避雷線分流對桿塔接地電阻測量的影響

張博成，胡志堅，張凱軍

(武漢大學電氣工程學院，武漢市 430072)

避雷線分流對桿塔接地電阻測量的影響

張博成，胡志堅，張凱軍

(武漢大學電氣工程學院，武漢市 430072)

采用電流-電壓三極法測量架空線路桿塔的工頻接地電阻時，架空避雷線對注入桿塔地網(wǎng)的測量電流具有分流作用，從而影響接地電阻的測量精度。建立了架空避雷線對注入桿塔地網(wǎng)的測量電流的分流模型，分析了避雷線分流的程度和影響分流效果的因素及其影響規(guī)律。結果表明：(1)避雷線分流所占比重可以達到60%以上，當測量桿塔接地電阻較大、非測量桿塔接地電阻較小、測量桿塔為變電站出線上的前2座桿塔時，避雷線分流效果更明顯；(2)僅考慮分流電流大小對桿塔接地電阻測量的影響是不夠的，忽略分流電流與測量電流的相角差同樣會造成較大的測量誤差，導致接地電阻的測量值偏高。

桿塔；接地電阻；架空避雷線；分流；相角差

0 引 言

桿塔接地網(wǎng)的維護管理是輸電線路防雷以及電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行最基礎的工作之一，對其接地電阻的定期測量是非常必要的[1-2]。目前，桿塔工頻接地電阻的測量方法主要是電流-電壓三極法和鉗表法。由于鉗表法在原理上具有很大的局限性，國家標準DL/T 475—2006《接地裝置特性參數(shù)測量導則》以及DL/T 887—2004《桿塔工頻接地電阻測量》中規(guī)定，桿塔工頻接地電阻的測量宜采用電流-電壓三極法[3-4]。

用電流-電壓三極法測量運行中的桿塔地網(wǎng)接地電阻時，注入桿塔接地網(wǎng)的測量電流有一部分經(jīng)架空避雷線分流。以往，在分流測量手段不完善時，一般認為避雷線分流并不多，對地網(wǎng)接地電阻測量影響不大，但很多實測案例表明，避雷線分流部分的比重往往很大[5]。

如果忽略分流部分，直接用測量電流進行接地電阻計算，會使得測量電阻值小于真實接地電阻值；而忽略分流電流與測量電流的相角差，通過用分流系數(shù)修正接地電阻測量值，來消除分流影響的做法并不準確，同樣會造成較大的測量誤差。目前市面上的桿塔接地電阻測試儀器基本沒有同步采集分流電流與測量電流相量數(shù)據(jù)的功能。

本文在分析避雷線分流原理的基礎上，建立架空避雷線對注入桿塔地網(wǎng)的測量電流的分流模型；在此基礎上，通過對模型的仿真分析，指出避雷線分流大小的主要影響因素及其影響規(guī)律；此外，對測量計算接地電阻時是否考慮分流作用以及是否考慮分流電流的相位進行對比分析，指出用分流系數(shù)修正接地電阻值而忽略分流電流與測量電流之間的相角差的弊端。

1 避雷線分流原理

圖1給出了采用電流-電壓三極法測量桿塔地網(wǎng)接地電阻時避雷線分流的情況。對于實際運行中的線路桿塔，塔基通過接地引下線與接地網(wǎng)相連，而塔身與架空避雷線也存在物理連接。因此，注入桿塔接地網(wǎng)的測量電流只有一部分經(jīng)接地網(wǎng)散流進入大地，流回測量電源負極。另一部分由接地線、桿塔塔身流入架空避雷線，經(jīng)與避雷線相連的其他桿塔接地網(wǎng)、兩端變電站接地網(wǎng)流入大地。實際的分流等效電路如圖2所示。

圖1 桿塔接地電阻測量時的分流示意圖Fig.1 Shunting schematic diagram of measuring tower grounding resistance

圖2 桿塔接地電阻測量時的分流等效電路圖Fig.2 Shunting equivalent circuit of measuring tower grounding resistance

圖2中，Rj為被測桿塔的接地電阻，Ri(i=1，2，3，…，n,i≠j)為與避雷線相連的非測量桿塔接地電阻，RG1、RG2為兩端變電站接地電阻，ZLj為第j檔避雷線阻抗，Xtj為第j根桿塔的電抗。

(1)

