變電站大地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試研究*

譚惠冰，吳從權(quán)，張 鵑

(江門(mén)市氣象局，廣東江門(mén) 529000)

0 引言

隨著城市的發(fā)展，大地網(wǎng)廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、變電站、換流站、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、光伏電站、儲(chǔ)能電站等不同行業(yè)，其接地阻抗值是表征接地系統(tǒng)安全性的一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者將不同行業(yè)的大地網(wǎng)測(cè)試作為研究的重點(diǎn)，如盧志紅等[1]對(duì)風(fēng)電場(chǎng)大地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試研究表明，接地極布線用0.618法、30°法是相當(dāng)合適的；康強(qiáng)[2]對(duì)城市軌道交通大地網(wǎng)接地電阻的測(cè)量技術(shù)進(jìn)行研究，提出短電流極引線測(cè)量方法；黃云等[3]應(yīng)用異頻法對(duì)淇澳大橋接地阻抗進(jìn)行測(cè)試，有效避免了高頻干擾、帶電運(yùn)作的線路、測(cè)量回路的互感、地中零序電流及地下導(dǎo)體對(duì)測(cè)量大型地網(wǎng)防雷接地裝置阻抗的影響；韋卓運(yùn)等[4]使用MI2127和MI2126接地電阻測(cè)試儀對(duì)電流極、電壓極輔助線在不同夾角θ下進(jìn)行多次接地電阻測(cè)量實(shí)驗(yàn)，研究得出，土壤電阻率越小，接地電阻最大值與最小值相差越小，而土壤電阻率越大，電阻降越大，接地電阻最大值與最小值相差越大，偏差越明顯。

本文分別運(yùn)用電流-電壓表三極法的直線法、30°夾角法、遠(yuǎn)離夾角法[5]對(duì)江門(mén)市220 kV杜阮變電站大地網(wǎng)接地阻抗進(jìn)行測(cè)試，分析這3種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為大地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 現(xiàn)場(chǎng)勘察

杜阮變電站地理坐標(biāo)為東經(jīng)112.99°，北緯22.64°，位于小山坡上，三面環(huán)山，正面是公路。1 km范圍內(nèi)年平均地閃密度>30次/(km2·年)，屬于強(qiáng)雷暴區(qū)。大地網(wǎng)尺寸為191.0 m×144.5 m，對(duì)角線長(zhǎng)(D)約為240 m。站內(nèi)設(shè)置主控室、10 kV配電裝置室、巡維中心等建筑物及4臺(tái)180 MVA主變壓器、220 kV出線6回、110 kV出線14回、10 kV出線30回、無(wú)功補(bǔ)償電容器4×5×8 016 kvar、電抗器4×1×8 016 kvar，裝機(jī)容量360 MW。

1.2 測(cè)試的基本要求

接地阻抗與土壤的潮濕程度密切相關(guān)[6-7]，應(yīng)盡量選擇在天氣干燥或土壤未凍結(jié)的季節(jié)，不應(yīng)在雷、雨中或地表溫度過(guò)高時(shí)進(jìn)行，也不能雨后立即進(jìn)行[8-12]。測(cè)試布線時(shí)，應(yīng)安排專人負(fù)責(zé)，避免車(chē)輛行使碾壓線路導(dǎo)致斷裂或人員觸碰導(dǎo)致傷亡情況的發(fā)生[13-14]。

本工程接地阻抗設(shè)計(jì)值要求≤0.5 Ω，優(yōu)先采用變頻電流法進(jìn)行大地網(wǎng)接地阻抗的測(cè)試，測(cè)試電流頻率宜為40—60 Hz，測(cè)試電流不宜小于3 A，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)若干擾大，可加大測(cè)試電流，同時(shí)需要特別注意測(cè)試安全。測(cè)試電流線和電位線均采用不小于2.5 mm2多股銅導(dǎo)線。

1.3 測(cè)試方法

本測(cè)試(G點(diǎn)為大地網(wǎng)測(cè)試點(diǎn))選用的電流線和電位線均為4 mm2多股銅線連接，電壓極P和電流極C打入的鐵樁為φ20金屬棒，長(zhǎng)1.5 m，打入地中深度為1.3 m，分別采用直線法、30°夾角法、遠(yuǎn)距離夾角法進(jìn)行對(duì)比分析。

1.3.1 直線法布線方式

電流線和電位線沿同一路徑布設(shè)的方法稱為三極法中的直線法，也稱為0.618法。測(cè)試中C極應(yīng)布置得盡量遠(yuǎn)，本測(cè)試中C極與被試大地網(wǎng)中心的放線長(zhǎng)度為該大地網(wǎng)對(duì)角線長(zhǎng)度的5倍，即dCG=5D=5×240 m=1 200 m，P極與被試大地網(wǎng)中心的放線長(zhǎng)度dPG=0.618dCG=0.618×1 200 m=742 m。分別于P、C極各打入一根鐵樁，如圖1所示。

圖1 三極直線法測(cè)試示意圖

Fig.1 Test diagram of three pole straight line method

兩線之間單位長(zhǎng)度互感阻抗根據(jù)公式(1)計(jì)算[5]：

(1)

