計算機輔助電位降法測試變電站接地電阻方法淺析

宋高博

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計算機輔助電位降法測試變電站接地電阻方法淺析

宋高博

鄭州市技師學院

摘 要：本文主要針對運用計算機輔助電位降法，對變電站接地網(wǎng)測試進行了分析和研究

關鍵詞：接地電阻；網(wǎng)絡拓撲結構；電位降法；電流極短電流極引線

1概述

變電站接地網(wǎng)是保證變電站電氣設備在正常和故障情況下，都能可靠和安全運行的主要保護措施之一，是變電站接地系統(tǒng)的重要技術指標，是衡量接地系統(tǒng)有效性、安全性以及鑒定該系統(tǒng)是否符合要求的重要參數(shù)。在每個變電站投入運行前，都要對其進行電網(wǎng)測試，以保證此地網(wǎng)的接地電阻滿足設計要求，而且，還要在其投入運行后對其地網(wǎng)的接地電阻進行定期檢查。然而，接地電阻的測量是一個相當復雜的問題，受到多方面因素的影響，它不僅與接地體的大小、形狀、地電阻率有關，受到周圍電磁場、土壤中的金屬物質、地電阻率均勻程度的影響，而且還受到測量方法和電極布置的影響。

近年來，國內多處變電站因雷擊形成擴大事故，大多與地網(wǎng)接地電阻不合格有關。接地網(wǎng)起著工作接地和保護接地的作用。若接地電阻過大，發(fā)生接地故障時，會導致中性點電壓偏移增大，可能造成健全相和中性點電壓過高，超過絕緣要求而造成設備損壞。因此，必須大力加強對地網(wǎng)接地電阻的定期監(jiān)測；如果對地網(wǎng)接地電阻測試不準確，不僅損壞設備，而且會造成諸如地網(wǎng)誤改造等不必要的損失。

電位降法是根據(jù)接地網(wǎng)完工圖紙建立地網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲結構完整性檢測模型。運用了敞開式變電站接地參數(shù)測試新方法，以適應目前變電站復雜多變的地理環(huán)境，使得接地參數(shù)測試工作的限制條件得以放寬，或減輕接地電阻測試工作的勞動強度，提高接地電阻測試精度。

2 接地網(wǎng)拓撲結構檢測技術

圖1接地網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲結構檢測流程圖

任何一個接地網(wǎng)，在保留目標端口節(jié)點的前提下，用電網(wǎng)絡等效理論削去接地網(wǎng)中其它節(jié)點，得到目標端口節(jié)點間最多只有一條支路的網(wǎng)絡就是該接地網(wǎng)所對應的端口網(wǎng)絡。借助網(wǎng)絡拓撲的端口等效轉換理論，根據(jù)測試端口的數(shù)目可以將接地網(wǎng)等效為純電阻二端口網(wǎng)絡或三、四端口網(wǎng)。

當接地網(wǎng)施工完成后，我們可以對照接地網(wǎng)的設計或完工圖紙，建立接地網(wǎng)的純電阻等效網(wǎng)絡，通過計算得到該網(wǎng)絡所對應任意多個端口網(wǎng)絡的等效電阻。

通過仿真計算得到假定某兩個端口加載一定直流電流情況下對應某兩個端口間的電壓。然后通過對施工完成的接地網(wǎng)進行直流電流激勵，同時測量仿真計算所對應某兩個端口間的電壓情況。

根據(jù)電路理論的基本知識可知，能夠通過MATLAB軟件直接進行大網(wǎng)絡激勵與響應的仿真計算。下面給出接地網(wǎng)網(wǎng)絡拓撲結構檢測方法流程圖，以指導接地網(wǎng)檢測工作的實施，如圖1所示。

3電位降法測量接地電阻的基本原理

目前接地電阻測量采用國家標準GB/T17949.1-2000《接地系統(tǒng)的土壤電阻率、接地阻抗和地面電位測量導則第1部分：常規(guī)測量》推薦的電位降法進行測量。測量路線分為電流極和電壓極同向布置（圖2中電極P的位置）和電壓極與電流極反方向布置（圖2中電極P1的位置）。

