大型接地網(wǎng)工頻測(cè)量?jī)x器抗干擾能力評(píng)估研究

王 森,李志忠，胡曉暉，譚 波，時(shí)衛(wèi)東

(1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710100；2.武漢市康達(dá)電氣有限公司，湖北 武漢 430070；3.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100085)

電力系統(tǒng)中，接地網(wǎng)是保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要設(shè)備，為系統(tǒng)發(fā)生短路故障或遭受雷擊故障時(shí)提供電流泄放通道。因此，對(duì)接地網(wǎng)的安全性能評(píng)估顯得非常重要[1-4]。目前，接地網(wǎng)的安全性能評(píng)估需要基于接地網(wǎng)工頻特性參數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)，包括工頻接地阻抗、分流系數(shù)、跨步電位差、接觸電位差、電位梯度分布等[5-7]。

DL/T 475—2017《接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則》對(duì)接地網(wǎng)工頻測(cè)量?jī)x器的抗干擾能力提出了新的要求[8]，但是現(xiàn)行測(cè)量?jī)x器的示值誤差和抗干擾能力的評(píng)估缺乏有效方法及依據(jù)[9-11]。本文通過分析現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工況，并考慮不同測(cè)試儀的原理及結(jié)構(gòu)的差異性，基于黑盒原理[12]，提出了一種在試驗(yàn)室條件下，定量評(píng)估接地電阻、分流向量、地表電位差等參數(shù)的干擾抑制能力檢測(cè)方法。

1 工頻干擾的影響以及干擾抑制能力

1.1 工頻干擾抑制能力的總體要求

測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)影響結(jié)果的干擾分為工頻分量干擾以及高頻分量干擾。由于大型接地網(wǎng)測(cè)量?jī)x器測(cè)量的信號(hào)頻率范圍主要為45～55 Hz，對(duì)高頻干擾具有較強(qiáng)的抑制能力，因此影響測(cè)量結(jié)果的主要因素為現(xiàn)場(chǎng)工頻干擾。

假設(shè)被測(cè)參數(shù)的真實(shí)值為X，工頻干擾為Y，儀器測(cè)量值為Xm。通常測(cè)試儀器對(duì)工頻干擾進(jìn)行衰減抑制，但在測(cè)量信號(hào)中仍有工頻干擾殘余量y。此測(cè)量誤差用絕對(duì)改變量表示為Δ測(cè)，如式(1)所示；測(cè)量誤差的相對(duì)改變量為δ，如式(2)所示。

Δ測(cè)=Xm-X

(1)

(2)

當(dāng)測(cè)量值為接地電阻時(shí)，測(cè)量誤差Δ測(cè)與工頻地電壓殘余量y、試驗(yàn)電流Im的關(guān)系為：

(3)

當(dāng)測(cè)量值為分流向量或地表電位差時(shí)，測(cè)量誤差Δ測(cè)與工頻干擾電流/電壓殘余量y的關(guān)系為：

Δ測(cè)=Xm-X=y

(4)

測(cè)量?jī)x器對(duì)工頻干擾抑制倍數(shù)k可定義為工頻干擾Y與其參與量y之比，如式(5)所示：

(5)

干擾抑制能力的分貝數(shù)K可定義為：

(6)

在接地網(wǎng)工頻特性參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，干擾引起的改變量不超過真實(shí)值的5%～10%是可以接受的。則有：

(7)

因此，測(cè)量?jī)x器的干擾抑制能力k必須滿足：

(8)

基于干擾等效電路模型，在設(shè)定被測(cè)參數(shù)真實(shí)值為X的情況下，施加模擬工頻干擾，使被測(cè)儀器誤差改變值δ達(dá)到5%，記錄干擾幅值Y。由于Y、X、δ都是已知量，可以通過計(jì)算測(cè)量?jī)x器實(shí)際干擾抑制倍數(shù)k以及分貝數(shù)K，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量?jī)x器抗干擾能力的定量評(píng)估。

1.2 接地電阻測(cè)量地干擾電壓抑制能力

測(cè)量工頻接地電阻時(shí)，工頻干擾主要是大地中的不平衡零序干擾電流Id。其與試驗(yàn)電流Im疊加，造成測(cè)量誤差。地干擾電流Id流過被測(cè)接地電阻R，并在電壓極上形成工頻地干擾電壓Ud：

