周大東，王 玲，趙振威，王東燁，邵建康

（1.錦州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，遼寧 錦州 121000；2.國(guó)網(wǎng)本溪供電公司，遼寧 本溪 117000；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；4.上海大帆電氣設(shè)備有限公司，上海 201109）

接地網(wǎng)地線分流向量的測(cè)量

周大東1，王 玲2，趙振威3，王東燁3，邵建康4

（1.錦州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，遼寧 錦州 121000；2.國(guó)網(wǎng)本溪供電公司，遼寧 本溪 117000；3.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；4.上海大帆電氣設(shè)備有限公司，上海 201109）

通過使用基于無線傳輸相位差比較方法和強(qiáng)抗千倍干擾選頻測(cè)量技術(shù)，能在千倍工頻干擾下對(duì)桿塔的分流向量進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量，能準(zhǔn)確有效剔除接地測(cè)量過程中分流成分，提高接地網(wǎng)接地阻抗測(cè)量的準(zhǔn)確度，為保證電力系統(tǒng)在雷擊或短路故障下的安全運(yùn)行和人員的安全具有重要的意義。

接地網(wǎng)；地線分流；接地阻抗；分流向量；抗千倍干擾

接地阻抗測(cè)量過程中，對(duì)地網(wǎng)注入工頻或異頻交流電流信號(hào)，電流通過電流線、電流極、大地和接地網(wǎng)形成電流回路，如果接地網(wǎng)是獨(dú)立的，測(cè)試的電流信號(hào)將通過接地網(wǎng)全部散流到大地中，如果接地網(wǎng)與其他接地體存在電氣連接，這時(shí)部分電流信號(hào)將通過這些接地體流出，而從接地網(wǎng)散流到大地的測(cè)試電流將減小，將通過與被測(cè)電網(wǎng)連接的金屬接地體流出的電流稱為地線的分流［1－5］。

由于地線分流的存在，部分測(cè)試電流通過金屬導(dǎo)體流出，這時(shí)導(dǎo)致接地阻抗的測(cè)量值偏小。變電站內(nèi)的避雷線和兩端接地電纜的金屬屏蔽層是主要的分流源。大量的現(xiàn)場(chǎng)接地阻抗測(cè)量結(jié)果表明，分流影響能達(dá)到20%～80%，對(duì)接地阻抗測(cè)量影響很大。

如何在存在分流的情況下對(duì)接地阻抗進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量是一個(gè)難題，目前實(shí)際測(cè)量過程主要通過解除接地線與接地網(wǎng)的連接和對(duì)地線分流進(jìn)行測(cè)量?jī)煞N方法解決。

對(duì)于解除接地線與接地網(wǎng)的連接。變電站內(nèi)避雷線一般與地網(wǎng)之間通過跳線連接，斷開跳線可實(shí)現(xiàn)解除架空地線與接地網(wǎng)之間的連接。光纖復(fù)合架空地線（OPGW）和一些其他單獨(dú)的接地線，由于其結(jié)構(gòu)和安裝特點(diǎn)無法與地網(wǎng)隔離。一些使用電纜做進(jìn)線或出線的現(xiàn)場(chǎng)，在變電站已投運(yùn)的情況下，解除其接地屏蔽層存在很大的安全問題，一般不會(huì)執(zhí)行［6－7］。

對(duì)地線分流進(jìn)行測(cè)量。由于解開地線的連接存在很大的困難，只能采取測(cè)量分流的辦法，去除地線分流的影響，得到準(zhǔn)確的接地阻抗值。目前基本采用羅氏線圈來測(cè)量分流的大小，從注入地網(wǎng)的總電流中減去分流的大小，得到實(shí)際注入地網(wǎng)的電流值。但由于分流電流與測(cè)試電流存在相位差，該方法只測(cè)量了分流的大小，而沒有測(cè)量分流的方向，仍存在一定的誤差，甚至可能出現(xiàn)分流模值的總和大于注入地網(wǎng)測(cè)試電流邏輯錯(cuò)誤的情況［8－10］。

