程樂峰，余 濤

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510640)

基于 PSCAD/EMTDC 的配網(wǎng)檢修線路臨時掛接地線仿真模型研究

程樂峰，余 濤

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東 廣州 510640)

針對 10 kV 配網(wǎng)線路改造檢修工作，存在漏、拆接地線情況，可能導(dǎo)致惡性“帶地線合閘”事故發(fā)生，研究基于信號注入的檢修線路臨時掛接地線檢測方法。根據(jù)配網(wǎng)特點，搭建適合地區(qū)電網(wǎng)變電站和輸電線路的電磁暫態(tài)仿真模型，模擬線路檢修時掛接地線的物理環(huán)境。結(jié)合 PSCAD/EMTDC 模型，驗證檢測方案的合理性，并分析配網(wǎng)各因素對檢測精度的影響，主要包括：不同注入信號頻率、變壓器接入、線路分支較多、同桿并架和大地電阻等?；诜抡娣治?，提出一種基于電流分流原理的檢測方案。仿真表明實際情況與理論符合，可有效檢測三相接地、兩相接地和單相接地情況，具有較好的實用性，對于 10 kV 配網(wǎng)線路檢修工作，具有一定參考意義。

配網(wǎng)線路；檢修；臨時掛接地線；PSCAD/EMTDC；電流分流原理

0 引言

10 kV 配網(wǎng)線路在線路改造和檢修時需要掛上臨時接地線，其作為配網(wǎng)改造、檢修作業(yè)的重要一環(huán)，在完成作業(yè)后，需要將所有的臨時接地線拆掉，目前，這項作業(yè)過程主要依靠工作票制度和現(xiàn)場作業(yè)人員對安全規(guī)程的執(zhí)行程度[1-3]，因此，在配電線路改造和檢修工作點多、面廣的情況下，漏、拆接地線或人為惡意設(shè)置短路線的發(fā)生概率很高[4-5]。這就容易導(dǎo)致所謂“帶接地點合閘送電”惡性事故發(fā)生，即操作人員操作送電過程中，在線路上所裝的接地線未拆除或者未拉開接地閘刀的情況下盲目合開關(guān)、閘刀而導(dǎo)致對地放電等惡性情況發(fā)生。對此，國內(nèi)電網(wǎng)普遍采用的微機“五防”裝置可通過一系列邏輯判斷和電氣連鎖及機械鎖具閉鎖來抑制一些誤操作行為，但對于“輸電線路帶地線合開關(guān)”這一誤操作行為，還存在嚴(yán)重隱患

目前，國內(nèi)有關(guān)預(yù)防掛接地線合閘的研究主要集中于管理系統(tǒng)的搭建，如文獻[11]通過安裝在每組接地線上的識別碼，對臨時接地線進行識別，實現(xiàn)臨時接地線在地線庫中的對位存放與鎖定，確保接地線能被正確取用和及時存放；文獻[12]提出一種微分法，該方法對注入電流后的接地網(wǎng)上方磁場測量數(shù)據(jù)進行濾波和數(shù)值微分處理，可以直接繪制接地網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)；文獻[13]采用超聲波測距方法判斷接地線狀態(tài)，并用串口攝像頭對檢修作業(yè)現(xiàn)場進行圖像采集，以 GPRS 方式傳送監(jiān)控和圖像數(shù)據(jù)，但超聲波測距方式不穩(wěn)定，攝像頭技術(shù)比較花哨，數(shù)據(jù)傳輸問題需解決，很難構(gòu)建統(tǒng)一大面積網(wǎng)絡(luò)；文獻[14]主要針對接地刀閘情況，當(dāng)接地刀閘動作時會把接地刀閘狀態(tài)信號通過 GSM 通信技術(shù)反饋給后臺管理系統(tǒng)，但無法對接地情況實現(xiàn)管理，文獻[15]則采用了 GPRS、GIS 和 GPS 等技術(shù)通過工作人員隨身攜帶的PDA識別接地位置和接地狀態(tài)，通知后臺管理軟件；文獻[16]設(shè)計了一種接地地線檢測系統(tǒng)，供電方式采用高頻電源，系統(tǒng)基于電流特性進行地線檢測，并使用 GSM 無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸接地信息，從而防止帶地線送電事故。上述接地線管理系統(tǒng)，普遍采用 GPRS、GPS 和 GSM 等通訊手段，并應(yīng)用遠程視頻、超聲波測距和 RFID 等技術(shù)，順應(yīng)了數(shù)字化、通信化、智能化和自動化的發(fā)展趨勢。這些管理系統(tǒng)一般存在以下幾個問題：