式中Ze為回路中各桿塔電抗、非測量桿塔接地電阻、兩端變電站地網(wǎng)接地電阻以及各檔架空避雷線的阻抗經(jīng)串并聯(lián)后的等效阻抗。

顯然，|Z|

2 避雷線分流的程度與影響因素

IEEE標準給出了變電站發(fā)生短路故障時地線分流系數(shù)的定義[6]。與之類似，用電流-電壓三級法測量桿塔接地電阻時，可定義避雷線分流系數(shù)為K，其表達式為[7-13]

(2)

分流系數(shù)K可用來衡量架空避雷線對測量電流的分流能力，K的值越大，表明分流越嚴重，用電流-電壓三極法測量桿塔地網(wǎng)接地電阻的測量誤差也就越大。

為了分析桿塔接地電阻測量時避雷線分流的情況，揭示分流大小的影響因素及其影響規(guī)律，本文使用PSCAD搭建桿塔分流模型，進行仿真分析。

測量電流采用有效值為10 A、頻率為47 Hz的正弦異頻交流電流[14]。被測桿塔與變電站G1之間共有9檔線路，與變電站G2之間相距16檔，架空避雷線為2條平行布置的鋁包鋼絞線[15]，總長為 8.75 km，采用集中電感的桿塔模型[16]。其他具體的仿真參數(shù)如表1、2所示。

表1 桿塔分流模型的仿真參數(shù)
Table 1 Simulation parameters of tower shunting model

表2 架空避雷線的仿真參數(shù)Table 2 Simulation parameters of overhead ground wire

2.1 被測桿塔的接地電阻對分流的影響

其他參數(shù)不變，僅改變被測桿塔的接地電阻，將其阻值分別設置為5.0，7.0，9.0，11.0，13.0和 15.0 Ω，仿真結果如表3所示。從表3可以看出，隨著被測桿塔接地電阻的增大，分流電流增加，避雷線的分流效果顯著提高。

表3 被測桿塔接地電阻變化時的仿真計算結果
Table 3 Simulation results when measured tower grounding resistance changing

2.2 非測量桿塔接地電阻對分流的影響

仿真模型中共有(16+9)檔=25檔架空線路，除去被測桿塔，共有23座非測量桿塔。僅改變模型中非測量桿塔的接地電阻值進行分析，得到阻值分別為5.0，7.0，9.0，11.0，13.0和15.0 Ω時的分流情況，結果如表4所示。從表4可以看出，隨著非測量桿塔接地電阻的增大，避雷線分流電流減小，分流效果明顯降低。

表4 非測量桿塔接地電阻變化時的仿真計算結果
Table 4 Simulation results when grounding resistance changing of non-measurement towers

2.3 架空避雷線的型號對分流的影響

普通架空避雷線采用機械強度較大的鋁包鋼絞線，選用6種不同型號的避雷線(電阻率依次降低)進行分析，結果如表5所示。從表5可以看出，隨著避雷線直徑增大，電阻率減小，分流效果有所降低，但影響相當小。

表5 架空避雷線型號改變時的仿真計算結果
Table 5 Simulation results when overhead ground wire type changing

2.4 兩端變電站地網(wǎng)接地電阻對分流的影響

兩端變電站地網(wǎng)接地電阻分別為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5和0.6 Ω時，仿真結果如表6所示。由表6可知，隨著兩端變電站接地電阻的增大，避雷線分流電流略微增大，對分流效果影響不大。這是因為變電站地網(wǎng)規(guī)模較大，接地電阻遠小于桿塔接地網(wǎng)的電阻，對分流的影響可以忽略。

表6 兩端變電站接地電阻變化時的仿真計算結果
Table 6 Simulation results when grounding resistance changing of substations located at two ends of ground wire

2.5 測量桿塔所在位置對分流的影響

仿真模型中，兩端變電站G1和G2之間共有24座桿塔，將變電站接地電阻值均設為0.4 Ω,所有桿塔接地電阻值均設為8.0 Ω。改變測量桿塔位置，避雷線分流情況如圖3所示。

圖3 改變測量桿塔位置的分流情況Fig.3 Shunting situation when tower’s measurement position changing