本文使用無線傳輸相位差比較法和強(qiáng)抗干擾選頻測(cè)量技術(shù)，對(duì)地線分流向量進(jìn)行測(cè)量。首先采樣測(cè)試電流的波形信息，通過無線傳輸方式將其傳輸?shù)綀?chǎng)區(qū)各地，然后使用抗千倍干擾的無線分流測(cè)量單元接收該信號(hào)，配合柔性羅氏線圈采樣構(gòu)架中分流的大小和波形，將兩者的波形進(jìn)行比較，從而得到分流的大小和相位，實(shí)現(xiàn)對(duì)分流向量的準(zhǔn)確測(cè)量。

1 分流向量測(cè)量原理

如圖1所示，從構(gòu)架上引出的架空避雷線將全部的輸電桿塔接入被測(cè)地網(wǎng)，同時(shí)兩端接地的高壓電纜其金屬屏蔽層相當(dāng)于地線，將被測(cè)地網(wǎng)對(duì)側(cè)的桿塔或配電變壓器接入，這樣將大大改變被測(cè)地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)被測(cè)電流造成分流。在對(duì)被測(cè)地網(wǎng)的接地阻抗測(cè)量時(shí)如果未剔除分流的影響，將使其接地阻抗的測(cè)量結(jié)果偏小。

圖1 變電站地線分流對(duì)接地阻抗測(cè)試影響示意圖

如圖2所示，電流I0為在地網(wǎng)中注入的測(cè)試總電流，一部分電流I2通過接地網(wǎng)的接地扁鐵直接散流向大地，另外一部分電流I1通過與地網(wǎng)連接的金屬構(gòu)架和兩端接地電纜的屏蔽層流走，這時(shí)電流I1回路中由于有分流地線的存在，產(chǎn)生了分流，電流I1可能只有一部分通過避雷線和電纜的屏蔽層流向大地，產(chǎn)生分流電流I4，其他部分電流則通過金屬構(gòu)架環(huán)流回到接地網(wǎng)，這時(shí)通過地網(wǎng)實(shí)際散流到大地的電流為I5［11］。

圖2 異頻電流地網(wǎng)散流模型

對(duì)分流電流I4進(jìn)行測(cè)量，理論上講，應(yīng)到出線構(gòu)架頂端向外處測(cè)量避雷線和OPGW光纖地線的分流信號(hào)。由于一般避雷線的出線點(diǎn)位于構(gòu)架的頂端，考慮到實(shí)際操作中人員的安全，一般直接在地面構(gòu)架上進(jìn)行測(cè)量。對(duì)電纜屏蔽層的分流測(cè)量也是同樣的原理。

實(shí)際測(cè)量過程中，由于接地桿塔與接地網(wǎng)之間存在電感分量，這時(shí)地線的分流電流與測(cè)試電流之間存在相位差，不能簡(jiǎn)單進(jìn)行模值相加，需要對(duì)分流電流的向量進(jìn)行測(cè)試。如圖2所示，假設(shè)構(gòu)架上的電流｜I1｜和｜I3｜方向都是往外流，分流的計(jì)算則非常簡(jiǎn)單，分流大?。麵4｜＝｜I1｜＋｜I3｜。而實(shí)際上電流I1和I3與測(cè)試電流I0間存在相位差，這時(shí)如果電流I4還是簡(jiǎn)單使用I1和I3模值相加的話，電流I4的計(jì)算值將大于實(shí)際值，修正計(jì)算出的接地阻抗值大于真實(shí)值。同時(shí)在大型變電站中，金屬構(gòu)架非常復(fù)雜，由于各個(gè)構(gòu)架與地網(wǎng)的連接點(diǎn)之間并非等電位，相互之間存在電位差，這樣在構(gòu)架之間將形成環(huán)流，如圖1所示，假設(shè)在構(gòu)架之間存在環(huán)流，電流I1一部分是通過地線分流出去產(chǎn)生分流電流I4，而另外一部分電流I3通過其他的金屬構(gòu)架環(huán)流回到地網(wǎng)，如果將這部分環(huán)流回到地網(wǎng)的電流也計(jì)入分流，將放大分流系數(shù)，增加測(cè)量的誤差，甚至可能出現(xiàn)分流測(cè)量值的模值和大于總的測(cè)試電流［12－18］。

