宋高博

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計(jì)算機(jī)輔助電位降法測試變電站接地電阻方法淺析

宋高博

鄭州市技師學(xué)院

摘 要：本文主要針對運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助電位降法，對變電站接地網(wǎng)測試進(jìn)行了分析和研究

關(guān)鍵詞：接地電阻；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；電位降法；電流極短電流極引線

1概述

變電站接地網(wǎng)是保證變電站電氣設(shè)備在正常和故障情況下，都能可靠和安全運(yùn)行的主要保護(hù)措施之一，是變電站接地系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)，是衡量接地系統(tǒng)有效性、安全性以及鑒定該系統(tǒng)是否符合要求的重要參數(shù)。在每個(gè)變電站投入運(yùn)行前，都要對其進(jìn)行電網(wǎng)測試，以保證此地網(wǎng)的接地電阻滿足設(shè)計(jì)要求，而且，還要在其投入運(yùn)行后對其地網(wǎng)的接地電阻進(jìn)行定期檢查。然而，接地電阻的測量是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題，受到多方面因素的影響，它不僅與接地體的大小、形狀、地電阻率有關(guān)，受到周圍電磁場、土壤中的金屬物質(zhì)、地電阻率均勻程度的影響，而且還受到測量方法和電極布置的影響。

近年來，國內(nèi)多處變電站因雷擊形成擴(kuò)大事故，大多與地網(wǎng)接地電阻不合格有關(guān)。接地網(wǎng)起著工作接地和保護(hù)接地的作用。若接地電阻過大，發(fā)生接地故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致中性點(diǎn)電壓偏移增大，可能造成健全相和中性點(diǎn)電壓過高，超過絕緣要求而造成設(shè)備損壞。因此，必須大力加強(qiáng)對地網(wǎng)接地電阻的定期監(jiān)測；如果對地網(wǎng)接地電阻測試不準(zhǔn)確，不僅損壞設(shè)備，而且會(huì)造成諸如地網(wǎng)誤改造等不必要的損失。

電位降法是根據(jù)接地網(wǎng)完工圖紙建立地網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完整性檢測模型。運(yùn)用了敞開式變電站接地參數(shù)測試新方法，以適應(yīng)目前變電站復(fù)雜多變的地理環(huán)境，使得接地參數(shù)測試工作的限制條件得以放寬，或減輕接地電阻測試工作的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高接地電阻測試精度。

2 接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢測技術(shù)

圖1接地網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢測流程圖

任何一個(gè)接地網(wǎng)，在保留目標(biāo)端口節(jié)點(diǎn)的前提下，用電網(wǎng)絡(luò)等效理論削去接地網(wǎng)中其它節(jié)點(diǎn)，得到目標(biāo)端口節(jié)點(diǎn)間最多只有一條支路的網(wǎng)絡(luò)就是該接地網(wǎng)所對應(yīng)的端口網(wǎng)絡(luò)。借助網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞亩丝诘刃мD(zhuǎn)換理論，根據(jù)測試端口的數(shù)目可以將接地網(wǎng)等效為純電阻二端口網(wǎng)絡(luò)或三、四端口網(wǎng)。

當(dāng)接地網(wǎng)施工完成后，我們可以對照接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)或完工圖紙，建立接地網(wǎng)的純電阻等效網(wǎng)絡(luò)，通過計(jì)算得到該網(wǎng)絡(luò)所對應(yīng)任意多個(gè)端口網(wǎng)絡(luò)的等效電阻。

通過仿真計(jì)算得到假定某兩個(gè)端口加載一定直流電流情況下對應(yīng)某兩個(gè)端口間的電壓。然后通過對施工完成的接地網(wǎng)進(jìn)行直流電流激勵(lì)，同時(shí)測量仿真計(jì)算所對應(yīng)某兩個(gè)端口間的電壓情況。

根據(jù)電路理論的基本知識(shí)可知，能夠通過MATLAB軟件直接進(jìn)行大網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)與響應(yīng)的仿真計(jì)算。下面給出接地網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢測方法流程圖，以指導(dǎo)接地網(wǎng)檢測工作的實(shí)施，如圖1所示。

3電位降法測量接地電阻的基本原理

目前接地電阻測量采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17949.1-2000《接地系統(tǒng)的土壤電阻率、接地阻抗和地面電位測量導(dǎo)則第1部分：常規(guī)測量》推薦的電位降法進(jìn)行測量。測量路線分為電流極和電壓極同向布置（圖2中電極P的位置）和電壓極與電流極反方向布置（圖2中電極P1的位置）。

