晉北-南京±800kV特高壓直流輸電工程接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)測(cè)量環(huán)節(jié)干擾問(wèn)題分析

張青偉 宗萬(wàn)里 李 然 陳大鵬

（1. 許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司檢修分公司，浙江 義烏 310018；3. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司，南京 211100）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)高度發(fā)展，電力需求有了持續(xù)穩(wěn)定的增長(zhǎng)，特高壓直流輸電工程已經(jīng)成為解決電力資源配置的高效環(huán)保方式。晉北到南京±800kV特高壓直流輸電系統(tǒng)工程即為國(guó)家電力系統(tǒng)重點(diǎn)規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)“晉電下江南”的重要輸電通道，特高壓直流輸電工程中接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)為保證接地極線(xiàn)路可靠持續(xù)監(jiān)測(cè)的重要子系統(tǒng)，對(duì)于大地回線(xiàn)方式下的系統(tǒng)運(yùn)行有決定性的影響。通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)相關(guān)特高壓直流輸電工程資料，目前國(guó)內(nèi)針對(duì)接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)研究較少，對(duì)于引起接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)測(cè)量環(huán)節(jié)干擾的專(zhuān)項(xiàng)研究更少。本文主要對(duì)接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)測(cè)量環(huán)節(jié)干擾問(wèn)題進(jìn)行了分析，指出導(dǎo)致這一問(wèn)題的幾種因素，并針對(duì)性的提出工程解決措施，為今后中國(guó)特高壓直流輸電工程接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)的施工提供參考。本文提出的方案和措施已經(jīng)在晉北到南京特高壓直流輸電工程中實(shí)施，效果明顯[1-2]。

1 接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)原理及工程現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)試驗(yàn)情況

1.1 接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)原理

接地極線(xiàn)路阻抗監(jiān)視系統(tǒng)的原理是通過(guò)向接地極注入高頻交流電流，測(cè)量注入點(diǎn)的對(duì)地電壓。通過(guò)電流和電壓計(jì)算接地極線(xiàn)路上的阻抗，以此衡量接地極線(xiàn)路的工況。一個(gè)突然數(shù)量級(jí)的阻抗變化表明接地極線(xiàn)路處于開(kāi)路或者接地故障，然后接地極線(xiàn)路監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行告警，如圖1所示[3-5]。

晉南特高壓直流輸電工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)，按照原理圖進(jìn)行接線(xiàn)，其中圖1中的信號(hào)電纜即為測(cè)量電流傳輸電纜，HCM3000系統(tǒng)作為采樣主機(jī)，根據(jù)測(cè)量到的電流變化判斷接地極線(xiàn)路故障情況。尤其需要注意的是，本系統(tǒng)采用高頻交流信號(hào)，一般為13.95kHz，注入交流小電流幅值一般為100～200mA左右，因此測(cè)量環(huán)節(jié)干擾對(duì)接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)影響巨大，必須采取一系列措施消除或者降低測(cè)量環(huán)節(jié)的干擾。

圖1 接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)原理圖

工程實(shí)際中接地極阻抗就地柜放置在直流場(chǎng)中，包括圖1中的匹配變壓器部分及相關(guān)除濕傳感器加熱器等，實(shí)物接線(xiàn)如圖2所示。

圖2 接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)就地柜

1.2 工程現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)試驗(yàn)問(wèn)題

2017年4月，晉南特高壓直流輸電系統(tǒng)工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)記錄接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)測(cè)到的不同工況下接地極的阻抗數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

由表1數(shù)據(jù)可以看出，在系統(tǒng)閉鎖條件下，接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)測(cè)量的接地極阻抗實(shí)部和虛部波動(dòng)范圍很小，能夠準(zhǔn)確測(cè)出接地極入地點(diǎn)預(yù)先串接的標(biāo)準(zhǔn)電阻。但是在系統(tǒng)解鎖運(yùn)行后，測(cè)到的電阻數(shù)據(jù)實(shí)部虛部都有較大的抖動(dòng)，接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則告警判據(jù)如圖3所示。

表1 接地極阻抗數(shù)據(jù)

圖3 接地極阻抗異常判據(jù)