Ud=R×Id

(9)

如果測(cè)試儀對(duì)地干擾電壓抑制能力為kE，那么被衰減后的干擾電壓ΔU為：

(10)

則引起的電阻改變量ΔR為：

(11)

相對(duì)改變量δE為：

(12)

由式(12)可知，測(cè)試儀工頻地干擾抑制能力kE越強(qiáng)，試驗(yàn)電流Im越大，干擾引起的誤差越小。

由于接地電阻測(cè)量原理不同，測(cè)試儀輸出的試驗(yàn)電流也不同。通過施加模擬干擾電壓Vd，測(cè)量測(cè)試儀的實(shí)際輸出電流Im和干擾引起的電阻改變量ΔR，并采用式(13)計(jì)算測(cè)試儀的標(biāo)稱干擾抑制比kE：

(13)

測(cè)試儀標(biāo)稱干擾抑制比的分貝數(shù)KE可表示為：

KE=20×lgkE

(14)

測(cè)試儀在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的干擾抑制能力為標(biāo)稱干擾抑制能力與實(shí)際輸出試驗(yàn)電流的乘積。

1.3 分流向量測(cè)量干擾電流抑制能力

測(cè)量分流向量In時(shí)，流過柔性羅氏線圈的工頻干擾電流I0會(huì)引起測(cè)量誤差。如果測(cè)試儀的工頻電流抑制能力為kC，則工頻干擾電流ΔI及測(cè)量誤差δI分別為：

(15)

(16)

測(cè)試儀工頻地干擾抑制能力kC越強(qiáng)，試驗(yàn)電流Im越大，則干擾引起的誤差越小。測(cè)試儀的分流向量測(cè)量值及工頻電流抑制能力kC和分貝數(shù)KC分別為：

(17)

KC=20×lgkC

(18)

1.4 地表電位差測(cè)量干擾電壓抑制能力

測(cè)量地表電位差u時(shí)，測(cè)量誤差δu是由測(cè)量電極之間的工頻干擾電壓u0引起的。則殘余工頻干擾電壓Δu及測(cè)量誤差δu可表示為：

(19)

(20)

同理，測(cè)試儀的地表電位差測(cè)量及工頻電流抑制能力kP和分貝數(shù)KP可表示為：

(21)

KP=20×lgkP

(22)

2 干擾抑制能力試驗(yàn)室檢測(cè)方案

2.1 接地電阻地干擾抑制能力檢測(cè)方案

接地電阻地干擾電壓抑制能力試驗(yàn)接線如圖1所示。

圖1 接地電阻地干擾電壓抑制能力試驗(yàn)接線圖 Fig.1 Wiring diagram of voltage suppression capability test for grounding resistance

圖1中:RE為地網(wǎng)等效接地電阻；RC、RP分別為電流極和電壓輔助接地電阻。通過隔離可調(diào)工頻電壓源，可以模擬地干擾電壓。

此檢測(cè)方案與JJG 366—2004的檢測(cè)方案存在以下差異。

①RE需要使用大功率標(biāo)準(zhǔn)電阻，能夠承受被檢測(cè)試儀3～50 A的額定電流，且準(zhǔn)確度等級(jí)不低于0.2級(jí)，以滿足被檢測(cè)試儀精度為1%的要求。②在進(jìn)行干擾抑制能力試驗(yàn)時(shí)，RE的檢測(cè)點(diǎn)取值為0.1 Ω、0.2 Ω、0.5 Ω等，施加模擬干擾為5 V、10 V、20 V的電壓。只有采用以上電阻、電壓的組合，而非儀器量程的上限進(jìn)行干擾抑制能力試驗(yàn)，才能模擬現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的真實(shí)工況。③考慮在不同土壤電阻率情況下輔助電極可達(dá)到的接地電阻值，輔助接地電阻RC取值為50 Ω，RP取值為100 Ω，而非500 Ω～5 kΩ。

首先，設(shè)定等效接地電阻值RS，并記錄無干擾情況下儀器示值RX，按式(23)計(jì)算示值誤差ΔR。

ΔR=RX-RS

(23)