從圖3可以看出，當被測桿塔為與變電站相距最近的桿塔時，分流系數(shù)超過0.84，注入桿塔地網(wǎng)的絕大部分測量電流都流入避雷線，經(jīng)變電站G1的接地網(wǎng)散流入地。隨著被測桿塔與變電站之間桿塔座數(shù)的增多，避雷線分流電流急劇減小，當被測桿塔與變電站相距2座桿塔以上時，避雷線分流效果趨于平穩(wěn)。

以上仿真結果表明，采用三極法測量桿塔接地電阻時，避雷線分流效果明顯。分流大小主要與桿塔接地電阻值有關，與被測桿塔的接地電阻呈正相關，而與非測量桿塔的接地電阻呈負相關。此外，被測桿塔與變電站的相對位置也會影響分流效果，當測量變電站出線上的第1、2座(特別是第1座)桿塔的接地電阻時，避雷線分流作用尤其嚴重。

3 分流對桿塔接地電阻測量的影響

3.1 不考慮分流的情況

選用2條平行雙避雷線，距地面高度為40 m，型號為LBGJ-150-30AC，所有桿塔的接地電阻設為8.0 Ω，變電站地網(wǎng)接地電阻設為0.4 Ω，測量桿塔為變電站G1出線上的第8座桿塔的接地電阻，各電流波形如圖4所示。

圖4 各電流的波形Fig.4 Waveforms of current

根據(jù)接地電阻的定義：接地電阻在數(shù)值上等于接地網(wǎng)對地電壓與通過接地極流入地中電流的比值。考慮架空避雷線的分流作用，桿塔地網(wǎng)接地電阻的準確測量表達式為

(3)

將表7的數(shù)據(jù)代入式(3)，得到接地電阻值為7.99 Ω，與接地電阻的設定值相符。然而，如果不考慮分流的影響，認為全部測量電流都經(jīng)被測桿塔地網(wǎng)散流入地，則測量值為Rj1，表達式為

(4)

此時，將表7的數(shù)據(jù)代入得到接地電阻值為3.25 Ω，測量值小于真實值。

表7 各電壓和電流的相量值
Table 7 Vectors of current and voltage

由第2節(jié)中的分析可知，采用三級法測量桿塔接地電阻時，架空避雷線對測量電流的分流往往能達到60%以上，即注入接地網(wǎng)的電流只有小部分通過接地網(wǎng)散流進入大地。如果不考慮避雷線分流，無疑使得測量值遠小于真實值，測量變得毫無意義。

3.2 僅考慮分流大小的情況

目前，采用三極法測量地網(wǎng)接地電阻時，一般使用接地電阻測試儀采集測量電流、電壓的相量數(shù)據(jù)。為了消除避雷線分流作用對接地電阻測量的影響，所采用的主要方法是：使用羅哥夫斯基線圈對測量桿塔基腳接地引下線進行分流測量，根據(jù)式(2)計算得到分流系數(shù)，用分流系數(shù)來修正接地電阻的測量值，如式(5)所示：

(5)

式中Rj2為接地電阻的修正值。

聯(lián)立式(2)、(4)、(5)，可得式(6)：

(6)

可以看出，由于沒有對測量電流與分流電流進行同步測量，這種方法僅考慮了分流電流的大小對接地電阻測量的影響，忽略了分流電流與測量電流之間的相位差造成的測量誤差。而桿塔、避雷線電感參數(shù)的存在，導致避雷線的分流電流與注入的測量電流必然存在相位差，如圖5所示。

圖5 避雷線分流的向量示意圖Fig.5 Vector diagram of ground wire shunting

從圖5容易得出，Rj2>Rj。即當僅考慮分流電流大小，而忽略分流電流與測量電流的相角差時，會使得桿塔接地電阻的測量值大于實際值。

3.3 仿真分析

測量桿塔為變電站G1出線上的第8座桿塔，將模型中非測量桿塔接地電阻Rf設為8.0 Ω，而將被測桿塔接地電阻值Rj分別設為5.0，7.0，9.0，11.0，13.0和15.0 Ω，對3種情況進行分析：(1)不考慮避雷線分流電流，直接用測量電流參與計算；(2)忽略分流電流與測量電流的相角差，僅考慮分流電流的大小，用測量電流的有效值減去分流電流的有效值參與計算；(3)考慮分流電流的大小和與測量電流的相角差，用測量電流與分流電流的相量差參與接地電阻的計算。仿真計算結果如表8所示。

