大型接地裝置的工頻間隔波測量方法研究

何智強(qiáng)，李 欣，王麗蓉，胡曉暉，潘卓洪

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南 長沙 410007；2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；3.國網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司，湖南 長沙 410003；4.武漢市康達(dá)電氣有限公司，湖北 武漢 430070；5.華北電力大學(xué)河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003)

0 引言

在電網(wǎng)數(shù)字化和智能化發(fā)展的趨勢下，以監(jiān)控、測量、保護(hù)等為目的的弱電設(shè)備對接地可靠性提出了越來越高的要求[1]。評(píng)價(jià)接地系統(tǒng)性能的重要標(biāo)準(zhǔn)是其接地阻抗，即接地裝置對遠(yuǎn)方電位零點(diǎn)的阻抗[2- 3]。接地阻抗測量是接地系統(tǒng)驗(yàn)收的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是一項(xiàng)工作量較大的現(xiàn)場測試工作，受現(xiàn)場干擾[4]、地形和土壤電阻率[5]、布線路徑[6-7]、互感耦合[8-9]等多方面的因素影響，對測量儀器的精度和抗干擾性能有較高的要求。目前行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為工頻干擾是接地測量主要影響因素。為了應(yīng)對工頻干擾，常用工頻大電流法或異頻法進(jìn)行測量[10]。工頻大電流法是加大工頻試驗(yàn)電流以提高信噪比。異頻法是使用與工頻錯(cuò)開一個(gè)小頻差的試驗(yàn)電流并通過硬件軟件濾波，實(shí)現(xiàn)工頻干擾的消除。工頻大電流法和異頻法需要的試驗(yàn)電源較為笨重，整套測量裝置的售價(jià)高昂。

為了降低接地阻抗測量儀器的復(fù)雜性和制造成本，并提高儀器現(xiàn)場抗干擾的能力和工作的可靠性，本文提出了大型接地裝置的工頻間隔波測量方法。通過硬件實(shí)現(xiàn)間隔波電流輸出，通過數(shù)個(gè)周期測量信號(hào)的差分去噪以取得有效信號(hào)成分。本文先以算例從原理上分析了方法的有效性，并在某500 kV變電站的接地阻抗測量中實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。本文研究為接地測量及其裝備制造提供參考。

1 大型接地裝置的阻抗測量方法

在規(guī)程DL/T 475《接地裝置特性參數(shù)測量導(dǎo)則》中，規(guī)定大型接地裝置為：①110 kV及以上電壓等級(jí)變電站的接地裝置；②裝機(jī)容量在200 MW以上的火電廠和水電廠的接地裝置；③等效面積在5 000 m2以上的接地裝置[10]。根據(jù)電源類型，大型接地裝置的阻抗測量方法可分為異頻電流法和工頻大電流法兩種。

如果采用工頻電流測試接地裝置的工頻特性參數(shù)，DL/T 475要求采用獨(dú)立電源或經(jīng)隔離變壓器供電，并盡可能加大試驗(yàn)電流，試驗(yàn)電流不宜小于50 A，并應(yīng)特別注意試驗(yàn)的安全問題，如電流極和試驗(yàn)回路的看護(hù)。由于上述要求較為苛刻，為了降低測量儀器的容量和提高測量準(zhǔn)確度，DL/T 475推薦采用異頻電流法測試接地裝置的工頻特性參數(shù)。異頻測量法使用變頻電源，在偏離工頻的頻率下測試，接地網(wǎng)干擾經(jīng)過選頻濾波被消除，因而測量結(jié)果不受系統(tǒng)電源的影響，不會(huì)因接地網(wǎng)是否在運(yùn)行或干擾信號(hào)的存在而受到影響，可有效地消除工頻干擾。同時(shí)，選頻也消除了接地網(wǎng)中的高頻干擾。因此，選用異頻法測量接地網(wǎng)可有效消除干擾對測量結(jié)果的影響。

為保證測量結(jié)果盡可能反映接地網(wǎng)在工頻運(yùn)行條件下的特性，異頻法測量應(yīng)盡量在接近工頻的條件下測量，即所謂的“類工頻”測量?；诋愵l法的接地網(wǎng)特性參數(shù)測量設(shè)備有較高的技術(shù)要求，需要測量設(shè)備具有可變的電壓和電流測量通頻帶，還必須從硬件和軟件兩方面綜合考慮使設(shè)備達(dá)到較高的測量精度?；诋愵l法的測量設(shè)備具有較好的抗干擾性能，在現(xiàn)場得到了廣泛的應(yīng)用。

