張凱軍，胡志堅(jiān)，張博成

（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢430072）

0 引 言

接地網(wǎng)的狀況直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，科學(xué)合理地測(cè)試接地網(wǎng)的各種特性參數(shù)，準(zhǔn)確評(píng)估其狀況十分重要［1－2］。接地阻抗是接地網(wǎng)是否合格的主要判斷依據(jù)［3］。在測(cè)量大型接地網(wǎng)接地阻抗時(shí)，由于布線(xiàn)距離較長(zhǎng)，人工放線(xiàn)工作量太大，有時(shí)甚至?xí)虻匦蜗拗贫鵁o(wú)法按照規(guī)程布線(xiàn)。因此在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)常采用一條停電的架空線(xiàn)路作為測(cè)量回路的電流極和電壓極引線(xiàn)。但是在利用架空線(xiàn)路測(cè)量接地網(wǎng)的接地阻抗時(shí)，如果架空地線(xiàn)未與接地網(wǎng)斷開(kāi)連接，會(huì)使部分注入電流由于架空地線(xiàn)分流通過(guò)線(xiàn)路桿塔接地電阻和遠(yuǎn)端變電站地網(wǎng)流入大地［4］，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差。

測(cè)量地網(wǎng)接地阻抗的傳統(tǒng)方法其理論基礎(chǔ)是電位降法［5］，在此基礎(chǔ)上根據(jù)所用電源頻率的不同，常用的方法有工頻大電流法［6］和異頻法［7］：工頻大電流法注入的電流較大，能滲入更深的大地中；異頻法能避免線(xiàn)路中的工頻雜散電流干擾，并且注入電流不需要太大。但是這兩種方法均無(wú)法消除架空地線(xiàn)分流造成的測(cè)量誤差，因此有必要對(duì)此進(jìn)行深入研究。目前已經(jīng)有文獻(xiàn)研究架空地線(xiàn)分流對(duì)測(cè)量接地阻抗的影響，但是一般都只考慮地線(xiàn)分流對(duì)接地網(wǎng)流入測(cè)試電流的影響［8-9］，而忽略了架空地線(xiàn)與測(cè)量回路平行產(chǎn)生的互感干擾電壓對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

在實(shí)測(cè)接地網(wǎng)的接地阻抗時(shí)，如果架空地線(xiàn)與接地構(gòu)架之間是通過(guò)跳線(xiàn)連接，則斷開(kāi)跳線(xiàn)就能將接地網(wǎng)與架空地線(xiàn)隔離，從而避免因地線(xiàn)分流造成的測(cè)量誤差；如果架空地線(xiàn)與接地構(gòu)架是直接相連的，或者采用了光纖復(fù)合架空地線(xiàn)（Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire，OPGW），則無(wú)法將接地網(wǎng)與架空地線(xiàn)隔離，只能通過(guò)測(cè)量地線(xiàn)分流的方法來(lái)消除地線(xiàn)對(duì)接地阻抗測(cè)量造成的干擾。

本文分析了在利用架空線(xiàn)路測(cè)量接地網(wǎng)的接地阻抗時(shí)，架空地線(xiàn)對(duì)測(cè)試電流的分流作用對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，以及地線(xiàn)分流在電壓極引線(xiàn)上感應(yīng)電壓對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，并提出了減小上述誤差的測(cè)量方法，通過(guò)建立仿真模型分析了該方法的可行性以及影響該方法準(zhǔn)確性的各種因素。

1 架空地線(xiàn)分流的原理分析

在利用架空線(xiàn)路測(cè)量接地阻抗時(shí)，測(cè)量接線(xiàn)原理如圖1所示。外加電源產(chǎn)生的測(cè)試電流一部分經(jīng)過(guò)待測(cè)接地網(wǎng)流入大地，另一部分則由于架空地線(xiàn)的分流效應(yīng)經(jīng)過(guò)測(cè)量線(xiàn)路的桿塔接地裝置和遠(yuǎn)方變電站接地網(wǎng)流入大地，這部分電流對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生誤差。

圖1 用架空線(xiàn)路測(cè)量地網(wǎng)接地阻抗原理圖Fig.1 Grounding impedance measurement schematic diagram by using overhead line