圖2接地電阻測量的測量引線路徑布置

電流極引線和電壓極引線同方向布置，電流極引線長度取某一長度時，電流極引線和電壓極引線之間的距離取5m以消除引線間互感對測量結果的影響。測量時電壓極從靠近電流極開始，每隔50m 或100m測量一個視在接地電阻，測量時為了確保電壓極和電流極與接地網(wǎng)之間的距離采用GPS進行定位，以確保測量結果的準確性。

在實際采用電位降法測量中，為了準確測量得到接地電阻，一般都將電流極置于5D以外的地方，這時為了布置測量引線而帶來巨大的工作量，有時為了測量一個較大的變電站，甚至需要幾十個人測量一整天。因此工程實際中迫切需要能夠盡量縮短電流極引線的長度，以減輕測量時的勞動強度。

4電流極引線長度的選取規(guī)律

在實際采用電位降法測量中，一般是以視在接地電阻曲線上平坦段作為電壓極位置的選取標準，存在一定的系統(tǒng)誤差。為了消除該系統(tǒng)誤差，則應盡量拉長電流極引線的長度。如何確定電流級引線長度，同時考慮輔助電流極的影響，下面對其進行討論。

當電流極的位置距離待測接地系統(tǒng)較遠時，不僅可以使輔助電流極的影響減小，而且可以使接地系統(tǒng)與電流極之間的電位分布曲線比較平坦，因此可以使測量點的選取相對容易，誤差可以較?。喝欢L接地引線不僅使布線比較困難，而且由于兩電流極之間電阻值的增大，也使要達到相同測試電流的測試電壓變大，電源容量增大，測量人員的安全問題加劇。

當電流極引線太短時，測量得到的視在電阻曲線不存在平坦段，無法從測量曲線上直接找到接地電阻的真實值：而利用計算機輔助分析，在得到土壤電阻率分層情況的基礎上，通過計算找到不同電流極引線長度時的對應于接地系統(tǒng)真實接地電阻的電壓極位置。

但是電流極引線的長度又不可以無限制地縮短，因為當電流極與待測接地系統(tǒng)之間的距離過短時，就會使兩極之間的電位降梯度急劇增大，電壓極位置很小的位置偏差就可能帶來較大的測試誤差。下面就如何選取合適的電流極位置進行討論。

為了對電流極的位置選取可能給測量結果帶來的誤差進行量化的分析，把在能夠得到真實接地電阻值所要求的測量位置附近的電壓極位置變動10m，接地電阻測量結果的變化量與真實接地電阻值的比值ω定義如下：

ω = 電壓極變10m接地電阻的變化量/真實接地電阻值

對于兩層水平分層的土壤結構，不同的k值情況下的隨測量電流極引線長度變化的曲線如圖3所示。

圖3不同k值下ω 隨電流極引線長度變化曲線

由圖中7條曲線可以看出，當電流極間距增大時，因為電壓極選取位置誤差所帶來的測試誤差也相應減小。這是由于極間距增大則電位降曲線中的平坦段也相應增加的緣故。對比不同曲線不難看出，k值大的曲線在相同電流極間距情況下的ω 值也較大。

從圖中各曲線可以看出，ω 值在曲線的開始階段下降非常快，而當電流極間距超過3D以后就趨于平緩。因此利用短極間距方式進行測量是可能的。在大多數(shù)情況下可以利用較短的電流極引線進行比較準確的測量。

測量接地系統(tǒng)的接地電阻時，電流極間距的選取與土壤結構和測量所允許的誤差限有著密切的關系。上面的討論是基于電壓極位置誤差為10m時的情況。如果測量時使電流極與電壓極位置比較準確，則可以將電流極引線長度縮短至1.5D。

5短電流極引線接地電阻測試系統(tǒng)設計

通過前面的討論，這里提出計算機輔助智能接地電阻測試方案。該方案主要是將計算機數(shù)值計算的最新技術與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)有機結合起來，充分利用人機交互與已有知識的優(yōu)勢，力求簡單、準確地得到待測系統(tǒng)的接地電阻值。