2 分流向量的準(zhǔn)確測(cè)量

通過使用DF9600接地及分流向量測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。如圖3所示，用變頻信號(hào)源通過耦合變壓器隔離升壓，對(duì)地網(wǎng)注入一個(gè)異頻電流Im，并在測(cè)量全程中保持該電流穩(wěn)定。利用電流互感器對(duì)注入的測(cè)試電流取樣，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換及選頻濾波運(yùn)算處理，得到測(cè)試電流的波形和相位信息，將該相位定義為基準(zhǔn)相位，即零相位。將該基準(zhǔn)相位信息無線發(fā)射出去，遠(yuǎn)端無線分流測(cè)量單元內(nèi)置有無線接收裝置，可無線接收到該相位數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)處理后送入無線分流測(cè)量單元的CPU。

圖3 分流測(cè)量示意圖

同時(shí)無線分流測(cè)量單元另一個(gè)端口接長(zhǎng)度為300 mm以上的羅氏線圈，圈住與架空地線相連的桿塔，采樣取得桿塔上的分流電流信號(hào)；經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換及選頻濾波運(yùn)算處理，排除50 Hz及其他干擾，提取出異頻電流的波形信息，送入CPU。CPU進(jìn)行分流電流相位與無線接收到的測(cè)試電流相位比較，得到該基桿塔分流的大小和相位差，即可得到該基桿塔分流的向量。

根據(jù)上述方法，測(cè)量變電站內(nèi)所有與架空地線相連的桿塔上的分流及交聯(lián)電纜外護(hù)套上的分流，得到各分流的向量。將所有分流向量進(jìn)行復(fù)數(shù)相加求向量和，則可得到整體的地線分流值。將測(cè)試電流方向作為基準(zhǔn)，將其波形通過無線傳輸方式傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的各個(gè)位置，使用抗千倍干擾的無線分流測(cè)量單元接收該信號(hào)，并使用羅氏線圈測(cè)量構(gòu)架上分流電流的大小和波形，將兩者的波形進(jìn)行比較，即得到分流向量的大小和相位［19－21］。

使用該方法測(cè)量存在以下難點(diǎn)。

a.現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)烈工頻干擾對(duì)測(cè)量的影響

我國(guó)絕大多數(shù)電氣設(shè)備運(yùn)行于50 Hz工頻交流電壓下，電網(wǎng)存在很強(qiáng)的50 Hz干擾，因此，在高壓變電站現(xiàn)場(chǎng)一些微弱的測(cè)試信號(hào)因50 Hz強(qiáng)干擾而難以測(cè)量，往往帶來很大的誤差甚至無法測(cè)量。為解決現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)烈工頻干擾問題，目前大型地網(wǎng)的測(cè)量越來越多采用異頻法測(cè)量。通過對(duì)地網(wǎng)注入異于工頻而又接近工頻的測(cè)試電流，一般為45～55 Hz，這樣既能有效濾除50 Hz干擾，又能與工頻具有很好的等效性。

使用異頻法測(cè)試?yán)碚撋峡杀苊?0 Hz干擾帶來的影響，但最大的技術(shù)困難在于如何排除比異頻信號(hào)（以53 Hz為例）大很多倍的50 Hz干擾而準(zhǔn)確測(cè)量。在某些干擾比較大的測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，出線構(gòu)架中50 Hz工頻干擾電流可能比53 Hz分流信號(hào)大千倍，相當(dāng)于被測(cè)異頻分流僅50 mA，而構(gòu)架中的工頻干擾能達(dá)到50 A，此時(shí)干擾信號(hào)是被測(cè)信號(hào)的千倍，如何在千倍的干擾下對(duì)異頻信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量是一個(gè)難題。

通過使用很長(zhǎng)的柔性羅氏線圈采樣現(xiàn)場(chǎng)出線構(gòu)架中的分流信號(hào)，配合一種異頻弱電流無線分流測(cè)量單元對(duì)采樣的分流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，由于其具有高精度、高分辨率和極強(qiáng)的抗干擾能力，能在千倍工頻干擾下準(zhǔn)確測(cè)量羅氏線圈采樣到的微弱異頻信號(hào)。無線分流測(cè)量單元采用復(fù)雜的硬件系統(tǒng)和軟件算法，抗干擾能力極強(qiáng)，可在50 Hz干擾信號(hào)幅值比被測(cè)異頻信號(hào)幅值大千倍的情況下，仍能準(zhǔn)確測(cè)量異頻信號(hào)。