(1) 管理系統(tǒng)的構(gòu)建方式多種，對于管理的規(guī)范性和普及性要求較高，實施起來比較繁瑣；

(2) 只涉及檢修線路的常規(guī)接地檢測，很難控制惡意接地等意外情況，如通過細鐵絲接地這種情況，管理系統(tǒng)則無法檢測到

(3) 通信技術(shù)有限，尤其是偏遠的農(nóng)村和山區(qū)，可能會出現(xiàn)信號不良，影響判斷。

基于此，本文針對影響配網(wǎng)檢修線路臨時掛接地線檢測的幾個重要因素，進行 PSCAD/EMTDC仿真建模研究，并提出一種可行的檢測方案，該方案基于電流分流原理，通過仿真研究，表明該方案具有一定的實用性。

1 理論分析

1.1 實際接地情況

實際接地線是三相各自鉗合后匯合成一根線(一般帶絕緣層)到地面與金屬接地棒(或桿塔自帶的接地體)連接后接地，如圖1 所示。

圖1 實際接地情況Fig. 1 Actual grounding situation

一般情況下，輸電線路上往往存在多個點同時施工或檢修的情況，此時接地點比較多也比較復(fù)雜，漏、拆接地線的風(fēng)險比較大。按照操作規(guī)程，把接地線拆除后就不能再對線路進行操作，而要對線路進行操作就必須有地線接地，以確保人身安全。如圖2所示為配網(wǎng)線路檢修接地線實際接線原理圖，圖3為線路交叉感應(yīng)及不良接地情況。

圖2 實際檢修線路接地線原理圖Fig. 2 Grounding wire principle in practical lines maintenance

圖3 線路交叉感應(yīng)及不良接地情況Fig. 3 Situation of lines crossing induction and bad grounding

因此，需針對以下幾個實際存在的測量難點進行分析：(1) 同桿多回路情況，存在停運其中一條線路，另一條不停運可能，因此存在感應(yīng)的干擾信號；(2) 其他正常投運線路經(jīng)過某些檢修線路也會存在感應(yīng)的干擾信號(如圖3(a)所示)，如同桿并架和分支線路較多等情況；(3) 存在不良接地情況(如圖3(b)所示)；(4) 接地點比較分散，距離遠，接地線接地情況復(fù)雜多變，比如各接地點的土壤電阻率不同、山上(巖石)接地等情況，需考慮大地電阻情況，增加了檢測難度；(5) 根據(jù)操作規(guī)程，必須在有接地線的情況下操作，縮小了信號注入方式的選擇范圍，需考慮不同頻率信號注入對檢測結(jié)果的影響，增加了檢測難度；(6) 檢修線路可能存在未斷開的變壓器，需考慮變壓器對檢測判斷結(jié)果的影響；(7) 檢測儀器需要高精度電流互感器(毫安級別)，需要定制。

根據(jù)實際的接地線情況，在實際檢修過程中，工程人員先在工作地點附近裝設(shè)接地線，同時調(diào)度也要求在檢修的饋線需在變電站出口裝設(shè)一組接地線，而實際拆除順序則為：先拆除工程人員架設(shè)的接地線，交工作票后，調(diào)度部門再將變電站處的一組接地線拆除。

1.2 接地等效電阻計算

根據(jù)《電業(yè)安全工作規(guī)程》，要對線路進行作業(yè)就要求在停電狀態(tài)下掛接地線后才可以進行操作，因此，在認為線路沒有掛接地線的情況下(可能會有漏拆的接地線)，是不能向檢修線路接入檢測裝置來檢測是否還存在未拆除的接地線。要向線路直接進行操作必須要有接地線的存在，本文擬在保留一組接地線的情況下向檢修線路注入信號來檢測是否存在接地線，若有則提示檢修人員拆除，在確定沒有其他接地線存在后再將檢修儀與連同保留的一組接地線一起拆除，通過向最后一組接地線注入一個特定頻率電壓信號，再通過測量電流信號來判斷是否存在其他連接地線，具體原理如圖4所示。

圖4 具體接線原理圖Fig. 4 Concrete detection principle diagram

對于圖4所示的接線原理圖，可以借鑒鉗形接地電阻測量儀的原理，其基本原理是測量回路電阻，鉗表的鉗口部分由電壓線圈及電流線圈組成，電壓線圈提供激勵信號，并在被測回路感應(yīng)一個電勢 E，在 E 的作用下，將在被測回路產(chǎn)生電流 I，鉗表則對E和I進行測量，并通過公式計算被測回路電阻R，同樣也可利用鉗表的電壓線圈在回路上感應(yīng)出電動勢來嵌入電源，具體原理描述如下。