從前面的分析可以看出，不管電流極引線多長，在接地系統(tǒng)和電流極之間都會存在一個電壓極的補償點的位置，該點對應的接地電阻即為該接地系統(tǒng)的真實接地電阻值。實際地網(wǎng)所處的土壤結構都是不均勻的，可以通過電阻率測量數(shù)據(jù)分析得到實際的土壤分層結構，對于給定距離的電流極，可以通過分析計算得到電壓極的補償點，作為電壓極的布置點，測量得到正確的接地電阻。并且對于任意距離的電流極，即使是距離很短的電流極，在地網(wǎng)和電流極之間都存在一個對應真實接地電阻的補償點，可以通過分析得到，這樣就能在短距離的電流極下，測量得到真實接地電阻值。測量儀器采用目前國際上比較常用的變頻測量技術，消除干擾電流的影響。

根據(jù)前面的討論提出的計算機輔助短電流極引線接地電阻測試該方案的實施框圖如圖4所示。

通過接地網(wǎng)的參數(shù)可以模擬出對當對接地網(wǎng)施加單點電流源一定幅值I下接地網(wǎng)對無窮遠處的地電位升（假設為V），然后繼續(xù)模擬當用電流線進行近距離放線時（這時施加的是一正一負兩點輸入的電流源，幅值也模擬為I），找出與接地網(wǎng)間電位也為V的等電位線l，記下此時的電流極位置，作為實際測試時的電流負極放置位置，并在等電位線l上選擇一個便于測量的位置作為實際測試時電壓極放置位置。

圖4計算機輔助短電流極引線測試方案

為了使模擬仿真與實際測試偏差更小，在模擬仿真中可以考慮到多層土壤環(huán)境下的情況。這里使用多電流注入點的接地系統(tǒng)分析程序精確仿真多層土壤中大型接地網(wǎng)接地電阻值由此可以獲得短距離測量時電壓極的精確位置，分析計算步驟如下：

（1）計算接地網(wǎng)在兩層土壤中的實際接地電阻和地電位升，此時沒有電流回流極，只在接地網(wǎng)上注入電流。也就是說，此時得到的接地電阻值不應受電流回流極的影響。

（2）計算有電流回流極，且在接地網(wǎng)注入電流的同時在電流回流極反向抽出電流時，接地網(wǎng)電流入地點與回流極之間連線上的地表電位。

（3）接地網(wǎng)電流入地點與回流極之間連線上的地表電位中，尋找其電位與地網(wǎng)電流入地點電位之間的電位差等于（1）中的地電位升的點，該點即為相應電流回流極位置所對應的電壓極位置。

6 結論

綜上所述，在測量變電站接地網(wǎng)接地電阻時，應盡量在了解接地系統(tǒng)附近土壤分層結構的基礎上，綜合考慮各方面的影響因素，選擇合理的電流極的引線及電壓極的布置位置及其相應的測量方法，并采取適當?shù)拇胧﹣頊p少各個環(huán)節(jié)的誤差，以獲得較準確的測量結果。本文針對變電站地網(wǎng)驗收和測試中存在的問題，采用電位降法進行了變電站接地網(wǎng)拓撲結構完整性分析，提出了計算機輔助短電流極引線接地電阻測試方案。

參考文獻：

［1］陳蕾，陳家斌.接地技術與接地裝置（第二版）［M］.中國電力出版社，2014年.

［2］李謙.電力系統(tǒng)接地網(wǎng)特性參數(shù)測量與應用［M］.中國電力出版社，2013年.

［3］秦雯.電工電子技術［M］.機械工業(yè)出版社，2013年.

［4］劉振亞.特高壓交流電網(wǎng)［M］.中國電力出版社，2013年.

［5］中國電力企業(yè)聯(lián)合會.交流電氣裝置的接地設計規(guī)范（GBT50065-2011）［J］.中國計劃出版社，2012年.