式中，R標(biāo)準(zhǔn)一般默認(rèn)為接地極線(xiàn)路入地點(diǎn)串聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)電阻；I標(biāo)準(zhǔn)一般提前會(huì)被調(diào)校為0；Z死區(qū)一般小于50Ω。

接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)測(cè)到的接地極線(xiàn)路阻抗在解鎖條件下波動(dòng)幅度過(guò)大，導(dǎo)致其告警判據(jù)動(dòng)作結(jié)果不能正確反應(yīng)接地極線(xiàn)路的故障工況，這對(duì)特高壓直流輸電系統(tǒng)的正常運(yùn)行存在重大隱患[6-9]。

2 接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)測(cè)量環(huán)節(jié)干擾因素分析

2.1 信號(hào)電纜接線(xiàn)方式

圖1中信號(hào)電纜從主控樓經(jīng)過(guò)換流變廣場(chǎng)到直流場(chǎng)，與強(qiáng)電電纜都在同樣電纜溝內(nèi)，距離大概280m，其中傳輸?shù)母哳l電流信號(hào)只有100～200mA，非常容易受到沿線(xiàn)強(qiáng)電信號(hào)干擾。

一般要求采用雙絞雙屏蔽線(xiàn)，其中要求外屏蔽層雙端接地，內(nèi)屏蔽層單端接地，保證對(duì)于高頻外部干擾和低頻外部干擾都有較好的防護(hù)效果。屏蔽層剝開(kāi)一定要在信號(hào)電纜兩側(cè)屏柜內(nèi)，否則過(guò)早剝開(kāi)會(huì)導(dǎo)致剝開(kāi)外漏的部分引入外部感應(yīng)干擾[10]。

2.2 接地極阻抗監(jiān)視就地柜接地方式

接地極阻抗監(jiān)視就地柜被放置于直流場(chǎng)，主要包括匹配變壓器及相關(guān)除濕傳感器和加熱裝置，是連接一次側(cè)接地極線(xiàn)路和二次側(cè)接地極阻抗檢測(cè)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。從圖2中可以看出，最初設(shè)計(jì)有兩個(gè)接地出線(xiàn)，圖中左側(cè)藍(lán)色出線(xiàn)一根去了接地極線(xiàn)一次回路路，另一根接到了直流場(chǎng)一次地網(wǎng)；另一個(gè)接地出現(xiàn)為圖2中的黃綠色細(xì)線(xiàn)，為行程開(kāi)關(guān)接地、匹配變壓器一次側(cè)接地和屏蔽層接地串聯(lián)起來(lái)，同樣引線(xiàn)接到直流場(chǎng)一次地網(wǎng)。

按照上面這樣的接地方式，接地極阻抗監(jiān)視就地柜在直流場(chǎng)一次地網(wǎng)上存在多點(diǎn)接地，不可避免的存在環(huán)流，干擾了接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)測(cè)量環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性[11]。

2.3 注波器參數(shù)

由接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)原理可知，系統(tǒng)將高頻小交流電流通過(guò)LC串聯(lián)注波器注入接地極線(xiàn)路上，要求注波器 LC參數(shù)能夠通交阻直（主要通過(guò)13.95kHz的交流電流），隔絕接地極線(xiàn)路上直流系統(tǒng)對(duì)接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)的影響。

但實(shí)際生產(chǎn)調(diào)試過(guò)程中，LC參數(shù)不可能理想化，接地極線(xiàn)路以及中性線(xiàn)上的直流系統(tǒng)也可能通過(guò)注波器對(duì)接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)測(cè)量環(huán)節(jié)產(chǎn)生干擾。

3 接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)測(cè)量環(huán)節(jié)干擾因素解決方法

1）信號(hào)電纜

按照設(shè)計(jì)要求，改進(jìn)了內(nèi)外屏蔽層接線(xiàn)方式，按照外屏蔽層雙端接地，內(nèi)屏蔽層單端接地。同時(shí)，將屏蔽層剝線(xiàn)處轉(zhuǎn)移到信號(hào)電纜兩側(cè)屏柜內(nèi)部，保證信號(hào)電纜始終處于良好的屏蔽保護(hù)下。

