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        接地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試方法誤差分析

        2018-03-14 06:09:24徐碧川龍國(guó)華周友武周龍武
        江西電力 2018年2期
        關(guān)鍵詞:放線分流電位

        徐碧川,萬 華,龍國(guó)華,周友武,周龍武,張 競(jìng)

        0 引言

        發(fā)電廠和變電站接地網(wǎng)是變電站設(shè)備的重要組成部分,它不僅為變電站內(nèi)各電氣設(shè)備提供公共的參考地,同時(shí)在系統(tǒng)發(fā)生接地故障時(shí)還起到了泄放故障電流、改善地表電位分布的作用,對(duì)于保障站內(nèi)一、二次設(shè)備以及人員的安全有著至關(guān)重要的作用[1-3]。

        在接地網(wǎng)接地性能參數(shù)異常的情況下,系統(tǒng)接地短路或遭受雷擊,會(huì)導(dǎo)致電位的異常抬升和地表電位的異常分布,從而對(duì)站內(nèi)人員、設(shè)備的安全造成威脅,特別是地網(wǎng)反擊造成二次設(shè)備絕緣擊穿,導(dǎo)致監(jiān)測(cè)、控制或保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)或拒動(dòng)而“間接”導(dǎo)致事故擴(kuò)大,造成嚴(yán)重的事故,帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。

        接地阻抗的測(cè)量在接地網(wǎng)全過程管理階段是最常用的測(cè)試手段,也是反映接地網(wǎng)接地性能的最直觀體現(xiàn),它能在一定程度上為變電站運(yùn)維人員提供接地網(wǎng)安全性能的參考。本文通過對(duì)江西電網(wǎng)變電站主地網(wǎng)運(yùn)維情況資料的收集、調(diào)研,總結(jié)出接地網(wǎng)運(yùn)維檢修過程中接地阻抗測(cè)試存在的典型問題,并針對(duì)接地阻抗測(cè)試方法不當(dāng)?shù)母鞣N情況帶來的測(cè)試誤差進(jìn)行仿真與分析,并提出相應(yīng)的建議。

        1 接地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試問題分析

        在江西電網(wǎng)變電站接地網(wǎng)交接、運(yùn)維檢修階段,發(fā)現(xiàn)了接地阻抗測(cè)試存在如下典型問題:

        1)接地阻抗測(cè)試超期。未按照接地阻抗例行測(cè)試的周期進(jìn)行測(cè)試。

        2)測(cè)試放線長(zhǎng)度不符合測(cè)量導(dǎo)則要求。文獻(xiàn)[4]要求:“測(cè)試接地裝置工頻特性參數(shù)的電流極應(yīng)布置得盡量遠(yuǎn),通常電流極與被試接地裝置邊緣的距離應(yīng)為被試接地裝置最大對(duì)角線長(zhǎng)度的4-5倍”。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示,在進(jìn)行接地阻抗測(cè)試時(shí),部分電流極的放線長(zhǎng)度未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

        3)零電位點(diǎn)確定方法不規(guī)范。直線法測(cè)量接地阻抗時(shí),需要移動(dòng)電位極尋找零電位點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]要求,電位極應(yīng)在與被測(cè)接地裝置與電流極連線方向移動(dòng)三次,每次移動(dòng)距離為電流極距接地裝置邊緣距離的5%,當(dāng)三次測(cè)試的結(jié)果誤差在5%以內(nèi)即可。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示,部分測(cè)量中未尋找零電位點(diǎn),直接將單次測(cè)試結(jié)果作為變電站接地阻抗值,在零電位點(diǎn)的尋找過程中,移動(dòng)距離不夠、移動(dòng)位置嚴(yán)重偏移等現(xiàn)象較為普遍。

        4)放線時(shí)電流線與電壓線距離太近。采用直線法測(cè)試接地阻抗時(shí),為了避免互感對(duì)測(cè)試結(jié)果帶來的影響,文獻(xiàn)[4]要求電位線和電流線保持盡量遠(yuǎn)的距離。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示,部分測(cè)試過程中,未將電位線和電流線隔遠(yuǎn),給測(cè)試結(jié)果帶來誤差。例如在某次測(cè)試中,電位線與電流線相隔距離只有80 cm左右,并行長(zhǎng)度超過1 km,此時(shí)互感會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來較大影響。

        5)未考慮外延接地系統(tǒng)分流的影響。在對(duì)運(yùn)行變電站進(jìn)行接地阻抗測(cè)試時(shí),未考慮連接到主地網(wǎng)的避雷線或進(jìn)線電纜外護(hù)套在測(cè)試過程中分流的影響,造成測(cè)試結(jié)果普遍偏小,不能真實(shí)反映變電站地網(wǎng)接地阻抗值。