然后，通過50 Hz交流隔離可調(diào)恒壓源在EC、EP之間施加模擬干擾地電壓Ud；逐漸增大Ud，直至RX的改變量達(dá)到RE×5%，或達(dá)到Ud的最大值，記錄對(duì)應(yīng)的UX、ΔR及Im，按式(13)、式(14)分別計(jì)算被檢儀器的kE及其分貝數(shù)KE。

2.2 分流向量干擾抑制能力檢測(cè)方案

分流向量測(cè)量系統(tǒng)電流抑制能力檢測(cè)方案包括標(biāo)準(zhǔn)三相功率源以及被檢總電流測(cè)量裝置和分流向量測(cè)量裝置。分流向量干擾電流抑制能力試驗(yàn)接線如圖2所示。

圖2 分流向量干擾電流抑制能力試驗(yàn)接線圖 Fig.2 Wiring diagram of shunt vector interference current suppression capability test

標(biāo)準(zhǔn)三相功率源用于輸出試驗(yàn)電流，并可獨(dú)立調(diào)節(jié)電流極的各相角。三相電流輸出分別為總電流I1、分流向量電流I2和工頻干擾電流I3。被檢總電流測(cè)量裝置與分流向量測(cè)量裝置分別為主機(jī)和從機(jī)，需要通過無線通信交換數(shù)據(jù)或指令進(jìn)行工作，同時(shí)需要衛(wèi)星授時(shí)信號(hào)或者無線信號(hào)作為測(cè)量時(shí)的時(shí)間同步信號(hào)。主機(jī)與從機(jī)通過無線通信，將分流支路的電流幅值和相對(duì)時(shí)差返回至主機(jī)，通過計(jì)算獲得分流向量的幅值和相位，以完成分流向量的測(cè)量。分流向量測(cè)量范圍應(yīng)涵蓋20 mA～20 A，精度不低于2%。從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況來看，分流向量測(cè)量值不超過1 A，角度涵蓋0°～360°四個(gè)象限，常見的工頻干擾電流為1～20 A。因此，從工況要求考慮，檢測(cè)方案選取的分流向量干擾電流抑制能力試驗(yàn)功電流設(shè)定值如表1所示。

表1 分流向量干擾電流抑制能力試驗(yàn)功電流設(shè)定值 Tab.1 Shunt vector interference current suppression capability test power current setting value

將分流向量測(cè)量系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)三相功率源按圖2示例接線，按表1設(shè)置三相標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)源或被檢功率源輸出電流I1、I2。以I1為基準(zhǔn)相位，設(shè)定I2的相角為θI2-I1，I3輸出為0。分別記錄被檢測(cè)試儀與分流向量測(cè)量裝置的電流示值和相位示值，按式(24)、式(25)計(jì)算相關(guān)示值誤差。

ΔI=IX-IS

(24)

Δθ=θX-θS

(25)

在分流向量示值誤差試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇合適的I3，記錄被檢分流向量測(cè)量裝置的電流示值改變量ΔI，并按式(17)、式(18)分別計(jì)算分流向量干擾電流抑制比kC及其分貝數(shù)KC。

2.3 地表電位差干擾抑制能力檢測(cè)方案

地表電位差測(cè)試儀的干擾電壓抑制能力試驗(yàn)室檢測(cè)方案中，需要使用的標(biāo)準(zhǔn)裝置有標(biāo)準(zhǔn)功率源和標(biāo)準(zhǔn)分壓器。其中，標(biāo)準(zhǔn)分壓器模擬地表電位差，工頻隔離電壓源產(chǎn)生模擬的干擾電壓。地表電位差干擾電壓抑制能力試驗(yàn)接線如圖3所示。

圖3 地表電位差干擾電壓抑制能力試驗(yàn)接線圖 Fig.3 Wiring diagram of ground potential difference interference voltage suppression test

本檢測(cè)方案選取的模擬地表電位差和干擾電壓設(shè)定值如表2所示。將被檢地表電位差測(cè)試儀、標(biāo)準(zhǔn)功率源、分壓器以及工頻隔離電壓源按圖3接線。首先，設(shè)定工頻隔離電壓源輸出電壓為0，按表2設(shè)定模擬地表電位差US，記錄測(cè)試儀的示值UX，按式(26)計(jì)算示值誤差。