b.分流向量相位的準(zhǔn)確測(cè)量

基準(zhǔn)波形信號(hào)在無線傳輸過程中，由于存在信號(hào)延時(shí)，將影響相位的準(zhǔn)確測(cè)量。無線信號(hào)在空氣中的傳播是以光速進(jìn)行，因此，數(shù)據(jù)在空氣中的傳輸時(shí)間可忽略，信號(hào)的延時(shí)主要來自于兩處信號(hào)的采樣計(jì)算、信號(hào)的發(fā)射接收、數(shù)據(jù)的處理和干擾的濾波計(jì)算等過程。為此專門研發(fā)了一套運(yùn)算軟件，能對(duì)這些延時(shí)進(jìn)行修正和補(bǔ)償，通過在實(shí)驗(yàn)室大量試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，其精度完全滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量要求。

c.羅氏線圈測(cè)量小電流信號(hào)

由于分流測(cè)量過程中，需要對(duì)體積大、形狀不規(guī)則的導(dǎo)體（如大型的金屬構(gòu)架、輸電桿塔等）電流進(jìn)行采樣，目前普遍采用長(zhǎng)的柔性羅氏線圈。通常羅氏線圈的變比較大，常見的Rogowski線圈原始信號(hào)變比為1 000 A／50 mV左右，常用來測(cè)量比較大的電流。而現(xiàn)場(chǎng)分流的大小一般只有mA級(jí)的電流，金屬構(gòu)架中的工頻干擾電流可能達(dá)到數(shù)A甚至數(shù)十A。如當(dāng)被測(cè)的異頻信號(hào)為100 mA時(shí)，羅氏線圈的原始感應(yīng)信號(hào)僅為5 μV，這就要求測(cè)量設(shè)備有很高的測(cè)量精度和分辨率，同時(shí)對(duì)測(cè)量設(shè)備的抗干擾能力提出了很大的挑戰(zhàn)。

采用能抗千倍干擾、高精度、高分辨率的選頻測(cè)量裝置及國(guó)際最新的智能式選頻抗干擾技術(shù)，使用高性能的CPU和先進(jìn)的干擾頻譜分析軟件，通過頻譜運(yùn)算，能在千倍工頻干擾下，準(zhǔn)確測(cè)量出指定頻率的微弱信號(hào)。

3 實(shí)施案例

某500 kV變電站使用DF9600系統(tǒng)進(jìn)行接地阻抗和分流測(cè)試。該變電站接地網(wǎng)對(duì)角線D≈900 m，電壓極和電流極距接地網(wǎng)邊緣均為2 000 m（≈2D），夾角為30°，帶避雷線的接地阻抗測(cè)量值Z0為0.327 3 Ω。

對(duì)地網(wǎng)注入47 Hz、10 A的測(cè)試電流，保持測(cè)試電流穩(wěn)定，并將其相位信息無線傳輸至場(chǎng)區(qū)各處，采用羅氏線圈測(cè)量各處構(gòu)架分流，得到分流向量數(shù)據(jù)如表1所示。

從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)試電流在各處的分流呈現(xiàn)明顯的相角差異性，其中存在明顯的環(huán)流成分，如第4項(xiàng)和第8項(xiàng)，即測(cè)試電流并非總是流出地網(wǎng)，也會(huì)在構(gòu)架之間形成環(huán)流，需要將環(huán)流成分甄別并剔除。

表1 分流測(cè)量結(jié)果

通過向量求和運(yùn)算得到分流向量和為6.530 A∠－159.7°，為便于比較，計(jì)算分流代數(shù)和為12.69 A，超過測(cè)試電流的大小，驗(yàn)證了不能只測(cè)量分流模值大小。將測(cè)試電流參考向量（10 A∠0°）與分流向量和再進(jìn)行向量求和計(jì)算，得到地網(wǎng)實(shí)際散流的電流向量為4.489A∠－30.3°，地網(wǎng)實(shí)際散流電流為測(cè)試電流的44.89%。

