換流站接地網(wǎng)接地阻抗準(zhǔn)確測量研究

李艷鵬，晉 濤，李永祥

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

大型變電站的地網(wǎng)接地阻抗是否滿足設(shè)計(jì)要求，是關(guān)系變電站安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。接地網(wǎng)接地阻抗的準(zhǔn)確測量直接影響到接地網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量檢驗(yàn)的正確判斷，是評價(jià)接地裝置特性的有效手段。在實(shí)際接地阻抗測試中使用的有電位降法、直線法、夾角法和遠(yuǎn)離法，前3種方法受土壤電阻率均勻性影響很大，而遠(yuǎn)離法涉及的放線距離遠(yuǎn)，在實(shí)際使用中各有優(yōu)缺點(diǎn)。

1 接地阻抗測試原理

接地阻抗是電流經(jīng)接地裝置流入大地時(shí)接地網(wǎng)的電位和電流的比值?，F(xiàn)場測試地網(wǎng)接地阻抗一般采用三極法，通過在接地極與電流極之間施加電流，測量接地極和電壓極之間的電壓，最終計(jì)算得出接地阻抗值。以下是接地網(wǎng)接地阻抗的基本原理。

1.1 電位降法

電位降法是接地阻抗測試的基本方法。其原理是設(shè)置一個(gè)電流極固定不動，將電壓極沿著電流極與接地極的連線移動多次，用高阻電壓表測出接地裝置與電壓極之間的地表電壓，繪出接地網(wǎng)與電流極之間的電位降曲線，分析測量曲線，將測量曲線中的飽和段電壓近似作為接地裝置相對于無窮遠(yuǎn)處的電壓，找出曲線平坦段對應(yīng)的視在接地阻抗即為接地阻抗實(shí)際測量值。在實(shí)際測量工作中，電位降法需要反復(fù)多次測量，工作量大，電位降曲線繪制相對比較麻煩，現(xiàn)場檢測不易開展。

1.2 補(bǔ)償法

補(bǔ)償法是通過利用電流極的引入所造成的電場畸變使無窮遠(yuǎn)處的零電位面移至接地網(wǎng)G和電流極C之間，相對于零電位面所測得的接地阻抗即為接地網(wǎng)與電流極共同作用下的接地阻抗值，達(dá)到縮短測量引線長度和減少工作量的目的。補(bǔ)償法又分為直線法和夾角法。

直線法測試接線如圖1所示，三極分別為被測接地裝置G、測量用的電壓極P和電流極C。其中電流線長度dCG約為被測接地網(wǎng)最大對角線長度的4～5倍，電壓極到接地網(wǎng)的距離dPG約為電流極到接地網(wǎng)距離的50%～60%。測量時(shí)電壓極沿被測接地裝置G與電流極C的連線方向移動3次，每次移動的距離為dCG的5%左右，當(dāng)3次測試的結(jié)果誤差在5%以內(nèi)即可取測量值為接地阻抗值。

圖1 直線法的原理接線圖

1.3 遠(yuǎn)離法

補(bǔ)償法是基于均勻土壤得出的結(jié)論，在土壤結(jié)構(gòu)極不均勻的場合不宜采用。對于非均勻土壤條件下的接地阻抗測量，目前規(guī)程DL/T475推薦采用基于物理零電位點(diǎn)的遠(yuǎn)離法進(jìn)行測量。

在工程實(shí)際測量中，無法將電壓測量極布置到無窮遠(yuǎn)處，只能布置在距接地網(wǎng)一定距離、工程上能接受的地方。布線距離足夠遠(yuǎn)可以得到接近真實(shí)的接地阻抗值。

2 測試干擾因素分析

2.1 土壤電阻率的影響

接地阻抗是電流流經(jīng)接地裝置向地中散流時(shí)土壤所呈現(xiàn)的阻礙作用。當(dāng)在接地極注入一個(gè)電流I時(shí)，該電流將通過接地裝置向大地呈半球形散流，并最終流向無窮遠(yuǎn)處。若假設(shè)土壤電阻率均勻分布，土壤電阻率為ρ，接地裝置的半徑為r，則可得出接地裝置的阻抗

