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)
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),由于布線距離較長(zhǎng),人工放線工作量太大,有時(shí)甚至?xí)虻匦蜗拗贫鵁o(wú)法按照規(guī)程布線。因此在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)常采用一條停電的架空線路作為測(cè)量回路的電流極和電壓極引線。但是在利用架空線路測(cè)量接地網(wǎng)的接地阻抗時(shí),如果架空地線未與接地網(wǎng)斷開(kāi)連接,會(huì)使部分注入電流由于架空地線分流通過(guò)線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)研究架空地線分流對(duì)測(cè)量接地阻抗的影響,但是一般都只考慮地線分流對(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),如果架空地線與接地構(gòu)架之間是通過(guò)跳線連接,則斷開(kāi)跳線就能將接地網(wǎng)與架空地線隔離,從而避免因地線分流造成的測(cè)量誤差;如果架空地線與接地構(gòu)架是直接相連的,或者采用了光纖復(fù)合架空地線(Optical Fiber Composite Overhead Ground Wire,OPGW),則無(wú)法將接地網(wǎng)與架空地線隔離,只能通過(guò)測(cè)量地線分流的方法來(lái)消除地線對(duì)接地阻抗測(cè)量造成的干擾。
本文分析了在利用架空線路測(cè)量接地網(wǎng)的接地阻抗時(shí),架空地線對(duì)測(cè)試電流的分流作用對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,以及地線分流在電壓極引線上感應(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。
在利用架空線路測(cè)量接地阻抗時(shí),測(cè)量接線原理如圖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的分流效應(yīng)經(jīng)過(guò)測(cè)量線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)量回路引線的架空輸電線路與該線路地線之間互感影響的基礎(chǔ)上,由圖1可以建立架空地線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,為架空地線分流,和表示電流極回路和架空地線間的互感電壓,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 架空地線分流電路模型Fig.2 Shunt circuit model of the overhead ground line
在利用架空線路測(cè)量接地阻抗時(shí),除了電流極與電壓極引線之間的互感會(huì)產(chǎn)生干擾電壓外[10],架空地線上的電流也會(huì)在電壓極引線感應(yīng)產(chǎn)生干擾電壓。因此,當(dāng)電壓極之前的地線與桿塔通過(guò)絕緣子絕緣時(shí),對(duì)于單地線的架空線路,電壓極引線首端所測(cè)得的電壓可表示為:
式中Zmi為電流極和電壓極引線之間單位長(zhǎng)度的互阻抗;ZmT為架空地線與電壓極引線之間的互阻抗;du為電壓極引線長(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)量電壓極引線電壓相量和電流極引線電流相量的同時(shí),利用柔性Rogowski線圈同步測(cè)量地線分流相量[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)于單地線的測(cè)試線路,由于式(2)中有接地網(wǎng)接地阻抗、電壓極和電流極引線間互感、地線與電壓極引線間互感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,電壓極引線長(zhǎng)度分別為du1、du2、du3,電源注入電流分別為,電壓極引線首端電壓分別為1、2、3,架空地線分流分別為實(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對(duì)電壓極引線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直接相連時(shí),架空地線中流過(guò)的電流并不是一直為每經(jīng)過(guò)一基桿,塔地線中電流就將有一部分流入大地,因此地線在電壓極引線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。
當(dāng)電壓極之前的地線與桿塔絕緣時(shí),對(duì)于平行雙地線的架空線路,電壓極引線首端的電壓為:
式中ZmT1、ZmT2分別為兩地線與電壓極引線之間的互阻抗;分別為兩地線中所流過(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,即雙地線對(duì)電壓極引線的互感干擾可以等效為單地線的情況,因此當(dāng)架空線路上為雙地線時(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)接地阻抗和線路間互阻抗。
根據(jù)圖1和圖2用PSCAD建立仿真模型,對(duì)單地線分流的接地網(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變?yōu)殡p地線,其他條件不變,對(duì)雙地線分流的接地阻抗測(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)可以得到消除地線分流影響以及各線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數(shù)目不同時(shí)的接地網(wǎng)接地阻抗。
表2 雙地線的接地阻抗測(cè)量結(jié)果Tab.2 Impedance measurement results with double ground lines
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曲線可知,只有第一檔桿塔與地線直接相連時(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%以內(nèi)且誤差逐漸減小。
當(dāng)電壓極之前的桿塔均與地線直接相連,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)于逐基接地的地線回路,其電壓極引線長(zhǎng)度不宜超過(guò)1.6 km,相應(yīng)的電流極引線不宜超過(guò)2.7 km。
3.2.2 地線類型對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響
當(dāng)雙地線其中一條為全線接地(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模型下的模值相對(duì)誤差曲線如圖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%。
在利用架空線路作為測(cè)量接地網(wǎng)接地阻抗的引線時(shí),若未解開(kāi)架空地線與接地網(wǎng)的連接構(gòu)架,會(huì)在該地線上產(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絕緣的情況下測(cè)量誤差在1%以內(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)于單地線和雙地線逐基接地的架空線路,電壓極引線的長(zhǎng)度應(yīng)保持在4倍桿塔檔距以內(nèi);對(duì)于兩條地線一條全線接地(OPGW),一條分段接地的架空線路,電壓極引線的長(zhǎng)度則不宜超過(guò)5倍桿塔檔距。