截面為矩形的環(huán)形均勻密繞螺繞環(huán)，其尺寸如圖5所示，共N匝，在螺繞環(huán)的軸線上另放一無限長直導(dǎo)線，二者互感系數(shù)為，則可通過磁通鏈來求解M。

圖5 螺絲環(huán)Fig. 5 Collar screw

則互感系數(shù)M為

則此時互感系數(shù)M為

可見，兩種計算方法得到的互感系數(shù)M一樣。當(dāng)螺繞環(huán)的導(dǎo)線通入變化的電流時，如交流正弦電流，則直導(dǎo)線上將產(chǎn)生的互感電動勢為

式中：U、I分別為正弦電壓、電流有效值；R為電阻。

根據(jù)上述原理，亦可將保留的接地線看作是無限長的導(dǎo)線(實際接地線的長度遠大于螺繞環(huán)的半徑)，在接地線上會有感應(yīng)電動勢，若還有其他接地線的存在，接地線、檢修線路和大地將形成回路，會有感應(yīng)電流在接地線上流通。因此可以通過接地線上是否流通電流來判斷其他接地線的存在。一般鉗形接地電阻測量儀通過其前端卡環(huán)這一特殊的電磁變換器送入線纜的是 1.7 kHz 的交流恒定電壓，頻率較高，對所提測量方案未必適用，需通過建模仿真研究頻率對測量的影響。對于注入電源的電壓值，如果同樣借鑒鉗形接地電阻測量儀，一般認為只有幾伏特，在仿真時假設(shè)為 5 V。

若存在其他接地線形成回路，將有電流流入大地，考慮接地電阻的阻值。嚴(yán)格來說，接地電阻包括四個組成部分，即接地引線的電阻、接地體本身的電阻、接地體與土壤間過渡電阻和大地的溢流電阻。與溢流電阻相比，前三種電阻要小得多，一般均忽略不計。大地并不是理想導(dǎo)體，有一定的電阻率，在外界作用下其內(nèi)部如果出現(xiàn)電流，顯然就不再保持等電位。若地面上被強制流進大地經(jīng)接地導(dǎo)體從一點注入，進入大地以后的電流以電流場的形式向遠處擴散，設(shè)土壤電阻率為 ρ，大地內(nèi)的電流密度為 δ，則大地中必呈現(xiàn)相應(yīng)的電場分布，其電場強度 E=ρδ。離電流注入點越遠，地中電流密度越小，因此可以認為在相當(dāng)遠(或者無窮遠)處，地中電流密度δ已接近零，電場強度E也接近零，該處仍保持大地中沒有電流時的電位，即零電位。把接地點處的電位U與接地電流I的比值定義為該點的接地電阻 R，R=U/I，是大地電阻效應(yīng)的總和。

在實際掛接地線時，按照規(guī)程是：若桿塔無接地引下線時，可采用臨時接地棒，接地棒在地面下深度不得小于 0.6 m，并且按照規(guī)定，高壓接地棒的圓棒直徑要求不小于 10 mm?？筛鶕?jù)恒流場下靜電場相似原理計算接地電阻，對于垂直接地體，如圖6所示，模擬電位梯度為圓形，由于接地極與土壤的接觸面積與半徑成正比，而接地極的接地電阻主要集中在2倍的導(dǎo)體長度范圍內(nèi)，接地模擬圓上限取 2L，下限取導(dǎo)體半徑，則有

式中：ρ為土壤電阻率( m)W× ，L為接地體長度，d為接地體直徑。

圖6 單根垂直接地體Fig. 6 A single vertical grounding pile

理論上合格的接地線選用優(yōu)質(zhì)的銅材料制成，只要接地線符合電壓等級規(guī)格且其夾具干凈、平整和緊固，則其自身阻值及線具接觸電阻是很小的，按照規(guī)定總電阻約為 4 ?。但往往因為現(xiàn)場檢修人員的操作問題而使得實際接地電阻千差萬別，主要表現(xiàn)在片面理解將接地棒打入 60 cm 而沒有考慮地表層的土質(zhì)是否符合要求。接地電阻大小與土壤電阻和接觸電阻有很大關(guān)系，其中土壤電阻率(?.m)是衡量土壤阻值的主要數(shù)據(jù)，有機粘質(zhì)土為 10，砂質(zhì)粘土為 100，黃土為 250，砂土是 500，多石土壤則是 1 000，而巖石高達 10 000，高低相差幾千倍。

