寧 本溪 117000；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；4.上海大帆電氣設(shè)備有限公司，上海 201109）

接地網(wǎng)地線分流向量的測量

周大東1，王 玲2，趙振威3，王東燁3，邵建康4

（1.錦州市環(huán)境監(jiān)測中心站，遼寧 錦州 121000；2.國網(wǎng)本溪供電公司，遼寧 本溪 117000；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；4.上海大帆電氣設(shè)備有限公司，上海 201109）

通過使用基于無線傳輸相位差比較方法和強抗千倍干擾選頻測量技術(shù)，能在千倍工頻干擾下對桿塔的分流向量進行準(zhǔn)確的測量，能準(zhǔn)確有效剔除接地測量過程中分流成分，提高接地網(wǎng)接地阻抗測量的準(zhǔn)確度，為保證電力系統(tǒng)在雷擊或短路故障下的安全運行和人員的安全具有重要的意義。

接地網(wǎng)；地線分流；接地阻抗；分流向量；抗千倍干擾

接地阻抗測量過程中，對地網(wǎng)注入工頻或異頻交流電流信號，電流通過電流線、電流極、大地和接地網(wǎng)形成電流回路，如果接地網(wǎng)是獨立的，測試的電流信號將通過接地網(wǎng)全部散流到大地中，如果接地網(wǎng)與其他接地體存在電氣連接，這時部分電流信號將通過這些接地體流出，而從接地網(wǎng)散流到大地的測試電流將減小，將通過與被測電網(wǎng)連接的金屬接地體流出的電流稱為地線的分流［1－5］。

由于地線分流的存在，部分測試電流通過金屬導(dǎo)體流出，這時導(dǎo)致接地阻抗的測量值偏小。變電站內(nèi)的避雷線和兩端接地電纜的金屬屏蔽層是主要的分流源。大量的現(xiàn)場接地阻抗測量結(jié)果表明，分流影響能達(dá)到20%～80%，對接地阻抗測量影響很大。

如何在存在分流的情況下對接地阻抗進行準(zhǔn)確測量是一個難題，目前實際測量過程主要通過解除接地線與接地網(wǎng)的連接和對地線分流進行測量兩種方法解決。

對于解除接地線與接地網(wǎng)的連接。變電站內(nèi)避雷線一般與地網(wǎng)之間通過跳線連接，斷開跳線可實現(xiàn)解除架空地線與接地網(wǎng)之間的連接。光纖復(fù)合架空地線（OPGW）和一些其他單獨的接地線，由于其結(jié)構(gòu)和安裝特點無法與地網(wǎng)隔離。一些使用電纜做進線或出線的現(xiàn)場，在變電站已投運的情況下，解除其接地屏蔽層存在很大的安全問題，一般不會執(zhí)行［6－7］。

對地線分流進行測量。由于解開地線的連接存在很大的困難，只能采取測量分流的辦法，去除地線分流的影響，得到準(zhǔn)確的接地阻抗值。目前基本采用羅氏線圈來測量分流的大小，從注入地網(wǎng)的總電流中減去分流的大小，得到實際注入地網(wǎng)的電流值。但由于分流電流與測試電流存在相位差，該方法只測量了分流的大小，而沒有測量分流的方向，仍存在一定的誤差，甚至可能出現(xiàn)分流模值的總和大于注入地網(wǎng)測試電流邏輯錯誤的情況［8－10］。

本文使用無線傳輸相位差比較法和強抗干擾選頻測量技術(shù)，對地線分流向量進行測量。首先采樣測試電流的波形信息，通過無線傳輸方式將其傳輸?shù)綀鰠^(qū)各地，然后使用抗千倍干擾的無線分流測量單元接收該信號，配合柔性羅氏線圈采樣構(gòu)架中分流的大小和波形，將兩者的波形進行比較，從而得到分流的大小和相位，實現(xiàn)對分流向量的準(zhǔn)確測量。

1 分流向量測量原理

如圖1所示，從構(gòu)架上引出的架空避雷線將全部的輸電桿塔接入被測地網(wǎng)，同時兩端接地的高壓電纜其金屬屏蔽層相當(dāng)于地線，將被測地網(wǎng)對側(cè)的桿塔或配電變壓器接入，這樣將大大改變被測地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對被測電流造成分流。在對被測地網(wǎng)的接地阻抗測量時如果未剔除分流的影響，將使其接地阻抗的測量結(jié)果偏小。