圖2接地電阻測量的測量引線路徑布置

電流極引線和電壓極引線同方向布置，電流極引線長度取某一長度時(shí)，電流極引線和電壓極引線之間的距離取5m以消除引線間互感對測量結(jié)果的影響。測量時(shí)電壓極從靠近電流極開始，每隔50m 或100m測量一個(gè)視在接地電阻，測量時(shí)為了確保電壓極和電流極與接地網(wǎng)之間的距離采用GPS進(jìn)行定位，以確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在實(shí)際采用電位降法測量中，為了準(zhǔn)確測量得到接地電阻，一般都將電流極置于5D以外的地方，這時(shí)為了布置測量引線而帶來巨大的工作量，有時(shí)為了測量一個(gè)較大的變電站，甚至需要幾十個(gè)人測量一整天。因此工程實(shí)際中迫切需要能夠盡量縮短電流極引線的長度，以減輕測量時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4電流極引線長度的選取規(guī)律

在實(shí)際采用電位降法測量中，一般是以視在接地電阻曲線上平坦段作為電壓極位置的選取標(biāo)準(zhǔn)，存在一定的系統(tǒng)誤差。為了消除該系統(tǒng)誤差，則應(yīng)盡量拉長電流極引線的長度。如何確定電流級(jí)引線長度，同時(shí)考慮輔助電流極的影響，下面對其進(jìn)行討論。

當(dāng)電流極的位置距離待測接地系統(tǒng)較遠(yuǎn)時(shí)，不僅可以使輔助電流極的影響減小，而且可以使接地系統(tǒng)與電流極之間的電位分布曲線比較平坦，因此可以使測量點(diǎn)的選取相對容易，誤差可以較?。喝欢L接地引線不僅使布線比較困難，而且由于兩電流極之間電阻值的增大，也使要達(dá)到相同測試電流的測試電壓變大，電源容量增大，測量人員的安全問題加劇。

當(dāng)電流極引線太短時(shí)，測量得到的視在電阻曲線不存在平坦段，無法從測量曲線上直接找到接地電阻的真實(shí)值：而利用計(jì)算機(jī)輔助分析，在得到土壤電阻率分層情況的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算找到不同電流極引線長度時(shí)的對應(yīng)于接地系統(tǒng)真實(shí)接地電阻的電壓極位置。

但是電流極引線的長度又不可以無限制地縮短，因?yàn)楫?dāng)電流極與待測接地系統(tǒng)之間的距離過短時(shí)，就會(huì)使兩極之間的電位降梯度急劇增大，電壓極位置很小的位置偏差就可能帶來較大的測試誤差。下面就如何選取合適的電流極位置進(jìn)行討論。

為了對電流極的位置選取可能給測量結(jié)果帶來的誤差進(jìn)行量化的分析，把在能夠得到真實(shí)接地電阻值所要求的測量位置附近的電壓極位置變動(dòng)10m，接地電阻測量結(jié)果的變化量與真實(shí)接地電阻值的比值ω定義如下：

ω = 電壓極變10m接地電阻的變化量/真實(shí)接地電阻值

對于兩層水平分層的土壤結(jié)構(gòu)，不同的k值情況下的隨測量電流極引線長度變化的曲線如圖3所示。

圖3不同k值下ω 隨電流極引線長度變化曲線

由圖中7條曲線可以看出，當(dāng)電流極間距增大時(shí)，因?yàn)殡妷簶O選取位置誤差所帶來的測試誤差也相應(yīng)減小。這是由于極間距增大則電位降曲線中的平坦段也相應(yīng)增加的緣故。對比不同曲線不難看出，k值大的曲線在相同電流極間距情況下的ω 值也較大。

從圖中各曲線可以看出，ω 值在曲線的開始階段下降非?？?，而當(dāng)電流極間距超過3D以后就趨于平緩。因此利用短極間距方式進(jìn)行測量是可能的。在大多數(shù)情況下可以利用較短的電流極引線進(jìn)行比較準(zhǔn)確的測量。

測量接地系統(tǒng)的接地電阻時(shí)，電流極間距的選取與土壤結(jié)構(gòu)和測量所允許的誤差限有著密切的關(guān)系。上面的討論是基于電壓極位置誤差為10m時(shí)的情況。如果測量時(shí)使電流極與電壓極位置比較準(zhǔn)確，則可以將電流極引線長度縮短至1.5D。