        2 接地阻抗測(cè)試誤差仿真分析

        接地網(wǎng)具有隱蔽工程的特點(diǎn),所處環(huán)境和影響因素復(fù)雜,接地阻抗的準(zhǔn)確測(cè)量,特別是大型接地網(wǎng)的測(cè)量,長(zhǎng)期以來一直是困擾國(guó)內(nèi)外接地技術(shù)工作者,但又必須面對(duì)并解決的技術(shù)難題。

        2.1 測(cè)試放線長(zhǎng)度不足

        直線法測(cè)試誤差來源并不單一,除了放線長(zhǎng)度、引線互感,還有零電位點(diǎn)的確立等人為因素,特別是直線法測(cè)試時(shí),電壓極移動(dòng)存在極大的不規(guī)范性,移動(dòng)距離不夠或者根本未進(jìn)行測(cè)距,移動(dòng)時(shí)由于路徑等現(xiàn)場(chǎng)因素導(dǎo)致角度嚴(yán)重偏移,直線法的測(cè)試存在諸多問題。故本文主要分析夾角法的放線長(zhǎng)度帶來的測(cè)試誤差。

        為了分析方便,建立了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)易接地網(wǎng)模型,接地網(wǎng)尺寸為100 m×100 m,最大對(duì)角線長(zhǎng)度140 m,網(wǎng)格尺寸為10 m×10 m,接地導(dǎo)體為截面積480 mm2的扁鋼,運(yùn)用CDEGS對(duì)不同的布線方法進(jìn)行仿真,分析布線方法的差異帶來的誤差。

        土壤電阻率取100 Ω·m,應(yīng)用上述標(biāo)準(zhǔn)接地網(wǎng)模型進(jìn)行仿真,在接地軟件CDEGS[5-6]的MALZ模塊中計(jì)算地網(wǎng)接地阻抗真實(shí)值為0.4 570∠0.69°Ω,測(cè)試方法選用文獻(xiàn)[4]中的夾角法,夾角取180°和90°,測(cè)試電流用異頻法48 Hz/10A,采用兩種放線距離分別進(jìn)行測(cè)試:

        方案1:電流線自接地網(wǎng)向東布置,電流極至接地網(wǎng)邊緣300 m(2D),電壓線自接地網(wǎng)向西布置,電壓極至接地網(wǎng)邊緣300 m(2D)。

        方案2:電流線自接地網(wǎng)向東布置,電流極至接地網(wǎng)邊緣700 m(5D),電壓線自接地網(wǎng)向西布置,電壓極至接地網(wǎng)邊緣700 m(5D)。

        圖1 180°夾角法布線示意

        圖2 90°夾角法布線示意

        由于電流極的引入對(duì)電壓極電位造成了影響,將導(dǎo)致接地網(wǎng)與電位極之間電位差測(cè)量值較地網(wǎng)真實(shí)電位升高偏小,此偏差可以通過文獻(xiàn)[4]中的公式進(jìn)行修正。

        運(yùn)用CDEGS對(duì)上述兩種放線長(zhǎng)度的測(cè)試情況進(jìn)行仿真,結(jié)果見表1。

        表1 夾角法放線距離不同的測(cè)試誤差對(duì)比

        從表1中的結(jié)果來看,在夾角法的應(yīng)用過程中,2D和5D的放線距離差別導(dǎo)致了接地網(wǎng)直接測(cè)試值存在10%左右的差別,而在修正系數(shù)對(duì)測(cè)試值進(jìn)行修正后,該偏差被進(jìn)一步放大,導(dǎo)致了接近20%的差別。5D的放線距離最終的接地阻抗誤差僅有7.02%,遠(yuǎn)小于2D的放線距離的測(cè)試結(jié)果。

        放線距離過小導(dǎo)致了接地阻抗的最終測(cè)試值與真實(shí)值產(chǎn)生明顯的偏差,造成偏差的主要原因是修正系數(shù)的原理性誤差。從修正系數(shù)的推導(dǎo)過程可以看出,所有推導(dǎo)都是基于均勻土壤下接地網(wǎng)的半球形等效模型,在放線距離過短的情況下,接地網(wǎng)散流在小范圍內(nèi)的地表電位分布與半球形散流模型存在較大差別,從而導(dǎo)致了接地阻抗修正后,測(cè)量偏差被進(jìn)一步放大。該偏差在非均勻的土壤中以及夾角小于180°的測(cè)試方案下會(huì)被進(jìn)一步放大。