2 仿真分析

2.1 搭建 PSCAD/EMTDC 仿真模型

本文基于前期現(xiàn)場調(diào)研情況和理論分析，利用軟件 PSCAD/EMTDC 進行建模仿真，搭建的一個簡單的 PSCAD/EMTDC 仿真模型如圖7(a)所示，圖中的模型是在一組接地線嵌入信號，另外一組接地線則通過開關(guān)控制來模擬是否接有地線，判斷是否有接地線的依據(jù)是接地線上的電流，仿真時間設(shè)置為 0.5 s，一開始接有地線，在 0.25 s 時拆除接地線，在同一個測量電流波形圖中可以比較接地線是否存在兩種情況的不同。模型中直接用一個電阻等效接地電阻，先取規(guī)定值 4 ?，后面再研究不同接地電阻大小的影響。實際檢修線路的長度變化較大，有的只有幾百米，有的則長達幾十千米，這里先假設(shè)線路總長度為 5 km，兩組接地線的距離則是 3 km。本次建模為了更準(zhǔn)確地模擬掛接地線的實際物理環(huán)境，采用仿真軟件 PSCAD/EMTDC 搭建相關(guān)模型進行仿真研究，選擇合適的注入信號頻率，驗證檢測方法的有效性。

PSCAD 是一個以圖形為基礎(chǔ)的電力系統(tǒng)模擬工具族，是一種有效的用戶圖形界面，能夠顯著地提高電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)模擬研究的效率；EMTDC是一套基于軟件的電磁暫態(tài)模擬程序，可以通過PSCAD 進行調(diào)用，EMTDC 的優(yōu)點之一是可以較為簡單地模擬復(fù)雜電力系統(tǒng)，包括直流輸電系統(tǒng)和其相關(guān)的控制系統(tǒng)

基于此，其中架空線路的模型將選用頻率決定參數(shù)模型 Frequency Dependent(Phase) Model，該模型在是最為先進和精確的傳輸線時域分析模。頻率決定參數(shù)模型需要設(shè)置桿塔的參數(shù)、導(dǎo)線參數(shù)(導(dǎo)線半徑、電阻等)，該仿真建模使用的具體參數(shù)如下所述。

配電網(wǎng)的導(dǎo)線最小距離與檔距有關(guān)，如表1所示。在城鎮(zhèn)檔距一般取 40~50 m，在郊區(qū)檔距一般取 60~100 m。一般情況下，在廣大的郊區(qū)和農(nóng)村，檔距選擇 80 m，導(dǎo)線的最小線間距離為 0.85 m，該仿真選擇線間距離為 1 m，且導(dǎo)線水平排列。而桿塔高度一般不是固定的，仿真模型中選擇桿塔高度為 15 m，桿塔型號如圖7(b)所示。如圖8 所示，為一個結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的配網(wǎng)線路帶地線的PSCAD/EMTDC 仿真模型，在仿真過程中，接地線在此用一個接地電阻代替接地線，由于接地電阻的規(guī)定阻值為不大于 4 ?，仿真時將其選為 2 ?。

表1 配電網(wǎng)導(dǎo)線最小線間距離Table 1 Minimum distance between distribution network lines

圖7 簡單的接地線檢測 PSCAD/EMTDC 模型搭建Fig. 7 A simple PSCAD/EMTDC simulation model forgrounding wire detection

圖8 復(fù)雜的配網(wǎng)線路帶接地線仿真模型Fig. 8 A complex PSCAD/EMTDC simulation model for distribution lines with grounding wires

目前，10 kV 配電網(wǎng)線路多數(shù)選用的導(dǎo)線型號為鋼芯鋁絞線 LGJ，依據(jù)國標(biāo) SOJ206-87《架空配電線路設(shè)計技術(shù)規(guī)程》，主干線及大分支線應(yīng)不小于LGJ-50 平方毫米，負荷小的分支線及單個配電臺區(qū)新建導(dǎo)線應(yīng)不小于 LGJ-35 平方毫米。為了使該建模更符合實際情況，導(dǎo)線選擇線路型號為 LGJ-70，截面積則為外徑為 11.4 mm，重量為 275.2 kg/km，電阻率用鋁的，即，計算得到直流電阻大小為 0.45 ?/km。確定導(dǎo)線參數(shù)后可以通過垂弧式(7)計算弧垂。