在考慮了用作測(cè)量回路引線(xiàn)的架空輸電線(xiàn)路與該線(xiàn)路地線(xiàn)之間互感影響的基礎(chǔ)上，由圖1可以建立架空地線(xiàn)分流的基本電路模型，如圖2所示。圖中，Zg為被測(cè)接地網(wǎng)接地阻抗，ZD1、ZD2、ZD3、…、ZDn和 Zi分別為架空地線(xiàn)各分段自阻抗和電流極回路自阻抗，為測(cè)試電流，為通過(guò)被測(cè)接地網(wǎng)流入大地的電流，為架空地線(xiàn)分流，和表示電流極回路和架空地線(xiàn)間的互感電壓，ZT1、ZT2、ZT3、…、ZTn為桿塔接地阻抗以及遠(yuǎn)端接地網(wǎng)接地阻抗。

圖2 架空地線(xiàn)分流電路模型Fig.2 Shunt circuit model of the overhead ground line

2 架空地線(xiàn)分流產(chǎn)生的干擾電壓

2.1 單地線(xiàn)分流的干擾電壓

在利用架空線(xiàn)路測(cè)量接地阻抗時(shí)，除了電流極與電壓極引線(xiàn)之間的互感會(huì)產(chǎn)生干擾電壓外［10］，架空地線(xiàn)上的電流也會(huì)在電壓極引線(xiàn)感應(yīng)產(chǎn)生干擾電壓。因此，當(dāng)電壓極之前的地線(xiàn)與桿塔通過(guò)絕緣子絕緣時(shí)，對(duì)于單地線(xiàn)的架空線(xiàn)路，電壓極引線(xiàn)首端所測(cè)得的電壓可表示為：

式中Zmi為電流極和電壓極引線(xiàn)之間單位長(zhǎng)度的互阻抗；ZmT為架空地線(xiàn)與電壓極引線(xiàn)之間的互阻抗；du為電壓極引線(xiàn)長(zhǎng)度。

為了減小上述互感干擾，可采取多次測(cè)量的方法［11］，通過(guò)移動(dòng)電極位置以及改變電源注入電流，并且在測(cè)量電壓極引線(xiàn)電壓相量和電流極引線(xiàn)電流相量的同時(shí)，利用柔性Rogowski線(xiàn)圈同步測(cè)量地線(xiàn)分流相量［12-13］，得到多組獨(dú)立方程，求解消除互感干擾后的接地網(wǎng)接地阻抗。

對(duì)于單地線(xiàn)的測(cè)試線(xiàn)路，由于式（2）中有接地網(wǎng)接地阻抗、電壓極和電流極引線(xiàn)間互感、地線(xiàn)與電壓極引線(xiàn)間互感3個(gè)未知量，因此可以通過(guò)將3次不同電壓極和電流極位置的測(cè)量結(jié)果代入式（2）得：

在這3次測(cè)量中，電壓極引線(xiàn)長(zhǎng)度分別為du1、du2、du3，電源注入電流分別為，電壓極引線(xiàn)首端電壓分別為1、2、3，架空地線(xiàn)分流分別為實(shí)際由測(cè)試接地網(wǎng)流入大地的電流分，別為該電流可由式（1）求出。由式（3）可解得消除電流極和地線(xiàn)對(duì)電壓極引線(xiàn)互感干擾的接地阻抗 Zg，如式（4）所示。

當(dāng)電壓極之前有桿塔與地線(xiàn)直接相連時(shí)，架空地線(xiàn)中流過(guò)的電流并不是一直為每經(jīng)過(guò)一基桿，塔地線(xiàn)中電流就將有一部分流入大地，因此地線(xiàn)在電壓極引線(xiàn)上的干擾電壓將比略小一些，用式（3）得到的接地阻抗會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。

2.2 平行雙地線(xiàn)分流的干擾電壓

當(dāng)電壓極之前的地線(xiàn)與桿塔絕緣時(shí)，對(duì)于平行雙地線(xiàn)的架空線(xiàn)路，電壓極引線(xiàn)首端的電壓為：

式中ZmT1、ZmT2分別為兩地線(xiàn)與電壓極引線(xiàn)之間的互阻抗；分別為兩地線(xiàn)中所流過(guò)的電流且有如下關(guān)系，且有：