        2.2 引線間互感

        為了分析方便,同樣建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)易接地網(wǎng)模型,用來模擬典型220 kV變電站主地網(wǎng)尺寸,接地網(wǎng)尺寸為200 m×200 m,最大對(duì)角線長(zhǎng)度280 m,網(wǎng)格尺寸為10 m×10 m,接地導(dǎo)體為截面積480 mm2的扁鋼,運(yùn)用CDEGS對(duì)不同的布線方法進(jìn)行仿真,分析引線互感對(duì)測(cè)試結(jié)果帶來的誤差。

        如果接地網(wǎng)處于表2所示的中等土壤電阻率的條件下,運(yùn)用CDEGS仿真得到接地網(wǎng)接地阻抗真實(shí)值為0.5048∠0.53°Ω。其他條件不變,再次進(jìn)行仿真,結(jié)果見表3。

        表2 層狀土壤結(jié)構(gòu)

        表3 不同布線間距情況下的誤差對(duì)比

        從計(jì)算結(jié)果來看,在平均布線間距為2.5 m時(shí),互感阻抗達(dá)接地阻抗真實(shí)值的1.15倍,此時(shí)接地阻抗的測(cè)試值為真實(shí)值的1.52倍。

        通過對(duì)110 kV、220 kV、500 kV典型變電站接地網(wǎng)仿真,推薦110 kV變電站放線間距至少4 m,220 kV變電站放線間距至少8 m,500 kV變電站放線間距至少9 m,以上計(jì)算值均為平均土壤電阻率為100 Ω·m的前提下仿真計(jì)算得出,在土壤電阻率較高的地區(qū)布線間距下限可以適當(dāng)放寬,此時(shí)引線互感導(dǎo)致的接地網(wǎng)測(cè)量誤差可控制在10%以內(nèi)。然而,考慮現(xiàn)場(chǎng)土壤分布的不均勻性,電壓極在0.5~0.6倍dCG之間移動(dòng)5%時(shí),測(cè)量結(jié)果變化變化往往超過5%,且沒有規(guī)律,直線法在尋找零電位點(diǎn)的過程存在困難,且測(cè)試工作量較大。

        綜上所述,220 kV及以上電壓等級(jí)的變電站接地網(wǎng)接地阻抗不推薦采用直線法進(jìn)行測(cè)量,如果受條件限制必須用直線法測(cè)量的,必須保證上述放線間距,且在結(jié)合GPS定位的情況下,按照規(guī)程移動(dòng)電壓極準(zhǔn)確的找到零電位點(diǎn),方能保證測(cè)試結(jié)果的可信度。

        2.3 外延接地系統(tǒng)的分流

        對(duì)接地網(wǎng)進(jìn)行接地阻抗測(cè)試時(shí),外延接地系統(tǒng)會(huì)將一部分測(cè)試電流分走,使得通過接地網(wǎng)入地的電流減小,從而使測(cè)試結(jié)果偏小。外延接地系統(tǒng)包括與接地網(wǎng)連接的架空出線避雷線、與地網(wǎng)連接的電纜外護(hù)套、與接地網(wǎng)焊接的消防水管和其它金屬體等,架空地線分流如圖3所示。

        圖3 架空地線接入變電站地網(wǎng)后拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和分流

        廠站發(fā)生短路時(shí),其分流系數(shù)是由系統(tǒng)中的電流分布決定的,因而影響分流系數(shù)的參數(shù)有:廠、站接地阻抗、桿塔接地阻抗、地線和相線自阻抗、相線和地線間的互阻抗、以及從母線看系統(tǒng)的等值阻抗。這些參數(shù)很大一部分與線路參數(shù)關(guān)系密切。

        對(duì)江西某110 kV變電站進(jìn)行分流系數(shù)的仿真,本期110 kV側(cè)2回進(jìn)線,根據(jù)具體參數(shù),運(yùn)用ATP對(duì)該變電站進(jìn)行建模仿真,仿真得到站內(nèi)單相及兩相接地短路時(shí),短路電流Is、避雷線流過的電流Ib、以及接地網(wǎng)入地電流Ig的有效值見表4,其中,兩相接地短路電流分流波形見圖4。

        表4 某110 kV變電站短路電流水平

        圖4 兩相接地短路電流分流波形

        可見,本期遠(yuǎn)期2回出線的情況下,站內(nèi)短路時(shí)避雷線分走的電流約占短路電流的72.9%。如果在實(shí)際測(cè)量中,接地阻抗測(cè)量值為0.3 Ω,則接地阻抗的實(shí)際值應(yīng)為0.3/(1-0.729)=1.11 Ω??梢?,在接地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試中,不進(jìn)行分流系數(shù)的測(cè)試,將導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果嚴(yán)重偏離真實(shí)值。