式中：f為弧垂；L為檔距；g為導(dǎo)線比載；σ為導(dǎo)線應(yīng)力。

計算得到 LGJ-70 的弧垂約為 1.5 m，考慮到新架導(dǎo)線初伸長和施工中緊線松釋后導(dǎo)線的回落(用緊線器或人力直拉緊線，當(dāng)松開緊線器或撤去人力時，此時導(dǎo)線的弧度更比收線綁扎時大)將計算所得的弧垂收緊 20%以上，即凈剩 1.2 m 左右。下面針對幾種影響接地線仿真的因素分別進行仿真研究和分析。

2.2 不同注入信號頻率影響仿真分析

基于前述仿真模型，在不同頻率下，仿真得到的電流結(jié)果(假設(shè) 0~0.25 s 有其他接地線存在，而0.25 s 后沒有)如圖9(a)~(c)所示。需要說明的是，在圖9 中，x 坐標(biāo)軸: 單位為秒 s；y 坐標(biāo)軸：單位為 kA，縱坐標(biāo)中 m 表示毫，為表示

圖9 不同頻率下的測量電流Fig. 9 Detecting current in different frequency injection

從圖9可以看出頻率越高，其他接地線存在與否測得的電流值差距越小，甚至沒有其他接地線存在時的電流比有其他接地線時的還要大。分析原因是線路上有分布電容的存在，電容電納與頻率有關(guān)，頻率越高，則電納越大，即阻抗越小，當(dāng)總的電容的容抗比接地電阻還要小時，在就會出現(xiàn)至沒有其他接地線存在時的電流比有其他接地線時的還要大的情況。由此看來，注入的信號應(yīng)該選擇低頻信號，但前面的推導(dǎo)可知，感應(yīng)電動勢的大小與信號頻率有關(guān)，若信號頻率過小，則感應(yīng)的電動勢也會過小。同時在測量時可能會受到現(xiàn)場 50 Hz 工頻及諧波信號的干擾，在二次電路可以對他們進行濾波，為了方便濾波，注入信號的頻率應(yīng)選擇在工頻n次諧波和 n+1 次諧波之間(n 為正整數(shù))。理論上，n 可取任意值，但若n取值較大，一方面，分布電感感抗會隨著信號頻率的增大而增大，另一方面，線路容抗會隨著信號頻率的增大而減少，這兩者都會影響接地線是否存在的判斷。分布電容除了跟信號頻率有關(guān)還與線路長度有關(guān)，線路越長則容抗越小?？紤]在可能出現(xiàn)的最極端情況選擇合適的信號頻率。下面假設(shè)線路長度為 80 km，將注入不同低頻信號，進行模擬仿真，得到的結(jié)果如表2所示。

表2 80 km 線路在不同頻率信號下的仿真結(jié)果Table 2 Simulative results of 80 km line in different frequency signal injection

基于表2，可見不同頻率信號注入下，有接地線存在時線路上的電流有效值不同，且不存在接地線時，電流有效值一般都很小，只有幾mA到十幾mA，考慮一定的裕度，本文認為選擇中頻段的檢測信號比較合適，而判斷檢修回路有無接地線的算法可以選用閾值電流判斷，一般情況下，線路上的感應(yīng)電壓幾乎不存在偶次諧波，可采用偶次諧波注入，當(dāng)然若能采用間諧波注入則更好，那樣對注入信號的干擾則更小，可設(shè)定如下判據(jù)。

2.3 變壓器接入影響仿真分析

前述仿真模型中未考慮變壓器接入，在實際檢修線路中往往是有掛接變壓器的。35 kV 和 10 kV配電變壓器的聯(lián)結(jié)組別通常為 Y,d11；10/0.4 kV 配電變壓器的聯(lián)結(jié)組別宜采用 Y,yn0 或 D,yn11。在我國城鄉(xiāng)電網(wǎng)中，多采用三相四線制配電方式，為方便用戶，10 kV 三相配電變壓器廣泛采用 Y,yn0 接線，可提供 380 V 和 220 V 兩種電源電壓。

理論上，10/0.4 kV 配電變壓器高壓側(cè)中性點不接地，在沒有其他接地線存在時，不能形成回路，沒有電流流過變壓器。若還有其他接地線，但接地線只要是三相正確安裝的，也是沒有電流流經(jīng)變壓器的，只有當(dāng)接地線只掛接一相或兩相時才有電流流過。本文假設(shè)其他接地線存在，并且只有一相接地或兩相接地，注入信號頻率選擇 60 Hz，線路長度設(shè)定為 5 km，進行仿真研究。