圖1 變電站地線分流對接地阻抗測試影響示意圖

如圖2所示，電流I0為在地網(wǎng)中注入的測試總電流，一部分電流I2通過接地網(wǎng)的接地扁鐵直接散流向大地，另外一部分電流I1通過與地網(wǎng)連接的金屬構(gòu)架和兩端接地電纜的屏蔽層流走，這時電流I1回路中由于有分流地線的存在，產(chǎn)生了分流，電流I1可能只有一部分通過避雷線和電纜的屏蔽層流向大地，產(chǎn)生分流電流I4，其他部分電流則通過金屬構(gòu)架環(huán)流回到接地網(wǎng)，這時通過地網(wǎng)實際散流到大地的電流為I5［11］。

圖2 異頻電流地網(wǎng)散流模型

對分流電流I4進行測量，理論上講，應(yīng)到出線構(gòu)架頂端向外處測量避雷線和OPGW光纖地線的分流信號。由于一般避雷線的出線點位于構(gòu)架的頂端，考慮到實際操作中人員的安全，一般直接在地面構(gòu)架上進行測量。對電纜屏蔽層的分流測量也是同樣的原理。

實際測量過程中，由于接地桿塔與接地網(wǎng)之間存在電感分量，這時地線的分流電流與測試電流之間存在相位差，不能簡單進行模值相加，需要對分流電流的向量進行測試。如圖2所示，假設(shè)構(gòu)架上的電流｜I1｜和｜I3｜方向都是往外流，分流的計算則非常簡單，分流大?。麵4｜＝｜I1｜＋｜I3｜。而實際上電流I1和I3與測試電流I0間存在相位差，這時如果電流I4還是簡單使用I1和I3模值相加的話，電流I4的計算值將大于實際值，修正計算出的接地阻抗值大于真實值。同時在大型變電站中，金屬構(gòu)架非常復(fù)雜，由于各個構(gòu)架與地網(wǎng)的連接點之間并非等電位，相互之間存在電位差，這樣在構(gòu)架之間將形成環(huán)流，如圖1所示，假設(shè)在構(gòu)架之間存在環(huán)流，電流I1一部分是通過地線分流出去產(chǎn)生分流電流I4，而另外一部分電流I3通過其他的金屬構(gòu)架環(huán)流回到地網(wǎng)，如果將這部分環(huán)流回到地網(wǎng)的電流也計入分流，將放大分流系數(shù)，增加測量的誤差，甚至可能出現(xiàn)分流測量值的模值和大于總的測試電流［12－18］。

2 分流向量的準(zhǔn)確測量

通過使用DF9600接地及分流向量測量系統(tǒng)進行測試。如圖3所示，用變頻信號源通過耦合變壓器隔離升壓，對地網(wǎng)注入一個異頻電流Im，并在測量全程中保持該電流穩(wěn)定。利用電流互感器對注入的測試電流取樣，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換及選頻濾波運算處理，得到測試電流的波形和相位信息，將該相位定義為基準(zhǔn)相位，即零相位。將該基準(zhǔn)相位信息無線發(fā)射出去，遠(yuǎn)端無線分流測量單元內(nèi)置有無線接收裝置，可無線接收到該相位數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)處理后送入無線分流測量單元的CPU。

圖3 分流測量示意圖

同時無線分流測量單元另一個端口接長度為300 mm以上的羅氏線圈，圈住與架空地線相連的桿塔，采樣取得桿塔上的分流電流信號；經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換及選頻濾波運算處理，排除50 Hz及其他干擾，提取出異頻電流的波形信息，送入CPU。CPU進行分流電流相位與無線接收到的測試電流相位比較，得到該基桿塔分流的大小和相位差，即可得到該基桿塔分流的向量。

根據(jù)上述方法，測量變電站內(nèi)所有與架空地線相連的桿塔上的分流及交聯(lián)電纜外護套上的分流，得到各分流的向量。將所有分流向量進行復(fù)數(shù)相加求向量和，則可得到整體的地線分流值。將測試電流方向作為基準(zhǔn)，將其波形通過無線傳輸方式傳輸?shù)浆F(xiàn)場測量的各個位置，使用抗千倍干擾的無線分流測量單元接收該信號，并使用羅氏線圈測量構(gòu)架上分流電流的大小和波形，將兩者的波形進行比較，即得到分流向量的大小和相位［19－21］。