工頻大電流法和異頻法的共同缺點(diǎn)是試驗(yàn)電源較為笨重，而且整套測量裝置的售價(jià)高昂。測量大型接地裝置接地阻抗對電源的要求如表1所示。異頻法雖然具有較好的抗干擾能力，但其測量結(jié)果需要折算到工頻，會(huì)引入一定誤差。從減輕設(shè)備質(zhì)量、降低成本、提高直接測量準(zhǔn)確度的角度來說，有必要基于工頻電流研究新的測量方法，實(shí)現(xiàn)接地阻抗的工頻抗干擾直接測量。

表1 測量大型接地裝置接地阻抗對電源的要求

2 現(xiàn)場的噪聲分析

噪聲指現(xiàn)場所有干擾或擾亂有用信號(hào)的不期望的擾動(dòng)，包括人為造成的和自然界產(chǎn)生的干擾，以及由電系統(tǒng)材料和物理器件產(chǎn)生的自然擾動(dòng)。噪聲是一種隨機(jī)信號(hào)，在任何一瞬間都不能精確預(yù)知其大小。它由振幅隨機(jī)和相位隨機(jī)的頻率分量構(gòu)成。為了給新的工頻測量方法提供參考依據(jù)，在地鐵、電氣化鐵路牽引站、發(fā)電廠等不同接地網(wǎng)檢測現(xiàn)場采集實(shí)際干擾噪聲的波形并進(jìn)行分析。

圖1背景噪聲和頻譜功率密度示意圖。圖1(a)為地鐵牽引站接地阻抗測量的背景噪聲，圖1(b)為圖1(a)的頻譜功率密度。從數(shù)據(jù)及其頻譜分析的結(jié)果來看，地鐵牽引站進(jìn)行接地阻抗測量時(shí)會(huì)面臨非常嚴(yán)重的噪聲問題：首先是低頻段有連續(xù)頻譜噪聲的大干擾，反而工頻噪聲的功率密度并不大，奇次諧波干擾嚴(yán)重，甚至三次諧波的能量譜達(dá)到基波的10倍以上。

圖1(c)為電氣化鐵路牽引站進(jìn)行接地阻抗測量時(shí)的背景噪聲，圖1(d)為圖1(c)的頻譜功率密度。結(jié)果表明，電氣化鐵路牽引站進(jìn)行接地阻抗測量時(shí)會(huì)面臨較大的工頻噪聲。

圖1(e)為某大型火力發(fā)電廠接地阻抗測量時(shí)的背景噪聲，圖1(f)為圖1(e)的頻譜功率密度。結(jié)果表明，該發(fā)電廠進(jìn)行接地阻抗測量時(shí)會(huì)面臨幅值高達(dá)15 V的工頻噪聲。圖1(f)表明工頻噪聲是噪聲的主要成分，奇次諧波成分也較為豐富。

圖1 背景噪聲與頻譜功率密度示意圖

圖1表明，不同類型大型接地裝置接地阻抗測量現(xiàn)場的背景噪聲與頻譜功率密度呈現(xiàn)不同的特性，有的以工頻干擾為主，有的以低頻干擾疊加奇次諧波的形態(tài)呈現(xiàn)。另外，現(xiàn)場噪聲大部分情況下是相對穩(wěn)定的。地鐵和電氣化鐵路由于機(jī)車的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起短時(shí)突變的噪聲，但很快會(huì)恢復(fù)為相對穩(wěn)定的狀態(tài)。下面針對上述兩種情況進(jìn)行接地阻抗的工頻間隔波測量方法研究。

3 工頻間隔波測量方法的原理

工頻電流結(jié)合倒相法是DL/T 475中描述的一種工頻抗干擾方法[10]。其實(shí)施流程分三步：首先，不施加電流，測量干擾電壓U0；然后，分別施加試驗(yàn)電流I1，測量合成電壓U1；最后，將試驗(yàn)電流倒相-I1，測量合成電壓U2。通過兩次施加電流，三次測量電壓，通過式(1)計(jì)算得到接地阻抗。

(1)

三極法結(jié)合倒相法需要使用分立的調(diào)壓變壓器、電流表、電壓表、功率表等設(shè)備，還需要繁瑣的人工操作和計(jì)算，因此實(shí)際應(yīng)用起來比較麻煩。另外，由于零序電流的相位不確定，而且施加正相、倒相測試電流時(shí)，干擾電壓U0的幅值和相差可能發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致較大的測量誤差。

