接地網接地阻抗測試方法誤差分析

徐碧川，萬 華，龍國華，周友武，周龍武，張 競

0 引言

發(fā)電廠和變電站接地網是變電站設備的重要組成部分，它不僅為變電站內各電氣設備提供公共的參考地，同時在系統(tǒng)發(fā)生接地故障時還起到了泄放故障電流、改善地表電位分布的作用，對于保障站內一、二次設備以及人員的安全有著至關重要的作用[1-3]。

在接地網接地性能參數異常的情況下，系統(tǒng)接地短路或遭受雷擊，會導致電位的異常抬升和地表電位的異常分布，從而對站內人員、設備的安全造成威脅，特別是地網反擊造成二次設備絕緣擊穿，導致監(jiān)測、控制或保護設備誤動或拒動而“間接”導致事故擴大，造成嚴重的事故，帶來巨大的經濟損失和社會影響。

接地阻抗的測量在接地網全過程管理階段是最常用的測試手段，也是反映接地網接地性能的最直觀體現，它能在一定程度上為變電站運維人員提供接地網安全性能的參考。本文通過對江西電網變電站主地網運維情況資料的收集、調研，總結出接地網運維檢修過程中接地阻抗測試存在的典型問題，并針對接地阻抗測試方法不當的各種情況帶來的測試誤差進行仿真與分析，并提出相應的建議。

1 接地網接地阻抗測試問題分析

在江西電網變電站接地網交接、運維檢修階段，發(fā)現了接地阻抗測試存在如下典型問題：

1）接地阻抗測試超期。未按照接地阻抗例行測試的周期進行測試。

2）測試放線長度不符合測量導則要求。文獻[4]要求：“測試接地裝置工頻特性參數的電流極應布置得盡量遠，通常電流極與被試接地裝置邊緣的距離應為被試接地裝置最大對角線長度的4-5倍”。調研數據顯示，在進行接地阻抗測試時，部分電流極的放線長度未能達到標準要求。

3）零電位點確定方法不規(guī)范。直線法測量接地阻抗時，需要移動電位極尋找零電位點。文獻[4]要求，電位極應在與被測接地裝置與電流極連線方向移動三次，每次移動距離為電流極距接地裝置邊緣距離的5%，當三次測試的結果誤差在5%以內即可。調研數據顯示，部分測量中未尋找零電位點，直接將單次測試結果作為變電站接地阻抗值，在零電位點的尋找過程中，移動距離不夠、移動位置嚴重偏移等現象較為普遍。

4）放線時電流線與電壓線距離太近。采用直線法測試接地阻抗時，為了避免互感對測試結果帶來的影響，文獻[4]要求電位線和電流線保持盡量遠的距離。調研數據顯示，部分測試過程中，未將電位線和電流線隔遠，給測試結果帶來誤差。例如在某次測試中，電位線與電流線相隔距離只有80 cm左右，并行長度超過1 km，此時互感會對測量結果帶來較大影響。

5）未考慮外延接地系統(tǒng)分流的影響。在對運行變電站進行接地阻抗測試時，未考慮連接到主地網的避雷線或進線電纜外護套在測試過程中分流的影響，造成測試結果普遍偏小，不能真實反映變電站地網接地阻抗值。

2 接地阻抗測試誤差仿真分析

接地網具有隱蔽工程的特點，所處環(huán)境和影響因素復雜，接地阻抗的準確測量，特別是大型接地網的測量，長期以來一直是困擾國內外接地技術工作者，但又必須面對并解決的技術難題。

2.1 測試放線長度不足

直線法測試誤差來源并不單一，除了放線長度、引線互感，還有零電位點的確立等人為因素，特別是直線法測試時，電壓極移動存在極大的不規(guī)范性，移動距離不夠或者根本未進行測距，移動時由于路徑等現場因素導致角度嚴重偏移，直線法的測試存在諸多問題。故本文主要分析夾角法的放線長度帶來的測試誤差。

為了分析方便，建立了一個標準的簡易接地網模型，接地網尺寸為100 m×100 m，最大對角線長度140 m，網格尺寸為10 m×10 m，接地導體為截面積480 mm2的扁鋼，運用CDEGS對不同的布線方法進行仿真，分析布線方法的差異帶來的誤差。

土壤電阻率取100 Ω·m，應用上述標準接地網模型進行仿真，在接地軟件CDEGS[5-6]的MALZ模塊中計算地網接地阻抗真實值為0.4 570∠0.69°Ω，測試方法選用文獻[4]中的夾角法，夾角取180°和90°，測試電流用異頻法48 Hz/10A，采用兩種放線距離分別進行測試：

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

方案2：電流線自接地網向東布置，電流極至接地網邊緣700 m（5D），電壓線自接地網向西布置，電壓極至接地網邊緣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電壓極電位造成了影響，將導致接地網與電位極之間電位差測量值較地網真實電位升高偏小，此偏差可以通過文獻[4]中的公式進行修正。

運用CDEGS對上述兩種放線長度的測試情況進行仿真，結果見表1。

表1 夾角法放線距離不同的測試誤差對比

從表1中的結果來看，在夾角法的應用過程中，2D和5D的放線距離差別導致了接地網直接測試值存在10%左右的差別，而在修正系數對測試值進行修正后，該偏差被進一步放大，導致了接近20%的差別。5D的放線距離最終的接地阻抗誤差僅有7.02%，遠小于2D的放線距離的測試結果。