仿真考慮兩相接地情況，接地線上流過電流以及流經(jīng)變壓器的電流，其仿真結(jié)果如圖10所示。需要說明的是，在圖10 中，x 坐標(biāo)軸，單位 s；y 坐標(biāo)軸，單位 kA，圖10(a)中縱坐標(biāo)中m表示微，為，如表示即 0.020 mA，電流值很小，圖10(b)中縱坐標(biāo) m 同圖9 中縱坐標(biāo) m 含義一樣，表示毫，即

圖10 考慮變壓器接入配網(wǎng)時的仿真結(jié)果Fig. 10 Simulation results considering access of transformer in distribution network

由圖10 可看出，確實有一定的電流流經(jīng)變壓器，但該電流值相對于接地線上的電流來說很小，主要原因是變壓器對于信號反映的阻抗較大，當(dāng)信號頻率更大時，流經(jīng)變壓器的電流將更小，如當(dāng)注入信號為 240 Hz 時，如圖11 仿真結(jié)果所示，可看出電流明顯比 60 Hz 時要小。圖11 中橫坐標(biāo)單位 s，縱坐標(biāo)單位為 kA，其中縱坐標(biāo)中m含義同圖10(a)。

圖11 240 Hz 注入信號下單相接地存在時流經(jīng)變壓器電流Fig. 11 Current of transformer in 240 Hz injection signal when a single-phase grounding condition exists

從圖11 可看出，單相接地或兩相接地時流經(jīng)變壓器的電流值明顯要比三相同時接地時要小，這是因為三相同時接地時相當(dāng)于三相線路并聯(lián)，而當(dāng)單相接地或兩相接地時只有某一相或某兩相流有形成回路，相對于三相并聯(lián)其總阻抗值是增大的，所以接地線上的電流會減小。

2.3 分支線路較多時影響仿真分析

在實際配網(wǎng)線路中，線路分支較多，將對實際測量產(chǎn)生影響。從理論上分析，只要信號頻率選擇恰當(dāng)，分支線路上的分布電容影響可以減少，分支線路的長度對存在其他接地線時的電流影響甚小，因為該電流主要是在兩組接地之間的線路流通，因而分支線路長度主要影響的是沒有其他接地線時的電流大小。表3 為分支線路長度分別為 0，5，15，30，60，80 km 時，在沒有其他接地線存在時的電流有效值統(tǒng)計表。

從表3統(tǒng)計情況看，分支線路在較短時的影響是較小的，當(dāng)分支線路很長時，就相當(dāng)于分支是主干，而原來的主干變成了分支。

表3 電流有效值統(tǒng)計表Table 3 Statistical table of current effective value

2.4 同桿并架影響仿真分析

如圖12 所示分別為研究空載變壓器影響的仿真模型和感應(yīng)電流仿真波形圖，圖12(b)中橫坐標(biāo)單位為秒 s，縱坐標(biāo)含義同圖10。

圖12 仿真模型和感應(yīng)電流波形圖Fig. 12 Simulation model and induced current wave

在實際情況中，基于前述可知同桿并架的問題是有的，即存在停運其中一條線路另一條線路不停運的可能，因此會有感應(yīng)的干擾信號存在，在沒有掛接地線時，通過仿真發(fā)現(xiàn)在停運的一條線路上是有較高的感應(yīng)電壓，峰值達到 200 V，由圖12(b)可見，在停運線路上感應(yīng)的電流幅值在 15 mA 左右。

由前述同桿并架的輸電線路中存在較大的感應(yīng)電壓(嚴(yán)重情況可高達 500 V 左右)，感應(yīng)電壓可能會對所提信號注入法造成一定干擾，同時對設(shè)備和人員安全也可能造成威脅，考慮感應(yīng)電壓功率比較低，當(dāng)其經(jīng)電阻接地時感應(yīng)電壓會大大下降，基于此，對檢修線路中的一相線路(帶感應(yīng)電壓)采用不同電阻接地進行仿真，接地電阻分別取10 k?/ 1 M?，仿真結(jié)果如圖13(a)~(d)所示，圖中橫坐標(biāo)單位為 s，圖13(a)、(c)中縱坐標(biāo)單位為 kA，圖13(b)、(d)中縱坐標(biāo)單位為 kA，m 表示毫，等于。