補(bǔ)償法包括直線法和夾角法，測試原理相同，以夾角法為例分析，其測量原理如圖2所示。

如圖2所示，E為等值半徑為r的接地裝置，C為電流極，P為電壓極。c為接地裝置E與電流極C的距離，p為接地裝置E與電壓極P的距離，θ為電壓極與電流極間的夾角。

圖2 夾角法測量原理圖

假設(shè)流入電極E的電流為正，則電流極流出電極E的電流為負(fù)，所以在電極E形成的電位差為

同理，電極E與電流極C在電壓極P處形成的電位差為

通過接地極E和電壓極P的電位差，計(jì)算得出接地阻抗為

補(bǔ)償法測試接地阻抗是在接地極為半球體和土壤電阻率相等的前提下得出的，對于接地極、電壓極和電流極土壤電阻率變化較大的情況，公式（1）、（2）和（3）均不成立，利用直線法和夾角法難以獲得準(zhǔn)確的接地阻抗測量結(jié)果。尤其是現(xiàn)場人工布線距離相比地網(wǎng)面積相差不大的情況，接地體散流也不能等效集中在接地極附近。

2.2 引線互感的影響

互感干擾是測試布線引入的干擾，現(xiàn)場測試使用異頻法能避免周圍工頻磁場的干擾，但仍存在電流測試引線在電壓線上引入的干擾。為了簡化分析，本文將測試布線回路等效為2個(gè)矩形平面，電流線和電壓線均布置在大地平面上，兩者之間的角度為θ，電壓線形成的回路平面面積為S1，電流線施加電流為I，如圖3所示。

由電磁場原理可知，距離導(dǎo)線距離為x的圓周上任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

式中，x為電流線至電壓回路投影平面的平均距離。

地中回流也可以等效為電流為I的導(dǎo)體，導(dǎo)體的鏡像深度與電流的穿透深度有關(guān)，受到土壤的分布結(jié)構(gòu)和成分影響?；亓鲗?dǎo)體的電流與電壓回路之間有互感，會在電壓回路上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，同樣依據(jù)公式（5）可以計(jì)算出互感，施加電流對電壓回路的互感由電流線及回流導(dǎo)體共同作用，其大小與電流在土壤中穿透深度、與電壓線及電流線布置的空間相對位置有關(guān)。

從圖3和公式5可以得出，地網(wǎng)測試時(shí)施加電流對電壓回路的互感耦合可以通過增加兩者的空間距離及角度θ來減小，兩者間的角度θ≥90°情況下，忽略接地極處地中電流方向的影響，電流對電壓回路的互感為零。

3 接地阻抗現(xiàn)場實(shí)測

±800 kV特高壓雁門關(guān)換流站接地網(wǎng)水平接地體的敷設(shè)深度按0.8 m設(shè)計(jì)，并通過2.5 m垂直接地體埋入凍土層以下。水平接地體選用150 mm2銅絞線。接地網(wǎng)最大邊長約為574.5 m和307.5m，最大對角線長度約為652 m，與接地網(wǎng)外圍連接有9口300 m接地深井，接地阻抗設(shè)計(jì)值為0.23 Ω。

表1 晉北站分層土壤電阻率

考慮到±800 kV特高壓雁門關(guān)換流站所在地區(qū)土壤電阻分層和接地網(wǎng)所處的土壤不均勻。本次試驗(yàn)采用遠(yuǎn)離法進(jìn)行測試，測試中用換流站接地極作為電流極，電流線長度約為71 km，用換流站外第17級直流線路桿塔地網(wǎng)作為電壓極，電壓線長度約為7.1 km，遠(yuǎn)大于接地網(wǎng)對角線長度，電流線電壓線間夾角約為90°?，F(xiàn)場測試的數(shù)據(jù)見表2。

表2 接地阻抗測試結(jié)果

4 結(jié)論

a)換流站接地網(wǎng)面積大，土壤電阻率分布不均勻，現(xiàn)場采用直線法和夾角法測試阻抗均為0.6 Ω，測試電阻為0.08 Ω，分析測試結(jié)果主要受測試方法和回路間互感的影響，直線法和夾角法在土壤電阻率不均勻的情況下，一是測試中已無法通過計(jì)算找到電壓的零位點(diǎn)，土壤電阻率均勻條件下的計(jì)算公式已不適用，二是受現(xiàn)場地理?xiàng)l件限制，人工布線很難保證電壓線與電流線的空間距離和角度，電流線對電壓線形成互感影響測試結(jié)果。

b)遠(yuǎn)離法測試接地阻抗可以克服土壤電阻率不均勻帶來的影響，但是要求電流極、電壓極與接地極三者距離足夠遠(yuǎn)，距離越遠(yuǎn)，引起的誤差越小，建議至少大于10倍的接地網(wǎng)對角線長度?，F(xiàn)場一般需要借助建成的輸電線作為電壓線和電流線，應(yīng)選擇兩者的角度大于90%，以排除互感的影響。此外，遠(yuǎn)離法還應(yīng)注意避免與電壓線、電流線交叉的帶電線路對測試的影響。

c)現(xiàn)場測試應(yīng)盡可能降低電流線回路的回路電阻，提高測試的信噪比。