放線距離過小導致了接地阻抗的最終測試值與真實值產生明顯的偏差，造成偏差的主要原因是修正系數的原理性誤差。從修正系數的推導過程可以看出，所有推導都是基于均勻土壤下接地網的半球形等效模型，在放線距離過短的情況下，接地網散流在小范圍內的地表電位分布與半球形散流模型存在較大差別，從而導致了接地阻抗修正后，測量偏差被進一步放大。該偏差在非均勻的土壤中以及夾角小于180°的測試方案下會被進一步放大。

2.2 引線間互感

為了分析方便，同樣建立一個標準的簡易接地網模型，用來模擬典型220 kV變電站主地網尺寸，接地網尺寸為200 m×200 m，最大對角線長度280 m，網格尺寸為10 m×10 m，接地導體為截面積480 mm2的扁鋼，運用CDEGS對不同的布線方法進行仿真，分析引線互感對測試結果帶來的誤差。

如果接地網處于表2所示的中等土壤電阻率的條件下，運用CDEGS仿真得到接地網接地阻抗真實值為0.5048∠0.53°Ω。其他條件不變，再次進行仿真，結果見表3。

表2 層狀土壤結構

表3 不同布線間距情況下的誤差對比

從計算結果來看，在平均布線間距為2.5 m時，互感阻抗達接地阻抗真實值的1.15倍，此時接地阻抗的測試值為真實值的1.52倍。

通過對110 kV、220 kV、500 kV典型變電站接地網仿真，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，以上計算值均為平均土壤電阻率為100 Ω·m的前提下仿真計算得出，在土壤電阻率較高的地區(qū)布線間距下限可以適當放寬，此時引線互感導致的接地網測量誤差可控制在10%以內。然而，考慮現場土壤分布的不均勻性，電壓極在0.5～0.6倍dCG之間移動5%時，測量結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的過程存在困難，且測試工作量較大。

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

2.3 外延接地系統(tǒng)的分流

對接地網進行接地阻抗測試時，外延接地系統(tǒng)會將一部分測試電流分走，使得通過接地網入地的電流減小，從而使測試結果偏小。外延接地系統(tǒng)包括與接地網連接的架空出線避雷線、與地網連接的電纜外護套、與接地網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后拓撲結構和分流

廠站發(fā)生短路時，其分流系數是由系統(tǒng)中的電流分布決定的，因而影響分流系數的參數有：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。這些參數很大一部分與線路參數關系密切。

對江西某110 kV變電站進行分流系數的仿真，本期110 kV側2回進線，根據具體參數，運用ATP對該變電站進行建模仿真，仿真得到站內單相及兩相接地短路時，短路電流Is、避雷線流過的電流Ib、以及接地網入地電流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，本期遠期2回出線的情況下，站內短路時避雷線分走的電流約占短路電流的72.9%。如果在實際測量中，接地阻抗測量值為0.3 Ω，則接地阻抗的實際值應為0.3/（1-0.729）=1.11 Ω?？梢姡诮拥鼐W接地阻抗測試中，不進行分流系數的測試，將導致測試結果嚴重偏離真實值。

在進行變電站接地網的設計階段，設計單位必須對廠站進行分流系數的計算，以確定接地網接地阻抗設計值是否滿足變電站安全的要求[7]。對于詳細的分流系數，應根據實際的變電站設備及出線參數進行仿真計算，且計算工況包括各種運行方式下的各種接地短路故障，包括站內短路故障以及站外短路故障。然而，隨著變電站投運后，新增的出線以及變化的接地網及桿塔的接地阻抗將可能導致分流系數發(fā)生較大變化，特別是電纜外護套對分流系數的影響較大，同時隨著主變的新增以及系統(tǒng)短路容量的增加，從而導致入地電流也發(fā)生較大變化，故分流系數的測量應作為接地網安全性評估的重要環(huán)節(jié)而被重視起來。

3 外延接地系統(tǒng)分流系數實測

在對2.3中的江西某110 kV變電站進行接地阻抗的測試時，進行分流系數的實測，測試儀器選用DF9000變頻大電流接地特性測試儀。對接地網產生分流的只有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套的分流。在測量接地阻抗的同時，用羅氏線圈圈住出線門型構架各個架腳，以注入電流為0相位，基準向量通過無線發(fā)射裝置發(fā)出相位參考，分流測試單元接收該信號，從而測出各部分為分流向量的幅值和相角，現場測試如圖5所示。注入的測試電流幅值3.07 A，即I0=3.07∠0°A各架腳測量所得的分流電流向量見表5。

圖5 分流系數的測量

表5 分流測試數據

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

可見，本期2回出線的情況下，站內短路時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際。

4 結論及建議

1）在夾角法的運用過程中，如果放線距離不夠，修正系數引入的原理性誤差會導致測試結果產生較大偏差，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及以上電壓等級的變電站接地網接地阻抗不推薦采用直線法進行測量，如果受條件限制必須用直線法測量的，必須保證引線間距，且在結合GPS定位的情況下，按照規(guī)程移動電壓極準確的找到零電位點，方能保證測試結果的可信度。

3）在接地網接地阻抗測試中，不進行分流系數的測試，將導致測試結果嚴重偏離真實值，在測試接地阻抗時，應同時進行分流系數的測量。

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

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

[3]李謙.電力系統(tǒng)接地網特性參數實用測量及其應用[M].北京：中國電力出版社，2013.

[4]DL/T 475-2006接地裝置特性參數測量導則[S].

[5]曾嶸，陳水明.CDEGS軟件包及其在多層土壤接地設計中的應用[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簡介[J].華北電力技術，2004，12（12）：29-31.

[7]GB 50065-2011交流電氣裝置的接地設計規(guī)范[S].