計(jì)算得地網(wǎng)實(shí)際接地阻抗為

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量表明，DF9600系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力和很高的精度，所測(cè)一根構(gòu)架上的50 Hz電流工頻干擾為21.2 A，而53 Hz異頻測(cè)試分流僅為28.2 mA∠－152.8°，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)這種750多倍強(qiáng)干擾下的分流大小和相位測(cè)量準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證：柔性羅氏線圈的纏繞構(gòu)架的方向反向后所測(cè)相位為27.3°，2次相位值相差180.1°，表明相位測(cè)量是準(zhǔn)確可信的；將測(cè)試電流降低50%，此時(shí)所測(cè)分流大小降為19.1 mA，呈現(xiàn)良好的線性，說明分流大小測(cè)量也是可信的。

4 結(jié)論

a.在對(duì)變電站和電廠等一些大型地網(wǎng)的接地阻抗測(cè)量過程中，由于架空避雷地線、光纖地線和電纜屏蔽層的存在，對(duì)測(cè)試電流產(chǎn)生分流，導(dǎo)致接地阻抗測(cè)量值偏小，對(duì)測(cè)量結(jié)果造成很大的影響，不能準(zhǔn)確反映接地網(wǎng)的真實(shí)情況，留有安全隱患。因此，在無法隔離分流地線與被測(cè)量接地網(wǎng)連接的情況下，需要對(duì)地線分流進(jìn)行測(cè)量。

b.由于地線分流電流與測(cè)試電流間存在相位差，且在桿塔構(gòu)架之間存在環(huán)流，如果單純計(jì)算地線分流大小模值的代數(shù)和，分流系數(shù)將大于實(shí)際值，導(dǎo)致修正后接地阻抗值偏大，甚至還可能出現(xiàn)分流代數(shù)和大于總測(cè)試電流的不符合基本邏輯的情況。因此，需要對(duì)地線分流進(jìn)行向量測(cè)量。

c.在對(duì)分流向量測(cè)量過程中，一般采用羅氏線圈來進(jìn)行測(cè)量。羅氏線圈變比較大，且測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)存在很大的工頻干擾，這就要求測(cè)量裝置有很高的分辨率和精度，并有很強(qiáng)的工頻抗干擾能力。

d.采用DF9600系統(tǒng)，通過使用無線傳輸相位差比較法和強(qiáng)干擾選頻測(cè)量技術(shù)，能在千倍工頻干擾下對(duì)微弱分流信號(hào)的大小和方向進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，對(duì)提高接地網(wǎng)接地阻抗測(cè)量的準(zhǔn)確度、保證電力系統(tǒng)在雷擊或短路故障下的安全具有重要的意義。

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［20］李 謙，余月仙，邵建康，等.基于無線傳輸?shù)拇笮偷鼐W(wǎng)金屬構(gòu)架分流向量的測(cè)量系統(tǒng)：中國(guó)，ZL 2013 2 0143557.1［P］.2013－08－28.

［21］劉 瑋，柳玉波，劉洋海，等.未斷開接地裝置和架空地線連接時(shí)接地電阻的測(cè)量誤差研究［J］.電瓷避雷器，2012，55（2）：62－67.

Accurate Measurement on Grounding Grid Ground Shunt Vector

ZHOU Dadong1，WANG Ling2，ZHAO Zhenwei3，WANG Dongye3，SHAO Jiankang4
（1.Jinzhou Environment Monitoring Center，Jinzhou，Liaoning 121000，China；2.State Grid Benxi Power Electric Supply Company，Benxi，Liaoning 117000，China；3.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；4.Shanghai Dafan Power Equipment Co.，Ltd.，Shanghai 201109，China）

In this paper，by using different frequency measurement，phase comparison method based on wireless transmission，Ro?gowski coil shunt signal sampling and high?precision，high?resolution，anti?interference of the Rogowski coil wireless measuring devices can thousand fold lower frequency interference the diversion of tower vector accurate measurements，which can accurately and effectively weed out the diversion of ingredients to improve accuracy.This method has significance for ensuring the safe operation of power system and workers'safety.

grounding grid；ground shunt；grounding impedance；shunt vector；anti－thousandfold interference

TM862

A

1004－7913（2016）10－0030－04

周大東（1960），男，高級(jí)工程師，從事環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備管理工作。

2016－07－20）