表2 地表電位差干擾電壓抑制能力試驗(yàn)電壓設(shè)定值 Tab.2 Test voltage setting value of ground potential difference interference voltage suppression ability test

ΔU=UX-US

(26)

在地表電位差示值誤差試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇合適的U0，記錄被檢地表電位差測(cè)試儀的ΔU，按式(21)、式(22)分別計(jì)算kP及KP。

3 干擾抑制能力試驗(yàn)及分析

3.1 檢測(cè)方法、設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)裝置

按相應(yīng)的檢測(cè)方案，對(duì)不同測(cè)量原理、不同結(jié)構(gòu)形式的大型接地網(wǎng)測(cè)量?jī)x器，進(jìn)行了示值誤差及干擾抑制能力的試驗(yàn)室檢測(cè)。

本研究選取了不同廠家的三套大型接地網(wǎng)測(cè)量?jī)x器。設(shè)備一是基于異頻法測(cè)量原理的集成一體式測(cè)試儀，可以測(cè)量接地電阻和阻抗，但無法測(cè)量分流向量和地表電位差；具有自動(dòng)測(cè)試流程，測(cè)試頻率為固定的45 Hz和55 Hz。設(shè)備二是基于異頻測(cè)量原理的分體式測(cè)試儀，由變頻恒流源，異頻電壓電流表及分流向量測(cè)試儀組成，可以獨(dú)立設(shè)定變頻恒流源及測(cè)量設(shè)備的工作頻率，并自動(dòng)完成接地電阻、阻抗、分流向量、地表電位差等參數(shù)的測(cè)量。設(shè)備三是基于工頻倒相增量法的測(cè)試儀，由工頻接地阻抗測(cè)試儀、分流向量測(cè)試儀、地網(wǎng)電壓測(cè)試儀等設(shè)備組成。其中，工頻接地阻抗測(cè)試儀既可以直接測(cè)量接地電阻、阻抗，又可以作為獨(dú)立工作的程控恒流源，配合完成分流向量、地表電位差等參數(shù)的測(cè)量。本文采用的試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)備信息如表3所示。

表3 試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)備信息 Tab.3 Laboratory standard equipment information

3.2 接地電阻地干擾抑制能力試驗(yàn)

首先，對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行接地電阻的示值誤差試驗(yàn)，將三種設(shè)備按照?qǐng)D1接線。在不施加工頻模擬干擾的情況下，首先將大功率標(biāo)準(zhǔn)電阻分別設(shè)置為0.1 Ω、0.2 Ω和0.5 Ω，開啟測(cè)試儀并設(shè)定其額定電流為3 A，進(jìn)行相關(guān)測(cè)試并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行地干擾電壓抑制能力試驗(yàn)。接地電阻地干擾電壓抑制能力試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表4。在示值誤差試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將接地電阻和模擬地干擾的電壓組合分別置為0.1 Ω/5 V、0.2 Ω/10 V和0.5 Ω/20 V，開啟測(cè)試儀并設(shè)定額定電流為3 A，進(jìn)行相關(guān)測(cè)試并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，并根據(jù)公式計(jì)算干擾電壓引起的示值改變量。按照相關(guān)公式，基于3 A電流計(jì)算干擾抑制比及其分貝數(shù)。

從表4中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，三個(gè)設(shè)備都具有不同程度的干擾抑制能力，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)不同干擾條件下接地電阻、阻抗的測(cè)試。相比誤差改變量，使用干擾抑制倍數(shù)或分貝數(shù)可以更直觀地反映不同測(cè)試儀器的干擾抑制能力。

表4 接地電阻地干擾電壓抑制能力試驗(yàn)數(shù)據(jù) Tab.4 Test data of voltage suppression ability of grounding resistance to ground interference

3.3 分流向量干擾電流抑制能力試驗(yàn)