        在進(jìn)行變電站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)階段,設(shè)計(jì)單位必須對(duì)廠站進(jìn)行分流系數(shù)的計(jì)算,以確定接地網(wǎng)接地阻抗設(shè)計(jì)值是否滿足變電站安全的要求[7]。對(duì)于詳細(xì)的分流系數(shù),應(yīng)根據(jù)實(shí)際的變電站設(shè)備及出線參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算,且計(jì)算工況包括各種運(yùn)行方式下的各種接地短路故障,包括站內(nèi)短路故障以及站外短路故障。然而,隨著變電站投運(yùn)后,新增的出線以及變化的接地網(wǎng)及桿塔的接地阻抗將可能導(dǎo)致分流系數(shù)發(fā)生較大變化,特別是電纜外護(hù)套對(duì)分流系數(shù)的影響較大,同時(shí)隨著主變的新增以及系統(tǒng)短路容量的增加,從而導(dǎo)致入地電流也發(fā)生較大變化,故分流系數(shù)的測(cè)量應(yīng)作為接地網(wǎng)安全性評(píng)估的重要環(huán)節(jié)而被重視起來。

        3 外延接地系統(tǒng)分流系數(shù)實(shí)測(cè)

        在對(duì)2.3中的江西某110 kV變電站進(jìn)行接地阻抗的測(cè)試時(shí),進(jìn)行分流系數(shù)的實(shí)測(cè),測(cè)試儀器選用DF9000變頻大電流接地特性測(cè)試儀。對(duì)接地網(wǎng)產(chǎn)生分流的只有110 kV的兩回線路的避雷線,由于該站10 kV電力出線為單端接地,故可以不考慮電纜護(hù)套的分流。在測(cè)量接地阻抗的同時(shí),用羅氏線圈圈住出線門型構(gòu)架各個(gè)架腳,以注入電流為0相位,基準(zhǔn)向量通過無線發(fā)射裝置發(fā)出相位參考,分流測(cè)試單元接收該信號(hào),從而測(cè)出各部分為分流向量的幅值和相角,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖5所示。注入的測(cè)試電流幅值3.07 A,即I0=3.07∠0°A各架腳測(cè)量所得的分流電流向量見表5。

        圖5 分流系數(shù)的測(cè)量

        表5 分流測(cè)試數(shù)據(jù)

        則通過地網(wǎng)散流的電流Ig=3.07∠0°+2.08∠-177.4°=0.99∠-185.5°A。避雷線分流系數(shù)為67.8%,地網(wǎng)分得總電流的百分比為32.2%。

        可見,本期2回出線的情況下,站內(nèi)短路時(shí)避雷線分走的電流約占短路電流的67.8%,這與仿真值72.9%比較吻合,說明仿真模型比較接近實(shí)際。

        4 結(jié)論及建議

        1)在夾角法的運(yùn)用過程中,如果放線距離不夠,修正系數(shù)引入的原理性誤差會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生較大偏差,該偏差隨著夾角法夾角的變小和土壤的不均勻度變大而增加,180°反向法是克服不均勻土壤影響、減小放線距離不足帶來的影響的有效方法。

        2)220 kV及以上電壓等級(jí)的變電站接地網(wǎng)接地阻抗不推薦采用直線法進(jìn)行測(cè)量,如果受條件限制必須用直線法測(cè)量的,必須保證引線間距,且在結(jié)合GPS定位的情況下,按照規(guī)程移動(dòng)電壓極準(zhǔn)確的找到零電位點(diǎn),方能保證測(cè)試結(jié)果的可信度。

        3)在接地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試中,不進(jìn)行分流系數(shù)的測(cè)試,將導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果嚴(yán)重偏離真實(shí)值,在測(cè)試接地阻抗時(shí),應(yīng)同時(shí)進(jìn)行分流系數(shù)的測(cè)量。

        [1]何金良,曾嶸.電力系統(tǒng)接地技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

        [2]解廣潤(rùn).電力系統(tǒng)接地技術(shù)[M].北京:水利電力出版社,1991.

        [3]李謙.電力系統(tǒng)接地網(wǎng)特性參數(shù)實(shí)用測(cè)量及其應(yīng)用[M].北京:中國(guó)電力出版社,2013.

        [4]DL/T 475-2006接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則[S].

        [5]曾嶸,陳水明.CDEGS軟件包及其在多層土壤接地設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].華東電力,1998,1(6):31-34.

        [6]牛曉民.電力系統(tǒng)接地分析軟件CDEGS簡(jiǎn)介[J].華北電力技術(shù),2004,12(12):29-31.

        [7]GB 50065-2011交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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