表8 3種情況的仿真計算結果
Table 8 Simulation results of three cases Ω

表8中的數(shù)據(jù)充分證明了上文分析的正確性，即采用三極法測量桿塔接地電阻時，如果不考慮避雷線分流電流將導致接地電阻測量值小于實際值，僅考慮分流電流的大小而忽略相角則導致接地電阻測量值大于實際值，只有將分流電流的大小以及與注入測量電流的相位差均考慮在內，才能準確地測量到桿塔地網(wǎng)的實際接地電阻值。

圖6給出了非測量桿塔接地電阻Rf不同的幾種情況下，忽略避雷線分流作用時，桿塔接地電阻的測量誤差隨著被測桿塔接地電阻值Rj的變化情況。

圖6 忽略分流電流時接地電阻的計算誤差Fig.6 Calculation error of grounding resistance when ignoring shunt

從圖6可以看出，當被測桿塔接地電阻值為 5.0 Ω，所有的非測量桿塔的接地電阻值為11.0 Ω時，忽略分流作用造成的測量誤差在40%以上，且隨著被測桿塔接地電阻值的增加、非測量桿塔接地電阻值的減小，避雷線分流電流效果增強，接地電阻測量誤差急劇增大。

非測量桿塔的接地電阻Rf不同的幾種情況下，考慮分流電流大小而忽略其與測量電流的相位差，用分流電流系數(shù)修正接地電阻測量值時，測量誤差隨被測桿塔接地電阻的設定值Rj的變化趨勢如圖7所示。

圖7 僅考慮分流電流大小時接地電阻的計算誤差Fig.7 Calculation error of grounding resistance when only considering shunt size

從圖7可以看出，當被測桿塔與所有非測量桿塔的接地電阻值均設為5.0 Ω時，相對測量誤差達到30%以上，并且當桿塔(無論被測桿塔還是非測量桿塔)的實際接地電阻值增大時，測量誤差也隨之增大。

4 結 論

(1)使用電流—電壓三極法測量運行中的桿塔工頻接地電阻時，架空避雷線對測量電流的分流電流作用對測量結果會產(chǎn)生較大的影響。

(2)架空避雷線的分流電流效果往往能達到60%以上，且當被測桿塔接地電阻較大，而與避雷線相連的非測量桿塔接地電阻值較小時，分流電流效果更明顯。

(3)如果不考慮避雷線分流電流，接地電阻的測量值將遠小于實際值；而若只關注分流電流的大小，忽略分流電流與測量電流的相角差，將使得接地電阻的測量值偏高。

(4)為了消除避雷線分流電流對桿塔接地電阻測量的影響，應同步采集測量電流與避雷線分流電流的相量數(shù)據(jù)，使兩者相量差參與接地電阻的計算。可用2臺測試儀分別采集測量電流和避雷線分流電流，運用GPS的同步功能，實現(xiàn)電流數(shù)據(jù)的同步采集。

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(編輯 張小飛)

Influence of Ground Wire Shunting on Tower Grounding Resistance Measurement

ZHANG Bocheng，HU Zhijian，ZHANG Kaijun

(School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

When using the method of current-voltage three-electrode method to measure the power frequency grounding resistance of overhead line tower, the ground wire has a role in separating the measuring current into the tower grounding grid, which can affect the measurement accuracy of grounding resistance. This paper establishes a shunting model of measuring current into the tower grounding grid for overhead ground wire, and analyzes the degree of the ground wire shunting, the factors affecting the shunting effect and its influence law. The results show that: (1)the share of the ground wire shunting can reach more than 60%; the effect of shunting is more obvious when the grounding resistance of the measurement tower is greater, the grounding resistance of the non-measurement tower is smaller and the measurement tower is the first two tower from the substation; (2)only considering the effect of shunt size on grounding resistance measurement is not enough, ignoring the phase angle difference between the ground wire shunting and the measuring current can also cause big errors, which will make the measuring value of the grounding resistance higher.

tower; grounding resistance; overhead ground wire; shunt; phase angle difference

TM 754

A

1000-7229(2016)04-0070-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.04.011

2015-11-21

張博成(1991)，男，工學碩士，主要從事輸電線路帶電測量、電力系統(tǒng)接地等方面的研究工作；

胡志堅(1969)，男，博士、教授、博士研究生導師，研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制、新能源接入與分布式發(fā)電、輸電線路參數(shù)帶電測量等。