令：

則式（7）和式（2）的形式完全一致，即雙地線(xiàn)對(duì)電壓極引線(xiàn)的互感干擾可以等效為單地線(xiàn)的情況，因此當(dāng)架空線(xiàn)路上為雙地線(xiàn)時(shí)依然可以通過(guò)3次不同電壓極和電流極位置的測(cè)量結(jié)果得到如式（3）所示方程組，并由此解出接地網(wǎng)接地阻抗和線(xiàn)路間互阻抗。

3 仿真驗(yàn)證及影響因素分析

3.1 地線(xiàn)數(shù)目不同時(shí)的接地阻抗測(cè)量

根據(jù)圖1和圖2用PSCAD建立仿真模型，對(duì)單地線(xiàn)分流的接地網(wǎng)接地阻抗測(cè)量進(jìn)行驗(yàn)證。仿真采用異頻電流源，電源頻率f為47 Hz和53 Hz，接地網(wǎng)工頻下的接地阻抗取Zg＝0.25＋j0.1Ω，假設(shè)電壓極之前的桿塔與地線(xiàn)絕緣，平均檔距為400 m，工頻下的桿塔接地裝置接地阻抗電阻分量遠(yuǎn)大于電抗分量［14］，可視為純電阻，仿真時(shí)設(shè)為5Ω。由于靠近變電站的10～15個(gè)檔距的桿塔對(duì)分流影響較大［15］，仿真模型中取測(cè)量回路的前10檔接地桿塔。

改變電流極和電壓極的位置，分別在不同頻率下均進(jìn)行3次獨(dú)立測(cè)量，將測(cè)得的電壓和電流數(shù)據(jù)代入式（3）解出異頻接地阻抗，工頻接地阻抗取兩種頻率下測(cè)量結(jié)果的平均值，如表1所示。

表1 單地線(xiàn)的接地阻抗測(cè)量結(jié)果Tab.1 Impedance measurement results with single ground line

將仿真模型中的單地線(xiàn)變?yōu)殡p地線(xiàn)，其他條件不變，對(duì)雙地線(xiàn)分流的接地阻抗測(cè)量進(jìn)行仿真驗(yàn)證，其接地阻抗測(cè)量結(jié)果如表2所示。

從表1和表2可以看出，通過(guò)3次獨(dú)立測(cè)量的數(shù)據(jù)求解式（3）可以得到消除地線(xiàn)分流影響以及各線(xiàn)路間互感影響的接地阻抗，其電阻部分和電抗部分的誤差均小于1%，說(shuō)明本文所提減小地線(xiàn)分流影響的方法可以準(zhǔn)確地測(cè)量在上述仿真條件下地線(xiàn)數(shù)目不同時(shí)的接地網(wǎng)接地阻抗。

表2 雙地線(xiàn)的接地阻抗測(cè)量結(jié)果Tab.2 Impedance measurement results with double ground lines

3.2 接地阻抗測(cè)量的影響因素分析

3.2.1 桿塔接地電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

改變桿塔的接地阻抗值，對(duì)桿塔接地電阻值在5Ω～25Ω之間且電壓極之前的桿塔均與地線(xiàn)絕緣時(shí)的接地阻抗測(cè)量進(jìn)行仿真分析，分流比｜、不計(jì)分流影響（即傳統(tǒng)直線(xiàn)三級(jí)法［16］）和考慮分流影響的仿真計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 桿塔接地電阻不同時(shí)的接地阻抗測(cè)量結(jié)果Tab.3 Impedance measurement results with different tower grounding resistances

從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)桿塔接地電阻逐漸增大時(shí)，架空地線(xiàn)分流電流逐漸變小，不考慮分流影響的接地阻抗測(cè)量值的實(shí)部和虛部均較真實(shí)值偏低，且隨著桿塔接地電阻的增大，測(cè)量誤差逐漸降低，桿塔接地電阻為5Ω時(shí)模值誤差最大達(dá)到33%，而電抗部分誤差則達(dá)到65%；考慮分流影響后的接地阻抗測(cè)量結(jié)果的實(shí)部和虛部誤差均保持在1%左右。

當(dāng)電壓極之前只有第一檔桿塔與地線(xiàn)直接相連，設(shè)定其他桿塔接地電阻為5Ω，對(duì)第一檔桿塔接地電阻在5Ω～25Ω之間時(shí)的接地阻抗進(jìn)行仿真測(cè)量，用式（3）計(jì)算得到的接地阻抗的相對(duì)誤差曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 本文方法測(cè)量的接地阻抗誤差Fig.3 Impedance measurement error of the proposed method