使用該方法測量存在以下難點。

a.現(xiàn)場強烈工頻干擾對測量的影響

我國絕大多數(shù)電氣設(shè)備運行于50 Hz工頻交流電壓下，電網(wǎng)存在很強的50 Hz干擾，因此，在高壓變電站現(xiàn)場一些微弱的測試信號因50 Hz強干擾而難以測量，往往帶來很大的誤差甚至無法測量。為解決現(xiàn)場強烈工頻干擾問題，目前大型地網(wǎng)的測量越來越多采用異頻法測量。通過對地網(wǎng)注入異于工頻而又接近工頻的測試電流，一般為45～55 Hz，這樣既能有效濾除50 Hz干擾，又能與工頻具有很好的等效性。

使用異頻法測試?yán)碚撋峡杀苊?0 Hz干擾帶來的影響，但最大的技術(shù)困難在于如何排除比異頻信號（以53 Hz為例）大很多倍的50 Hz干擾而準(zhǔn)確測量。在某些干擾比較大的測量現(xiàn)場，出線構(gòu)架中50 Hz工頻干擾電流可能比53 Hz分流信號大千倍，相當(dāng)于被測異頻分流僅50 mA，而構(gòu)架中的工頻干擾能達(dá)到50 A，此時干擾信號是被測信號的千倍，如何在千倍的干擾下對異頻信號進行準(zhǔn)確測量是一個難題。

通過使用很長的柔性羅氏線圈采樣現(xiàn)場出線構(gòu)架中的分流信號，配合一種異頻弱電流無線分流測量單元對采樣的分流信號進行測量，由于其具有高精度、高分辨率和極強的抗干擾能力，能在千倍工頻干擾下準(zhǔn)確測量羅氏線圈采樣到的微弱異頻信號。無線分流測量單元采用復(fù)雜的硬件系統(tǒng)和軟件算法，抗干擾能力極強，可在50 Hz干擾信號幅值比被測異頻信號幅值大千倍的情況下，仍能準(zhǔn)確測量異頻信號。

b.分流向量相位的準(zhǔn)確測量

基準(zhǔn)波形信號在無線傳輸過程中，由于存在信號延時，將影響相位的準(zhǔn)確測量。無線信號在空氣中的傳播是以光速進行，因此，數(shù)據(jù)在空氣中的傳輸時間可忽略，信號的延時主要來自于兩處信號的采樣計算、信號的發(fā)射接收、數(shù)據(jù)的處理和干擾的濾波計算等過程。為此專門研發(fā)了一套運算軟件，能對這些延時進行修正和補償，通過在實驗室大量試驗和現(xiàn)場測量，其精度完全滿足現(xiàn)場測量要求。

c.羅氏線圈測量小電流信號

由于分流測量過程中，需要對體積大、形狀不規(guī)則的導(dǎo)體（如大型的金屬構(gòu)架、輸電桿塔等）電流進行采樣，目前普遍采用長的柔性羅氏線圈。通常羅氏線圈的變比較大，常見的Rogowski線圈原始信號變比為1 000 A／50 mV左右，常用來測量比較大的電流。而現(xiàn)場分流的大小一般只有mA級的電流，金屬構(gòu)架中的工頻干擾電流可能達(dá)到數(shù)A甚至數(shù)十A。如當(dāng)被測的異頻信號為100 mA時，羅氏線圈的原始感應(yīng)信號僅為5 μV，這就要求測量設(shè)備有很高的測量精度和分辨率，同時對測量設(shè)備的抗干擾能力提出了很大的挑戰(zhàn)。

采用能抗千倍干擾、高精度、高分辨率的選頻測量裝置及國際最新的智能式選頻抗干擾技術(shù)，使用高性能的CPU和先進的干擾頻譜分析軟件，通過頻譜運算，能在千倍工頻干擾下，準(zhǔn)確測量出指定頻率的微弱信號。

3 實施案例

某500 kV變電站使用DF9600系統(tǒng)進行接地阻抗和分流測試。該變電站接地網(wǎng)對角線D≈900 m，電壓極和電流極距接地網(wǎng)邊緣均為2 000 m（≈2D），夾角為30°，帶避雷線的接地阻抗測量值Z0為0.327 3 Ω。

對地網(wǎng)注入47 Hz、10 A的測試電流，保持測試電流穩(wěn)定，并將其相位信息無線傳輸至場區(qū)各處，采用羅氏線圈測量各處構(gòu)架分流，得到分流向量數(shù)據(jù)如表1所示。