對(duì)具有分流向量測(cè)量功能的不同測(cè)試設(shè)備，本研究進(jìn)行了分流向量示值誤差和干擾電流抑制能力的對(duì)比試驗(yàn)。首先，在不施加模擬工頻干擾電流的情況下，參照表1選取不同電流幅值及相位組合作為標(biāo)準(zhǔn)值，按照?qǐng)D2接入設(shè)備二與設(shè)備三，啟動(dòng)測(cè)試儀并記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)公式計(jì)算誤差。分流向量干擾電流抑制能力試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。在示值誤差試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分別施加1 A、5 A、10 A的模擬工頻干擾電流，開啟測(cè)試儀對(duì)不同測(cè)量設(shè)備進(jìn)行測(cè)試并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)；通過相關(guān)公式，計(jì)算干擾電流引起的示值改變量、干擾抑制比及其分貝數(shù)。

表5 分流向量干擾電流抑制能力試驗(yàn)數(shù)據(jù) Tab.5 Test data of shunt vector interference current suppression capability

從表5中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在無干擾情況下，設(shè)備二與設(shè)備三的測(cè)量誤差均滿足2%的精度要求。由此可知，在工頻干擾電流幅值逐漸增大的情況下，設(shè)備的測(cè)量誤差也隨之增大。設(shè)備二的誤差改變量為0.9～4.7 mA，相應(yīng)的干擾抑制倍數(shù)為1 100～2 100倍，分貝數(shù)為61～67 dB。設(shè)備三的誤差改變量為0.7～3.1 mA，相應(yīng)的干擾抑制倍數(shù)為1 400～3 200倍，分貝數(shù)為63～70 dB。由此可見，設(shè)備二和設(shè)備三都具有較強(qiáng)的干擾電流抑制能力。其抑制能力的差異可以通過干擾抑制倍數(shù)或其分貝數(shù)直觀地體現(xiàn)。

3.4 地表電位差干擾電壓抑制能力試驗(yàn)

對(duì)具有地表電位差測(cè)量功能的不同設(shè)備，本研究也進(jìn)行了地表電位差示值誤差和干擾電壓抑制能力的對(duì)比試驗(yàn)。首先，在不施加模擬工頻干擾電壓的情況下，參照表2選取不同地表電位差作為標(biāo)準(zhǔn)值，按照?qǐng)D3接入設(shè)備二與設(shè)備三，啟動(dòng)測(cè)試儀并記錄數(shù)據(jù)，通過相關(guān)公式計(jì)算誤差。地表電位差干擾電壓抑制能力試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 地表電位差干擾電壓抑制能力試驗(yàn)數(shù)據(jù) Tab.6 Test data of ground potential difference interference voltage suppression ability

在示值誤差試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分別施加10 mV、20 mV、50 mV、100 mV的工頻干擾電壓，開啟測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試并記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。計(jì)算干擾電壓引起的示值改變量、干擾抑制比及其分貝數(shù)。

從表6中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在無干擾情況下，設(shè)備二與設(shè)備三的測(cè)量誤差均滿足1%的精度要求。由此可知，在工頻干擾電流幅值逐漸增大的情況下，設(shè)備的測(cè)量誤差也隨之增大。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：設(shè)備二和設(shè)備三的誤差改變量均不超過0.2 mV，相應(yīng)的干擾抑制倍數(shù)為500～1250倍，相應(yīng)的分貝數(shù)在54～62 dB之間。由此可見，設(shè)備二和設(shè)備三的干擾電壓抑制能力相當(dāng)，可以通過干擾抑制倍數(shù)或其分貝數(shù)直觀地體現(xiàn)。

4 結(jié)論

本文通過分析測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)工況，同時(shí)考慮不同測(cè)試儀的原理及組成結(jié)構(gòu)的差異，基于黑盒原理提出一種在試驗(yàn)室條件下，定量評(píng)估接地電阻、分流向量、地表電位差等參數(shù)的干擾抑制能力檢測(cè)方法。同時(shí)，對(duì)不同廠家的幾種測(cè)量?jī)x器的干擾抑制能力進(jìn)行了試驗(yàn)室檢測(cè)，用干擾抑制倍數(shù)或其分貝數(shù)直觀描述了不同測(cè)量?jī)x器的實(shí)際抗干擾能力，驗(yàn)證了該方法的可行性與有效性。