從圖3曲線(xiàn)可知，只有第一檔桿塔與地線(xiàn)直接相連時(shí)用式（3）得到的接地阻抗偏小，且隨著該桿塔接地電阻的增大，電抗部分誤差絕對(duì)值從5%減小為2%左右，電阻部分和模值誤差絕對(duì)值則始終在2%以?xún)?nèi)且誤差逐漸減小。

當(dāng)電壓極之前的桿塔均與地線(xiàn)直接相連，分別設(shè)定電壓極之前的桿塔接地電阻為5Ω、15Ω、25Ω，其他接地桿塔接地電阻仍為5Ω，平均檔距為400m，改變電壓極之前接地桿塔的數(shù)目，用式（3）得出的接地阻抗模值相對(duì)誤差曲線(xiàn)如圖4所示。

圖4 接地阻抗模值相對(duì)誤差Fig.4 Relative error of impedance measurement

從圖4中可以看出，隨著桿塔數(shù)目增加，接地阻抗的測(cè)量誤差逐漸增加，當(dāng)桿塔接地電阻為5Ω和15Ω時(shí)桿塔數(shù)目大于或等于4檔的相對(duì)誤差會(huì)超過(guò)5%，而桿塔接地電阻為25Ω時(shí)相對(duì)誤差一直小于5%。由此可以估算對(duì)于逐基接地的地線(xiàn)回路，其電壓極引線(xiàn)長(zhǎng)度不宜超過(guò)1.6 km，相應(yīng)的電流極引線(xiàn)不宜超過(guò)2.7 km。

3.2.2 地線(xiàn)類(lèi)型對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

當(dāng)雙地線(xiàn)其中一條為全線(xiàn)接地（OPGW），另一條為分段接地時(shí)，仍設(shè)定桿塔接地電阻為5Ω，改變電壓極之前的接地桿塔數(shù)，計(jì)算用本文方法得到的接地阻抗，在此條件下和普通單地線(xiàn)模型下的模值相對(duì)誤差曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 接地阻抗模值相對(duì)誤差Fig.5 Relative error of impedance measurement

從圖5可以看出，隨著桿塔數(shù)目增加，接地阻抗的誤差逐漸增大，由于雙地線(xiàn)模型中有一條為分段接地，使得電壓極之前的桿塔散流小于單地線(xiàn)模型，因此測(cè)量相對(duì)誤差也比后者小，直到桿塔數(shù)目增加到5檔時(shí)誤差才超過(guò)5%。

4 結(jié)束語(yǔ)

在利用架空線(xiàn)路作為測(cè)量接地網(wǎng)接地阻抗的引線(xiàn)時(shí)，若未解開(kāi)架空地線(xiàn)與接地網(wǎng)的連接構(gòu)架，會(huì)在該地線(xiàn)上產(chǎn)生分流電流而使傳統(tǒng)的接地阻抗測(cè)量方法造成較大誤差。地線(xiàn)分流不僅會(huì)使通過(guò)接地網(wǎng)流入大地的電流減小，還會(huì)在電壓極引線(xiàn)上感應(yīng)出干擾電壓，這兩方面的影響會(huì)使得傳統(tǒng)方法測(cè)量得到的接地阻抗偏小。本文采用同步測(cè)量地線(xiàn)分流電流和多次測(cè)量求解方程組消除互感干擾電壓的方法來(lái)減小接地阻抗的測(cè)量誤差，該方法在電壓極之前的桿塔均與地線(xiàn)絕緣的情況下測(cè)量誤差在1%以?xún)?nèi)。當(dāng)電壓極之前存在接地的桿塔時(shí)，本文方法測(cè)量誤差隨電壓極之前與地線(xiàn)直接相連的桿塔數(shù)目增加而增大，且桿塔的接地電阻越小誤差就越大。對(duì)于單地線(xiàn)和雙地線(xiàn)逐基接地的架空線(xiàn)路，電壓極引線(xiàn)的長(zhǎng)度應(yīng)保持在4倍桿塔檔距以?xún)?nèi)；對(duì)于兩條地線(xiàn)一條全線(xiàn)接地（OPGW），一條分段接地的架空線(xiàn)路，電壓極引線(xiàn)的長(zhǎng)度則不宜超過(guò)5倍桿塔檔距。