從實測數(shù)據(jù)可以看出，測試電流在各處的分流呈現(xiàn)明顯的相角差異性，其中存在明顯的環(huán)流成分，如第4項和第8項，即測試電流并非總是流出地網(wǎng)，也會在構(gòu)架之間形成環(huán)流，需要將環(huán)流成分甄別并剔除。

表1 分流測量結(jié)果

通過向量求和運算得到分流向量和為6.530 A∠－159.7°，為便于比較，計算分流代數(shù)和為12.69 A，超過測試電流的大小，驗證了不能只測量分流模值大小。將測試電流參考向量（10 A∠0°）與分流向量和再進行向量求和計算，得到地網(wǎng)實際散流的電流向量為4.489A∠－30.3°，地網(wǎng)實際散流電流為測試電流的44.89%。

計算得地網(wǎng)實際接地阻抗為

現(xiàn)場測量表明，DF9600系統(tǒng)具有很強的抗干擾能力和很高的精度，所測一根構(gòu)架上的50 Hz電流工頻干擾為21.2 A，而53 Hz異頻測試分流僅為28.2 mA∠－152.8°，在現(xiàn)場對這種750多倍強干擾下的分流大小和相位測量準(zhǔn)確性進行了驗證：柔性羅氏線圈的纏繞構(gòu)架的方向反向后所測相位為27.3°，2次相位值相差180.1°，表明相位測量是準(zhǔn)確可信的；將測試電流降低50%，此時所測分流大小降為19.1 mA，呈現(xiàn)良好的線性，說明分流大小測量也是可信的。

4 結(jié)論

a.在對變電站和電廠等一些大型地網(wǎng)的接地阻抗測量過程中，由于架空避雷地線、光纖地線和電纜屏蔽層的存在，對測試電流產(chǎn)生分流，導(dǎo)致接地阻抗測量值偏小，對測量結(jié)果造成很大的影響，不能準(zhǔn)確反映接地網(wǎng)的真實情況，留有安全隱患。因此，在無法隔離分流地線與被測量接地網(wǎng)連接的情況下，需要對地線分流進行測量。

b.由于地線分流電流與測試電流間存在相位差，且在桿塔構(gòu)架之間存在環(huán)流，如果單純計算地線分流大小模值的代數(shù)和，分流系數(shù)將大于實際值，導(dǎo)致修正后接地阻抗值偏大，甚至還可能出現(xiàn)分流代數(shù)和大于總測試電流的不符合基本邏輯的情況。因此，需要對地線分流進行向量測量。

c.在對分流向量測量過程中，一般采用羅氏線圈來進行測量。羅氏線圈變比較大，且測量現(xiàn)場存在很大的工頻干擾，這就要求測量裝置有很高的分辨率和精度，并有很強的工頻抗干擾能力。

d.采用DF9600系統(tǒng)，通過使用無線傳輸相位差比較法和強干擾選頻測量技術(shù)，能在千倍工頻干擾下對微弱分流信號的大小和方向進行準(zhǔn)確測量，對提高接地網(wǎng)接地阻抗測量的準(zhǔn)確度、保證電力系統(tǒng)在雷擊或短路故障下的安全具有重要的意義。

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Accurate Measurement on Grounding Grid Ground Shunt Vector

ZHOU Dadong1，WANG Ling2，ZHAO Zhenwei3，WANG Dongye3，SHAO Jiankang4
（1.Jinzhou Environment Monitoring Center，Jinzhou，Liaoning 121000，China；2.State Grid Benxi Power Electric Supply Company，Benxi，Liaoning 117000，China；3.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；4.Shanghai Dafan Power Equipment Co.，Ltd.，Shanghai 201109，China）

In this paper，by using different frequency measurement，phase comparison method based on wireless transmission，Ro?gowski coil shunt signal sampling and high?precision，high?resolution，anti?interference of the Rogowski coil wireless measuring devices can thousand fold lower frequency interference the diversion of tower vector accurate measurements，which can accurately and effectively weed out the diversion of ingredients to improve accuracy.This method has significance for ensuring the safe operation of power system and workers'safety.

grounding grid；ground shunt；grounding impedance；shunt vector；anti－thousandfold interference

TM862

A

1004－7913（2016）10－0030－04

周大東（1960），男，高級工程師，從事環(huán)境監(jiān)測設(shè)備管理工作。

2016－07－20）