2）接地極阻抗監(jiān)視就地柜接線(xiàn)方式

接地極阻抗監(jiān)視就地柜裝置一次出線(xiàn)采用雙點(diǎn)接地方式，地網(wǎng)中存在的微弱環(huán)流會(huì)對(duì)接地極線(xiàn)監(jiān)視測(cè)量結(jié)果造成干擾，故調(diào)整接地極在線(xiàn)監(jiān)測(cè)一次側(cè)接線(xiàn)方式為一點(diǎn)接地：調(diào)整如圖4所示，接地極阻抗監(jiān)視就地柜裝置接地線(xiàn)從一次出線(xiàn)孔引出后，直接引至設(shè)備桿段接地端子，保證該引出點(diǎn)僅一點(diǎn)接地。

3）注波器參數(shù)校正

一般電容生產(chǎn)后電容固定，現(xiàn)場(chǎng)只能對(duì)電感進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得注波器的 LC參數(shù)能夠盡可能達(dá)到通交阻直并且最優(yōu)先通過(guò) 13.95kHz交流小電流的要求。串聯(lián)諧振頻率計(jì)算公式為

圖4 接地極阻抗監(jiān)視就地柜接地方式更改

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量電容器實(shí)際參數(shù)后，調(diào)節(jié)電感L的參數(shù)使其滿(mǎn)足諧振頻率f在13.95kHz。

4）二次控保程序調(diào)節(jié)

針對(duì)以上3種導(dǎo)致接地極阻抗監(jiān)視測(cè)量環(huán)節(jié)干擾因素被調(diào)整后，仍然會(huì)有小幅度的干擾，經(jīng)系統(tǒng)試驗(yàn)實(shí)際測(cè)試，此時(shí)測(cè)到的電阻在標(biāo)準(zhǔn)阻抗附近波動(dòng)范圍明顯變小，只有30Ω左右。

考慮到接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)告警延時(shí)為10s，阻抗死區(qū)范圍一般幾十Ω，相比較于直流系統(tǒng)中其他的控制保護(hù)部分，屬于慢速非精確系統(tǒng)，此時(shí)對(duì)一次側(cè)和測(cè)量環(huán)節(jié)再進(jìn)行進(jìn)一步的精確改進(jìn)已經(jīng)非常困難.在測(cè)量結(jié)果線(xiàn)路阻抗已經(jīng)大幅優(yōu)化情況下，可以考慮在二次控制保護(hù)程序中對(duì)相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，其中最有效的一種方法是，對(duì)60個(gè)執(zhí)行周期（每周期16ms）采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均值，以此數(shù)據(jù)作為PI控制器的輸入，如圖5所示。

圖5 60個(gè)周期平均值處理邏輯

4 結(jié)論

在晉南特高壓直流輸電工程中，系統(tǒng)試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)發(fā)現(xiàn)接地極阻抗監(jiān)視測(cè)得接地極線(xiàn)路阻抗數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，影響相關(guān)功能使用，嚴(yán)重影響系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的接地極線(xiàn)路故障工況監(jiān)測(cè)。針對(duì)影響其測(cè)量環(huán)節(jié)的幾個(gè)干擾因素進(jìn)行分析，提出有針對(duì)性的改進(jìn)方案，同時(shí)改進(jìn)二次控保程序控制器對(duì)相關(guān)測(cè)量信號(hào)量的優(yōu)化處理，最終實(shí)現(xiàn)了在接地極線(xiàn)路短路或者斷路時(shí)的故障工況的及時(shí)準(zhǔn)確檢測(cè)，系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)接地極線(xiàn)路短路工況下檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。接地極線(xiàn)路斷路工況下檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖6 接地極線(xiàn)路短路工況檢測(cè)結(jié)果

圖7 接地極線(xiàn)路斷路工況檢測(cè)結(jié)果

由此可知，經(jīng)過(guò)對(duì)接地極線(xiàn)路阻抗監(jiān)視系統(tǒng)測(cè)量環(huán)節(jié)的干擾進(jìn)行有效處理，極大地改善了系統(tǒng)監(jiān)視能力，同時(shí)在控保系統(tǒng)對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化處理，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠持續(xù)的對(duì)接地極線(xiàn)路工況進(jìn)行監(jiān)視。改進(jìn)后的接地極阻抗監(jiān)視系統(tǒng)已經(jīng)順利投入運(yùn)行，為晉北-南京±800kV特高壓直流輸電工程的穩(wěn)定可靠商業(yè)化運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

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