李艷鵬，晉 濤，李永祥

（國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

大型變電站的地網(wǎng)接地阻抗是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，是關(guān)系變電站安全運(yùn)行的關(guān)鍵因素。接地網(wǎng)接地阻抗的準(zhǔn)確測(cè)量直接影響到接地網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量檢驗(yàn)的正確判斷，是評(píng)價(jià)接地裝置特性的有效手段。在實(shí)際接地阻抗測(cè)試中使用的有電位降法、直線(xiàn)法、夾角法和遠(yuǎn)離法，前3種方法受土壤電阻率均勻性影響很大，而遠(yuǎn)離法涉及的放線(xiàn)距離遠(yuǎn)，在實(shí)際使用中各有優(yōu)缺點(diǎn)。

1 接地阻抗測(cè)試原理

接地阻抗是電流經(jīng)接地裝置流入大地時(shí)接地網(wǎng)的電位和電流的比值?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試地網(wǎng)接地阻抗一般采用三極法，通過(guò)在接地極與電流極之間施加電流，測(cè)量接地極和電壓極之間的電壓，最終計(jì)算得出接地阻抗值。以下是接地網(wǎng)接地阻抗的基本原理。

1.1 電位降法

電位降法是接地阻抗測(cè)試的基本方法。其原理是設(shè)置一個(gè)電流極固定不動(dòng)，將電壓極沿著電流極與接地極的連線(xiàn)移動(dòng)多次，用高阻電壓表測(cè)出接地裝置與電壓極之間的地表電壓，繪出接地網(wǎng)與電流極之間的電位降曲線(xiàn)，分析測(cè)量曲線(xiàn)，將測(cè)量曲線(xiàn)中的飽和段電壓近似作為接地裝置相對(duì)于無(wú)窮遠(yuǎn)處的電壓，找出曲線(xiàn)平坦段對(duì)應(yīng)的視在接地阻抗即為接地阻抗實(shí)際測(cè)量值。在實(shí)際測(cè)量工作中，電位降法需要反復(fù)多次測(cè)量，工作量大，電位降曲線(xiàn)繪制相對(duì)比較麻煩，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)不易開(kāi)展。

1.2 補(bǔ)償法

補(bǔ)償法是通過(guò)利用電流極的引入所造成的電場(chǎng)畸變使無(wú)窮遠(yuǎn)處的零電位面移至接地網(wǎng)G和電流極C之間，相對(duì)于零電位面所測(cè)得的接地阻抗即為接地網(wǎng)與電流極共同作用下的接地阻抗值，達(dá)到縮短測(cè)量引線(xiàn)長(zhǎng)度和減少工作量的目的。補(bǔ)償法又分為直線(xiàn)法和夾角法。

直線(xiàn)法測(cè)試接線(xiàn)如圖1所示，三極分別為被測(cè)接地裝置G、測(cè)量用的電壓極P和電流極C。其中電流線(xiàn)長(zhǎng)度dCG約為被測(cè)接地網(wǎng)最大對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度的4～5倍，電壓極到接地網(wǎng)的距離dPG約為電流極到接地網(wǎng)距離的50%～60%。測(cè)量時(shí)電壓極沿被測(cè)接地裝置G與電流極C的連線(xiàn)方向移動(dòng)3次，每次移動(dòng)的距離為dCG的5%左右，當(dāng)3次測(cè)試的結(jié)果誤差在5%以?xún)?nèi)即可取測(cè)量值為接地阻抗值。

圖1 直線(xiàn)法的原理接線(xiàn)圖

1.3 遠(yuǎn)離法

補(bǔ)償法是基于均勻土壤得出的結(jié)論，在土壤結(jié)構(gòu)極不均勻的場(chǎng)合不宜采用。對(duì)于非均勻土壤條件下的接地阻抗測(cè)量，目前規(guī)程DL/T475推薦采用基于物理零電位點(diǎn)的遠(yuǎn)離法進(jìn)行測(cè)量。

在工程實(shí)際測(cè)量中，無(wú)法將電壓測(cè)量極布置到無(wú)窮遠(yuǎn)處，只能布置在距接地網(wǎng)一定距離、工程上能接受的地方。布線(xiàn)距離足夠遠(yuǎn)可以得到接近真實(shí)的接地阻抗值。

2 測(cè)試干擾因素分析

2.1 土壤電阻率的影響

接地阻抗是電流流經(jīng)接地裝置向地中散流時(shí)土壤所呈現(xiàn)的阻礙作用。當(dāng)在接地極注入一個(gè)電流I時(shí)，該電流將通過(guò)接地裝置向大地呈半球形散流，并最終流向無(wú)窮遠(yuǎn)處。若假設(shè)土壤電阻率均勻分布，土壤電阻率為ρ，接地裝置的半徑為r，則可得出接地裝置的阻抗