5短電流極引線接地電阻測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過前面的討論，這里提出計(jì)算機(jī)輔助智能接地電阻測試方案。該方案主要是將計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算的最新技術(shù)與現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合起來，充分利用人機(jī)交互與已有知識(shí)的優(yōu)勢，力求簡單、準(zhǔn)確地得到待測系統(tǒng)的接地電阻值。

從前面的分析可以看出，不管電流極引線多長，在接地系統(tǒng)和電流極之間都會(huì)存在一個(gè)電壓極的補(bǔ)償點(diǎn)的位置，該點(diǎn)對應(yīng)的接地電阻即為該接地系統(tǒng)的真實(shí)接地電阻值。實(shí)際地網(wǎng)所處的土壤結(jié)構(gòu)都是不均勻的，可以通過電阻率測量數(shù)據(jù)分析得到實(shí)際的土壤分層結(jié)構(gòu)，對于給定距離的電流極，可以通過分析計(jì)算得到電壓極的補(bǔ)償點(diǎn)，作為電壓極的布置點(diǎn)，測量得到正確的接地電阻。并且對于任意距離的電流極，即使是距離很短的電流極，在地網(wǎng)和電流極之間都存在一個(gè)對應(yīng)真實(shí)接地電阻的補(bǔ)償點(diǎn)，可以通過分析得到，這樣就能在短距離的電流極下，測量得到真實(shí)接地電阻值。測量儀器采用目前國際上比較常用的變頻測量技術(shù)，消除干擾電流的影響。

根據(jù)前面的討論提出的計(jì)算機(jī)輔助短電流極引線接地電阻測試該方案的實(shí)施框圖如圖4所示。

通過接地網(wǎng)的參數(shù)可以模擬出對當(dāng)對接地網(wǎng)施加單點(diǎn)電流源一定幅值I下接地網(wǎng)對無窮遠(yuǎn)處的地電位升（假設(shè)為V），然后繼續(xù)模擬當(dāng)用電流線進(jìn)行近距離放線時(shí)（這時(shí)施加的是一正一負(fù)兩點(diǎn)輸入的電流源，幅值也模擬為I），找出與接地網(wǎng)間電位也為V的等電位線l，記下此時(shí)的電流極位置，作為實(shí)際測試時(shí)的電流負(fù)極放置位置，并在等電位線l上選擇一個(gè)便于測量的位置作為實(shí)際測試時(shí)電壓極放置位置。

圖4計(jì)算機(jī)輔助短電流極引線測試方案

為了使模擬仿真與實(shí)際測試偏差更小，在模擬仿真中可以考慮到多層土壤環(huán)境下的情況。這里使用多電流注入點(diǎn)的接地系統(tǒng)分析程序精確仿真多層土壤中大型接地網(wǎng)接地電阻值由此可以獲得短距離測量時(shí)電壓極的精確位置，分析計(jì)算步驟如下：

（1）計(jì)算接地網(wǎng)在兩層土壤中的實(shí)際接地電阻和地電位升，此時(shí)沒有電流回流極，只在接地網(wǎng)上注入電流。也就是說，此時(shí)得到的接地電阻值不應(yīng)受電流回流極的影響。

（2）計(jì)算有電流回流極，且在接地網(wǎng)注入電流的同時(shí)在電流回流極反向抽出電流時(shí)，接地網(wǎng)電流入地點(diǎn)與回流極之間連線上的地表電位。

（3）接地網(wǎng)電流入地點(diǎn)與回流極之間連線上的地表電位中，尋找其電位與地網(wǎng)電流入地點(diǎn)電位之間的電位差等于（1）中的地電位升的點(diǎn)，該點(diǎn)即為相應(yīng)電流回流極位置所對應(yīng)的電壓極位置。

6 結(jié)論

綜上所述，在測量變電站接地網(wǎng)接地電阻時(shí)，應(yīng)盡量在了解接地系統(tǒng)附近土壤分層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，綜合考慮各方面的影響因素，選擇合理的電流極的引線及電壓極的布置位置及其相應(yīng)的測量方法，并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣頊p少各個(gè)環(huán)節(jié)的誤差，以獲得較準(zhǔn)確的測量結(jié)果。本文針對變電站地網(wǎng)驗(yàn)收和測試中存在的問題，采用電位降法進(jìn)行了變電站接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完整性分析，提出了計(jì)算機(jī)輔助短電流極引線接地電阻測試方案。

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