同時，三相短接后中心點電壓應(yīng)當(dāng)接近于 0(納安級)，只會因不平衡的緣故存在一定的感應(yīng)電壓，如圖13(e)所示，該圖中縱坐標(biāo)單位為 kA，n 表示納，等于。根據(jù)該圖可知，通過耦合電阻接地，不僅方便信號的注入，同時取合適的值可有效降低線路上的感應(yīng)電壓，抑制遠方存在接地時回路中的工頻電流，有效降低干擾信號對檢測精度的影響，同時保證設(shè)備和操作人員的安全。

圖13 不同耦合電阻下的仿真波形圖Fig. 13 Simulation wave diagram under different resistance

2.5 大地接地電阻影響仿真分析

基于前述，可知大地電阻規(guī)定值很小，但往往實際情況并不如此，本文就注入信號為 120 Hz，線路長度分別為 5，15，30，60 km 時不同接地電阻的情況進行統(tǒng)計，如表4所示為接地線存在時和不存在其他接地時的電流有效值統(tǒng)計表。

由表4 得出結(jié)論：在 120 Hz 信號下，隨著線路長度和接地電阻的不斷增大，有接地線時的電流值與沒有接地線時的差距在不斷減小，但不能區(qū)分兩者差別，理論上只要檢測裝置設(shè)定好限值，當(dāng)檢測電流超出限值時就可判斷有其他接地線的存在。

以上就是關(guān)于采用嵌入電壓源方法(信號電壓直接注入法)的研究，通過電磁暫態(tài)仿真和現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)得出的結(jié)論是：該檢測方法是可行的，本文認為可以選擇中頻段頻率信號作為注入信號，如果采用間諧波效果會更好，至于電壓值則根據(jù)實際測量精確度來進行選擇。只要為接地線上的電流設(shè)定一個限值，只要注入信號后測得的電流是大于限值的，就可以判定存在有其他接地線。

表4 電流有效值統(tǒng)計表Table 4 Statistical table of current effective value

3 基于電流分流原理的接地線檢測方案

3.1 電流分流原理

除了采用上述提到的嵌入電壓源方法進行檢測外，本文還提出采用基于電流分流原理的檢測方案進行測量，具體原理概述如下。

該檢測方案是在有一組接地線未拆除的情況下利用電流分流原理進行檢測，具體方法是：在線路上接入一個小電流源，理論上在沒有其他接地線存在的情況下，流入為拆除接地線的電流大小與注入的電流源的電流大小近似相等，而當(dāng)有其他接地線存在時，未拆除的接地線上的電流將被分流而減小，所以通過測量未拆除的最后一組接地線上的電流與注入的總電流進行比較，就可以檢測出是否還有其他的接地線存在。若檢測出還有其他接地線存在，裝置提醒工程人員進行查找并拆除，拆除后再利用最后一組接地線進行再一次的測量確保其他接地線已經(jīng)被拆除。在確保其他接地線已經(jīng)完全被拆除后，就可以將裝置拆除后再把最后一組接地線拆除。此測量方法是在檢修前掛接好所有接地線后將檢測裝置裝設(shè)在最后拆除的一組接地線附近，裝置的一端連接檢修線路，而另一端連接該接地線的接地體，在檢修完畢后拆除剩下最后一組接地線時再啟動裝置檢測。這樣，此測量方法是在不違反檢修操作規(guī)程和確保檢測人員安全的情況進行的。此方法簡單結(jié)構(gòu)原理圖如圖14所示。

圖14 電流分流原理圖Fig. 14 Principle diagram of current diversion

3.2 搭建 PSCAD/EMTDC 仿真模型

注入電流信號的方法確定是使用恒流源，而要測量保留接地線上流過的電流只能使用電流互感器的原理進行測量，因而恒流源不能使用直流電源，而是使用交流電源。由前述嵌入電壓的測量方案可知因線路分布電容的存在而使得信號頻率對測量結(jié)果的影響較大，綜合考慮認為選擇 60 Hz 左右的信號較為合適，此時影響測量的因素為線路長度，因此，考慮線路長度影響后，假設(shè)接地電阻為 4 ?，仿真得到的電流有效值如表5所示。

表5 電流有效值統(tǒng)計表Table 5 Statistical table of current effective value

從表5可看出只要不存在其他的接地線，電流比值都為 1，而有其他接地線存在時，比值都不為 1。雖然線路越長，比值越來越接近于 1，但即使線路長達 90 km，比值也只有 0.974 4，只要測量儀器足夠精確就可以得出比值不為 1，也就能分辨是否有其他接地線存在。

理論上，對于接地線分相接地、只在一相或兩相接地的錯誤接法，利用電流分流的測量方案是可以測量出來的，在模型上進行仿真，得到的仿真結(jié)果如表6所示，結(jié)果表明實際情況與理論符合。