補(bǔ)償法包括直線(xiàn)法和夾角法，測(cè)試原理相同，以?shī)A角法為例分析，其測(cè)量原理如圖2所示。

如圖2所示，E為等值半徑為r的接地裝置，C為電流極，P為電壓極。c為接地裝置E與電流極C的距離，p為接地裝置E與電壓極P的距離，θ為電壓極與電流極間的夾角。

圖2 夾角法測(cè)量原理圖

假設(shè)流入電極E的電流為正，則電流極流出電極E的電流為負(fù)，所以在電極E形成的電位差為

同理，電極E與電流極C在電壓極P處形成的電位差為

通過(guò)接地極E和電壓極P的電位差，計(jì)算得出接地阻抗為

補(bǔ)償法測(cè)試接地阻抗是在接地極為半球體和土壤電阻率相等的前提下得出的，對(duì)于接地極、電壓極和電流極土壤電阻率變化較大的情況，公式（1）、（2）和（3）均不成立，利用直線(xiàn)法和夾角法難以獲得準(zhǔn)確的接地阻抗測(cè)量結(jié)果。尤其是現(xiàn)場(chǎng)人工布線(xiàn)距離相比地網(wǎng)面積相差不大的情況，接地體散流也不能等效集中在接地極附近。

2.2 引線(xiàn)互感的影響

互感干擾是測(cè)試布線(xiàn)引入的干擾，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試使用異頻法能避免周?chē)ゎl磁場(chǎng)的干擾，但仍存在電流測(cè)試引線(xiàn)在電壓線(xiàn)上引入的干擾。為了簡(jiǎn)化分析，本文將測(cè)試布線(xiàn)回路等效為2個(gè)矩形平面，電流線(xiàn)和電壓線(xiàn)均布置在大地平面上，兩者之間的角度為θ，電壓線(xiàn)形成的回路平面面積為S1，電流線(xiàn)施加電流為I，如圖3所示。

由電磁場(chǎng)原理可知，距離導(dǎo)線(xiàn)距離為x的圓周上任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為

式中，x為電流線(xiàn)至電壓回路投影平面的平均距離。

地中回流也可以等效為電流為I的導(dǎo)體，導(dǎo)體的鏡像深度與電流的穿透深度有關(guān)，受到土壤的分布結(jié)構(gòu)和成分影響。回流導(dǎo)體的電流與電壓回路之間有互感，會(huì)在電壓回路上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，同樣依據(jù)公式（5）可以計(jì)算出互感，施加電流對(duì)電壓回路的互感由電流線(xiàn)及回流導(dǎo)體共同作用，其大小與電流在土壤中穿透深度、與電壓線(xiàn)及電流線(xiàn)布置的空間相對(duì)位置有關(guān)。

從圖3和公式5可以得出，地網(wǎng)測(cè)試時(shí)施加電流對(duì)電壓回路的互感耦合可以通過(guò)增加兩者的空間距離及角度θ來(lái)減小，兩者間的角度θ≥90°情況下，忽略接地極處地中電流方向的影響，電流對(duì)電壓回路的互感為零。

3 接地阻抗現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

±800 kV特高壓雁門(mén)關(guān)換流站接地網(wǎng)水平接地體的敷設(shè)深度按0.8 m設(shè)計(jì)，并通過(guò)2.5 m垂直接地體埋入凍土層以下。水平接地體選用150 mm2銅絞線(xiàn)。接地網(wǎng)最大邊長(zhǎng)約為574.5 m和307.5m，最大對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度約為652 m，與接地網(wǎng)外圍連接有9口300 m接地深井，接地阻抗設(shè)計(jì)值為0.23 Ω。

表1 晉北站分層土壤電阻率

考慮到±800 kV特高壓雁門(mén)關(guān)換流站所在地區(qū)土壤電阻分層和接地網(wǎng)所處的土壤不均勻。本次試驗(yàn)采用遠(yuǎn)離法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試中用換流站接地極作為電流極，電流線(xiàn)長(zhǎng)度約為71 km，用換流站外第17級(jí)直流線(xiàn)路桿塔地網(wǎng)作為電壓極，電壓線(xiàn)長(zhǎng)度約為7.1 km，遠(yuǎn)大于接地網(wǎng)對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度，電流線(xiàn)電壓線(xiàn)間夾角約為90°?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 接地阻抗測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

a)換流站接地網(wǎng)面積大，土壤電阻率分布不均勻，現(xiàn)場(chǎng)采用直線(xiàn)法和夾角法測(cè)試阻抗均為0.6 Ω，測(cè)試電阻為0.08 Ω，分析測(cè)試結(jié)果主要受測(cè)試方法和回路間互感的影響，直線(xiàn)法和夾角法在土壤電阻率不均勻的情況下，一是測(cè)試中已無(wú)法通過(guò)計(jì)算找到電壓的零位點(diǎn)，土壤電阻率均勻條件下的計(jì)算公式已不適用，二是受現(xiàn)場(chǎng)地理?xiàng)l件限制，人工布線(xiàn)很難保證電壓線(xiàn)與電流線(xiàn)的空間距離和角度，電流線(xiàn)對(duì)電壓線(xiàn)形成互感影響測(cè)試結(jié)果。

b)遠(yuǎn)離法測(cè)試接地阻抗可以克服土壤電阻率不均勻帶來(lái)的影響，但是要求電流極、電壓極與接地極三者距離足夠遠(yuǎn)，距離越遠(yuǎn)，引起的誤差越小，建議至少大于10倍的接地網(wǎng)對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度?，F(xiàn)場(chǎng)一般需要借助建成的輸電線(xiàn)作為電壓線(xiàn)和電流線(xiàn)，應(yīng)選擇兩者的角度大于90%，以排除互感的影響。此外，遠(yuǎn)離法還應(yīng)注意避免與電壓線(xiàn)、電流線(xiàn)交叉的帶電線(xiàn)路對(duì)測(cè)試的影響。

c)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)盡可能降低電流線(xiàn)回路的回路電阻，提高測(cè)試的信噪比。