本文在“倒相法”的基礎(chǔ)上，運(yùn)用高速信號(hào)采集，程控恒流源和同步檢測等技術(shù)，提出工頻間隔波測量方法，其原理流程圖如圖2所示。首先，使用100 kHz采樣頻率對背景噪聲進(jìn)行基礎(chǔ)的測量和分析，確認(rèn)噪聲呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)不突變的情況，以避免非穩(wěn)態(tài)噪聲對測量結(jié)果造成的影響；然后，發(fā)送間隔周期的工頻正弦波電流，并基于同步檢測技術(shù)控制高速采集單元對連續(xù)周期進(jìn)行采樣；最后，基于采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間差分運(yùn)算，消除相對穩(wěn)定的背景噪聲后，對信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換(discrete Fourier transform，DFT)，得到有效電壓信號(hào)的幅值和相位，并計(jì)算得到接地阻抗。

圖2 工頻間隔波測量方法原理流程圖

間隔波測量是整個(gè)測量的核心環(huán)節(jié)。在確認(rèn)噪聲正常的情況下，在測量的主回路注入工頻試驗(yàn)電流。為了盡量提高輸出的測量電流，測量可使用升壓變壓器對市電進(jìn)行升壓。一般情況下，測試電源的頻率與背景噪聲中的工頻噪聲頻率完全一致，兩者僅幅值和相位有所區(qū)別。如果使用工頻電源連續(xù)測量的方式，則無法區(qū)分有效信號(hào)和工頻噪聲。

工頻間隔波電流輸出流程如下：偶數(shù)周波正弦電壓過零時(shí)通過程控恒源注入試驗(yàn)電流I到測量回路，1個(gè)周期后停止電流輸出，等待1個(gè)周期后到下一周波再注入試驗(yàn)電流I，如此循環(huán)。工頻間隔波電流I的表達(dá)式為：

(2)

式中:Am為有效電流信號(hào)的峰值；f為工頻；t為時(shí)間。

在I的激勵(lì)下，電壓極取得的測量信號(hào)U如式(3)所示：

(3)

式中:vm為有效電壓信號(hào)的峰值；f為工頻；t為時(shí)間。

令噪聲信號(hào)為U0=n(t)，根據(jù)間隔波的測量原理，在電壓極測量的信號(hào)s(t)如式(4)所示：

(4)

由式(4)可知，在奇數(shù)周波測量的信號(hào)為噪聲信號(hào)，在偶數(shù)周波測量的信號(hào)為噪聲與有效信號(hào)的疊加信號(hào)，相當(dāng)于將有效信號(hào)調(diào)制在噪聲信號(hào)中。高速采集單元同步于系統(tǒng)工頻，對電壓極信號(hào)連續(xù)采樣并按周期分組保存。無電流輸出的周期為奇數(shù)周期，有電流輸出的周期為偶數(shù)周期。為了消除背景噪聲，基于間隔周期對數(shù)據(jù)進(jìn)行差分運(yùn)算，以偶數(shù)周期s(t)為基準(zhǔn)周期，用前后相鄰的奇數(shù)周期數(shù)據(jù)，按式(5)進(jìn)行運(yùn)算，去除噪聲，解調(diào)得到工頻間隔波電流對應(yīng)的有效電壓信號(hào)s′(t′)。

s′(t′)=s(t)-0.5[s(t+T)+s(t-T)]

(5)

式中:s′為調(diào)制后的數(shù)據(jù)；t′為調(diào)制數(shù)據(jù)的時(shí)間量；T為工頻周期時(shí)間。

在噪聲相對穩(wěn)定的情況下，間隔周期噪聲的幅值、相位基本相同，因此式(5)可以較好地剔除噪聲，獲得有用信號(hào)。對解調(diào)得到的電壓信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉分析，可以得到電壓信號(hào)的幅值|s|和相位差θS，除以間隔波電流信號(hào)I，便可得到接地阻抗測量值，如式(6)所示：

(6)

4 現(xiàn)場實(shí)測與驗(yàn)證

工頻間隔波測量方法的測量結(jié)果如圖3所示。為了驗(yàn)證工頻間隔波測量原理的有效性，將現(xiàn)場采集的噪聲信號(hào)依據(jù)間隔波測量原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，把圖1中的噪聲信號(hào)在空載情況下采用間隔波進(jìn)行去噪可以得到剩余噪聲，采用式(5)去噪之后，圖3(a)、圖3(c)和圖3(e)的殘余噪聲是原始噪聲的1/100～1/1 500，說明去噪效果可達(dá)40～64 dB。