1.3.2 30°夾角法布線方式

30°夾角法采用dCG和dPG相等的等腰三角形布線，θ約為30°，dCG=dPG≥2D，2D=2×240 m=480 m，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試選取放線長(zhǎng)度為500 m，利用GPS定位獲取C極和P極位置，如圖2a、2b。

1.3.3 遠(yuǎn)距離夾角法布線方式

遠(yuǎn)距離夾角法與30°夾角法相仿，要求夾角不宜小于30°，θ通常為45°以上。現(xiàn)場(chǎng)始端為測(cè)試引入點(diǎn)，電位線和電流線由變電站門(mén)口正對(duì)馬路引出，分別沿馬路左、右兩側(cè)進(jìn)行120°和170°布線，選取放線長(zhǎng)度為dCG=dPG=4.5D=1 080 m，在電流極打入5根鐵樁，形成一個(gè)環(huán)形小接地網(wǎng)，用金屬連接導(dǎo)線連成一個(gè)圓形閉合微型電流地網(wǎng)以減小回路電阻，如圖3a、3b所示。

圖2 30°夾角法測(cè)試示意圖

圖3 遠(yuǎn)距離夾角法測(cè)試示意圖

一般情況下，當(dāng)兩線夾角θ大于30°時(shí)，儀表的測(cè)試值并不是實(shí)際接地阻抗值，測(cè)試值小于實(shí)際值，必須將測(cè)試值按式(2)進(jìn)行修正[2]。

Z=

(2)

式中，θ為電流線和電位線的夾角，Z′為接地阻抗的測(cè)試值。

2 結(jié)果與分析

2.1 直線法

第1組試驗(yàn)：選用變頻法測(cè)試，從表1測(cè)試結(jié)果可以看出，接地阻抗值隨著測(cè)試電流和頻率的變化，測(cè)試結(jié)果變化不大，最大值與最小值相差僅0.68%，因此，變頻法測(cè)試接地阻抗值與測(cè)試電流、頻率無(wú)關(guān)，但測(cè)試結(jié)果比接地阻抗設(shè)計(jì)要求≤0.5 Ω偏大。綜合分析，考慮布線時(shí)電流、電位線布線方向一致，兩線之間距離太近，電流線中電流的流動(dòng)，耦合到電位線會(huì)產(chǎn)生干擾電壓，將疊加到所要測(cè)試的電壓上，因而產(chǎn)生測(cè)試誤差。

線間互感因素與兩線平行長(zhǎng)度和線間距離有關(guān)，隨著線間距離的不斷增大而互感阻抗值逐漸減小，表明電位線和電流線間的互感影響逐漸衰減。因此，消除線間互感因素的影響，必須加大兩線間距。

表1 變頻直線法接地阻抗測(cè)試值

Table 1 Test value of grounding impedance with frequency conversion linear method

測(cè)試電流Test current (A)測(cè)試頻率Test frequency(Hz)測(cè)試結(jié)果Test result (Ω)347.5/52.50.773 545/550.773 355/650.773 8447.5/52.50.773 845/550.773 155/650.773 6547.5/52.50.768 545/550.770 855/650.770 4

研究表明，當(dāng)兩線間距離增大到8 m及以上的距離時(shí)，線間互感因素對(duì)于結(jié)果的影響可以近似忽略不計(jì)[5]。故在實(shí)際測(cè)試中，盡量使電位線和電流線的間距在8 m以上，此時(shí)測(cè)量得到的感性部分可以認(rèn)為主要是地網(wǎng)本身結(jié)構(gòu)固有的感性分量引起的。

第2組測(cè)試：選用定頻法測(cè)試進(jìn)行對(duì)比，從表2測(cè)試結(jié)果可以看出，同一測(cè)試電流下，接地阻抗值隨著測(cè)試頻率的增加而增加；而同一頻率下，接地阻抗值隨著測(cè)試電流值增加而增加，測(cè)試結(jié)果誤差較大(圖4)。定頻法測(cè)試不能夠消除現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較差，因此判斷，定頻法不適用于大地網(wǎng)測(cè)試。

表2 定頻直線法接地阻抗測(cè)試值

Table 2 Test value of grounding impedance with constant frequency linear method

測(cè)試電流Test current (A)測(cè)試頻率Test frequency (Hz)測(cè)試結(jié)果Test result (Ω)3451.235551.264601.4364451.921552.096602.3765452.465552.635602.868

上述結(jié)果表明，在進(jìn)行變頻直線法測(cè)試時(shí)，注入地網(wǎng)電流值的增大和頻率的變化對(duì)于接地阻抗并無(wú)影響，但電流線和電位線之間由于距離太近產(chǎn)生互感致使測(cè)試結(jié)果偏大，其影響可以通過(guò)增大線間距離來(lái)消除。而定頻直線法測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較差，一般不建議用于大地網(wǎng)測(cè)試。

圖4 定頻測(cè)試電流、頻率對(duì)接地阻抗值的影響

Fig.4 Influence of constant frequency test current and frequency on ground impedance