表6 電流有效值的比值統(tǒng)計表Table 6 Ratio statistical table of current effective value

當(dāng)然，此方法僅供參考，其缺點是：恒流源要另外搭線，增加了操作。但恒流源可在裝設(shè)接地線時一同接上，待需要測量時再打開電源開關(guān)，拆除時連同最后一組地線一起拆除。

本文所提兩種檢測方案對于相間短路而沒有接地的情況無能為力。對于這種情況，在實際檢測中，可人為將某一相進行接地，分多次注入信號檢測即可識別相間短路這種情況。

4 結(jié)論

(1) 本文基于現(xiàn)場調(diào)研活動，針對 10 kV 配網(wǎng)檢修線路臨時掛接地線檢測，搭建了適合地區(qū)電網(wǎng)變電站和輸電線路的 PSCAD/EMTDC 電磁暫態(tài)仿真模型進行分析，該模型可模擬線路檢修時掛接地線的物理環(huán)境，通過模型驗證了所提電壓信號注入檢測方案的合理性，所提方案實用性較強，對于實際線路檢修和改造過程中接地線檢測工作具有一定的指導(dǎo)意義。

(2) 所搭建 PSCAD/EMTDC 仿真模型針對影響10 kV 配網(wǎng)檢修線路臨時掛接地線檢測的幾個重要因素，如不同頻率的信號注入、變壓器接入、分支線路較多、同桿并架和大地接地電阻等，進行了仿真建模分析，并得出結(jié)論，認為選擇中頻段信號(間諧波則更好)注入檢測比較合適，而變壓器接入、分支線路較多、同桿并架和大地接地電阻等對電壓信號注入檢測方案的影響很小，可采取相應(yīng)的措施盡量消除影響。

(3) 根據(jù)仿真結(jié)果分析提出了另一種基于電流分流原理的檢測方案，并通過仿真和數(shù)值統(tǒng)計分析得出該方案實際測量情況與理論相符合，該方案缺點則是恒流源要另外搭線，增加了操作，對于三相之間短接(相間短路)而沒有接地的情況無能為力，解決辦法是：可人為離線掛接一條接地線至某相線路，如A相，并分別向每條線路注入變頻信號進行檢測，分析每次檢測回路的采樣電流，若檢測 A 相、B相時均識別到接地線存在，則說明AB相間短路；若檢測 A相、C相均能識別接地線存在，則說明AC相間短路；若只識別到A相存在接地線，B、C相不存在接地線，則有BC相可能存在相間短路，此時只需人為將接地線掛到B相上，并對B、C相分別檢測即可判斷是否存在BC相間短路。

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Research on simulation model of temporary ground wires hanging on distribution maintenance lines based on PSCAD/EMTDC

CHENG Lefeng, YU Tao
(College of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Aimed at the lines rebuilding and maintenance work in 10 kV distribution network, the vicious accident of“closing with grounding wire” may happen due to miss removing the temporary grounding wires after the work, a grounding wire detection method based on signal injection is studied. According to the features of distribution network, an electromagnetic transient simulation model, which is suitable for power station and transmission lines, is established to simulate the physical environment of temporary grounding wires during lines maintenance work. Combined with the PSCAD/EMTDC model, the rationality of proposed detection scheme is verified, and then the factors impacting the detection precision is simulated for analysis, which contain different signal frequency, transformer access, line branches, common-tower transmission lines and the earth resistance. Based on simulation analysis, a detection scheme based on current diversion principle is proposed, and its simulation condition is proved same with theoretic situation, which could effectively detect the three-phase, two-phase and single phase grounding situations, thus has a better practicability, and for 10 kV distribution network lines maintenance work, as well as a certain guiding significance.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51177051 and No. 51477055) and the Science & Technology Project of China Southern Power Grid Company (No. K-GD2014-204).

distribution network line; maintenance; temporary hanging ground wire; PSCAD/EMTDC; current diversion principle

10.7667/PSPC151797

：2016-01-03

程樂峰(1990-)，男，通信作者，碩士，研究方向為配網(wǎng)自動化及智能優(yōu)化算法；Email: chenglf_scut@ 163.com

(編輯 姜新麗)

國家自然科學(xué)基金項目(51177051，51477055)；中國南方電網(wǎng)科技項目資助(K-GD2014-204)

余 濤(1974-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域為復(fù)雜電力系統(tǒng)的非線性控制理論和仿真、智能控制算法等。E-mail: taoyu1@scut.edu.cn