通過注入一個(gè)虛擬的測量電壓信號(hào)(下文取0.141sin100t)可分析工頻間隔波方法的測量性能，結(jié)果見圖3(b)、圖3(d)和圖3(f)。對圖3(b)、圖3(d)和圖3(f)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅里葉分析得到有效信號(hào)的幅值和相位偏差。以噪聲最嚴(yán)重的圖3(f)為例，測量取得的工頻電壓信號(hào)幅值誤差僅為0.31%，相位誤差為-0.24°，測量精度完全滿足規(guī)程DL/T 475的要求。

根據(jù)工頻間隔波方法的測量原理研制了測試儀器的樣機(jī)，工頻間隔波測量儀器的輸出電流波形如圖4所示。并在變電站與異頻法測試設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證。選取某500 kV變電站進(jìn)行間隔波測量方法的現(xiàn)場驗(yàn)證。測量對象為一個(gè)長270 m、寬220 m、對角線350 m的接地系統(tǒng)。由于現(xiàn)場限制，測量布線選用遠(yuǎn)離夾角法進(jìn)行，布線夾角約為110°，滿足規(guī)程關(guān)于遠(yuǎn)離夾角法的要求。

圖3 工頻間隔波測量方法的測量結(jié)果

圖4 工頻間隔波測量儀器的輸出電流波形

為了對比間隔波測量方法的有效性，現(xiàn)場使用異頻法(測量頻率為53 Hz，儀器為紅相接地阻抗測量系統(tǒng))作測量對比。測量過程中選取了不同的測量點(diǎn)，兩種測量方法的輸出電流均為3 A(有效值)，測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 間隔波與異頻法的測量結(jié)果對比

結(jié)果對比表明，間隔波的測量數(shù)據(jù)無論是模值還是相角均比較穩(wěn)定，而且和異頻法的測量結(jié)果一致。初步現(xiàn)場運(yùn)用的情況表明間隔波的測量方法是一種有效的測量方法。

與工頻電流大電流測量方法不同，間隔波可以通過“市電+隔離調(diào)壓變”的方式供電，可有效降低試驗(yàn)電流和設(shè)備成本。目前，間隔波的樣機(jī)中需要引入高速的采樣單元、電力電子開關(guān)及其控制電路。這部分的裝置和元件都是比較成熟的，設(shè)備增加的成本并不高。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，接地阻抗測量裝置也需要向輕型化和智能化的方向發(fā)展。在有效降低測量回路阻抗和提高儀器測量精度的情況下，間隔波測量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的輕型化。假設(shè)電流極的接地電阻降到20 Ω，以3 A的測量電流輸出為例，儀器的輸出電壓可以降低到數(shù)十V，電源容量要求也大大降低。另外，通過良好的硬件降噪技術(shù)可以進(jìn)一步提高測量儀器的信噪比，從而降低對試驗(yàn)電流的要求。

5 結(jié)論

針對使用工頻電流測量接地阻抗時(shí)要求使用大電流輸出的缺點(diǎn)，本文提出了一種間隔波接地阻抗測量方法，所得結(jié)論如下。

①間隔波方法通過同步的高速采集單元和可控高速電力電子開關(guān)，將工頻測量電源在間隔工頻周期內(nèi)斷開，通過相鄰信號(hào)的前后向差分可有效壓制現(xiàn)場噪聲。

②從原理上分析了間隔波方法有效性，在現(xiàn)場測量了不同類型的強(qiáng)干擾噪聲并分析了它們的波形參數(shù)和特征。通過仿真算例證明了本文方法的有效性，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)間隔波測量接地阻抗的樣機(jī)。

③在某500 kV變電站的接地阻抗測量中實(shí)現(xiàn)了間隔波測量方法的應(yīng)用，并與異頻法作對比。結(jié)果表明，間隔波的測量數(shù)據(jù)的模值和相角和異頻法的測量結(jié)果一致，證明間隔波方法是一種有效的接地阻抗測量方法。

本文方法開啟了接地阻抗現(xiàn)場測量和儀器研發(fā)的新思路，可以有效降低測試電源的容量，從而實(shí)現(xiàn)裝備的輕型化和智能化。