2.2 30°夾角法

由于變頻法測(cè)試接地阻抗值與測(cè)試電流、頻率大小無(wú)關(guān)，以下測(cè)試均選用測(cè)試電流為5 A，變頻55/65 Hz，選取大地網(wǎng)中心點(diǎn)附近的4個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。

第3組測(cè)試：分別在C極和P極各打入一根鐵樁(圖2a)，由表3可以看出，測(cè)試結(jié)果較穩(wěn)定，誤差小，接近或且小于接地阻抗設(shè)計(jì)值。

表3 30°夾角法單樁測(cè)試接地阻抗值

Table 3 Measurement of grounding impedance value of single pile by 30° angle method

測(cè)試地點(diǎn)Test location單樁測(cè)試結(jié)果Test result of single pile (Ω)三樁測(cè)試結(jié)果Test resultof three piles (Ω)1#主變本體1# Maintransformer0.483 20.470 22#主變本體2# Maintransformer0.480 30.469 210 kV高壓室10 kV high voltage room0.481 80.469 8220 kV高壓場(chǎng)地220 kV high voltage site0.482 60.470 9

第4組測(cè)試：在電流極打入3根鐵樁，用金屬導(dǎo)線連成一個(gè)三角形回路(圖2b)，測(cè)試結(jié)果(表3)顯示，三樁電流極比單樁電流極的測(cè)試值小。

根據(jù)第3,4組測(cè)試數(shù)據(jù)，分析得出電流極與土壤的接觸面積增大，從而使接觸電阻變小，其測(cè)試值也就變小。

第3,4組測(cè)試結(jié)果表明，30°夾角法在測(cè)試中由于電位線和電流線具有一定的夾角，間隔距離較大，可有效避免線間互感因素的影響，測(cè)試結(jié)果比較準(zhǔn)確。但在實(shí)際操作中，由于地理?xiàng)l件的限制，放線困難，大多無(wú)法采用30°夾角法進(jìn)行測(cè)試。

2.3 遠(yuǎn)距離夾角法

第5組測(cè)試：同樣選用測(cè)試電流為5 A，變頻55/65 Hz，選取夾角θ≈120°，由表4可以看出，測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定，修正值小于0.5 Ω，接地阻抗值符合設(shè)計(jì)要求。

表4 遠(yuǎn)距離夾角法測(cè)試接地阻抗值

Table 4 Measurement of grounding impedance value by long-distance angle method

測(cè)試地點(diǎn)Test location120°夾角120° angle170°夾角170° angle測(cè)試結(jié)果Test result(Ω)修正值Correction value (Ω)測(cè)試結(jié)果Test result(Ω)修正值Correction value (Ω)1#主變本體1# Maintransformer0.356 20.423 10.338 00.405 52#主變本體2# Maintransformer0.360 30.427 90.340 40.408 410 kV高壓室10 kV high voltage room0.355 90.422 70.335 60.402 6220 kV高壓場(chǎng)地220 kV high voltage site0.368 10.437 20.336 80.404 1

第6組測(cè)試：測(cè)試電流和頻率同上，選取夾角θ≈170°，近似于反向法，由表6可以看出，對(duì)比夾角θ≈120°時(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果隨著測(cè)試夾角的增大測(cè)試值變小。

上述結(jié)果表明，遠(yuǎn)距離夾角法在接地網(wǎng)和電流極平面上任意角度都可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量，是克服土壤不均勻條件影響的最有效方法，因此，大地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試采用遠(yuǎn)距離夾角法是最適宜的。

3 結(jié)論

對(duì)江門(mén)市220 kV杜阮變電站大地網(wǎng)接地阻抗進(jìn)行的測(cè)試表明，電流-電壓表三極法的直線法、30°夾角法、遠(yuǎn)離夾角法這3種方法具有以下優(yōu)缺點(diǎn)：(1)變頻直線法測(cè)試接地阻抗值與測(cè)試電流、頻率無(wú)關(guān)，與兩線之間距離和兩線平行長(zhǎng)度有關(guān),定頻直線法測(cè)試結(jié)果誤差較大，不適用于大地網(wǎng)測(cè)試;(2)30°夾角法測(cè)試結(jié)果小于且最接近設(shè)計(jì)要求值，測(cè)試結(jié)果比較準(zhǔn)確，但在布線過(guò)程中會(huì)受到客觀條件的限制，一般不使用;(3)30°夾角法從電流極單樁到多樁測(cè)試，增大電流極與土壤的接觸面積，接地阻抗測(cè)試值變小;(4)從30°夾角法到遠(yuǎn)距離夾角法，電流線與電位線的夾角增大，接地阻抗測(cè)試值變小。鑒于此，大地網(wǎng)接地阻抗值與測(cè)試電流、頻率無(wú)關(guān)，而與互感系數(shù)、電流極和土壤的接觸面積以及電流線和電位線的夾角有關(guān)，因此在測(cè)試中，應(yīng)盡量增大電流極與土壤的接觸面積，增大電流線與電位線之間的距離，使測(cè)試結(jié)果接近或小于設(shè)計(jì)值。相比其他兩種方法，遠(yuǎn)距離測(cè)試法更符合要求。