晉北-南京±800kV特高壓直流輸電工程接地極阻抗監視系統測量環節干擾問題分析

張青偉 宗萬里 李 然 陳大鵬

（1. 許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000；2. 國網浙江省電力公司檢修分公司，浙江 義烏 310018；3. 國網江蘇省電力公司檢修分公司，南京 211100）

隨著我國經濟社會高度發展，電力需求有了持續穩定的增長，特高壓直流輸電工程已經成為解決電力資源配置的高效環保方式。晉北到南京±800kV特高壓直流輸電系統工程即為國家電力系統重點規劃的實現“晉電下江南”的重要輸電通道，特高壓直流輸電工程中接地極阻抗監視系統為保證接地極線路可靠持續監測的重要子系統，對于大地回線方式下的系統運行有決定性的影響。通過查閱國內相關特高壓直流輸電工程資料，目前國內針對接地極阻抗監視系統研究較少，對于引起接地極阻抗監視系統測量環節干擾的專項研究更少。本文主要對接地極阻抗監視系統測量環節干擾問題進行了分析，指出導致這一問題的幾種因素，并針對性的提出工程解決措施，為今后中國特高壓直流輸電工程接地極阻抗監視系統的施工提供參考。本文提出的方案和措施已經在晉北到南京特高壓直流輸電工程中實施，效果明顯[1-2]。

1 接地極阻抗監視系統原理及工程現場系統試驗情況

1.1 接地極阻抗監視系統原理

接地極線路阻抗監視系統的原理是通過向接地極注入高頻交流電流，測量注入點的對地電壓。通過電流和電壓計算接地極線路上的阻抗，以此衡量接地極線路的工況。一個突然數量級的阻抗變化表明接地極線路處于開路或者接地故障，然后接地極線路監視系統進行告警，如圖1所示[3-5]。

晉南特高壓直流輸電工程現場實施時，按照原理圖進行接線，其中圖1中的信號電纜即為測量電流傳輸電纜，HCM3000系統作為采樣主機，根據測量到的電流變化判斷接地極線路故障情況。尤其需要注意的是，本系統采用高頻交流信號，一般為13.95kHz，注入交流小電流幅值一般為100～200mA左右，因此測量環節干擾對接地極阻抗監視系統影響巨大，必須采取一系列措施消除或者降低測量環節的干擾。

圖1 接地極阻抗監視系統原理圖

工程實際中接地極阻抗就地柜放置在直流場中，包括圖1中的匹配變壓器部分及相關除濕傳感器加熱器等，實物接線如圖2所示。

圖2 接地極阻抗監視系統就地柜

1.2 工程現場系統試驗問題

2017年4月，晉南特高壓直流輸電系統工程進行現場系統試驗。現場記錄接地極阻抗監視系統測到的不同工況下接地極的阻抗數據見表1。

由表1數據可以看出，在系統閉鎖條件下，接地極阻抗監視系統測量的接地極阻抗實部和虛部波動范圍很小，能夠準確測出接地極入地點預先串接的標準電阻。但是在系統解鎖運行后，測到的電阻數據實部虛部都有較大的抖動，接地極阻抗監視系統的設計原則告警判據如圖3所示。

表1 接地極阻抗數據

圖3 接地極阻抗異常判據

式中，R標準一般默認為接地極線路入地點串聯的標準電阻；I標準一般提前會被調校為0；Z死區一般小于50Ω。

接地極阻抗監視系統測到的接地極線路阻抗在解鎖條件下波動幅度過大，導致其告警判據動作結果不能正確反應接地極線路的故障工況，這對特高壓直流輸電系統的正常運行存在重大隱患[6-9]。

2 接地極阻抗監視系統測量環節干擾因素分析

2.1 信號電纜接線方式

圖1中信號電纜從主控樓經過換流變廣場到直流場，與強電電纜都在同樣電纜溝內，距離大概280m，其中傳輸的高頻電流信號只有100～200mA，非常容易受到沿線強電信號干擾。

一般要求采用雙絞雙屏蔽線，其中要求外屏蔽層雙端接地，內屏蔽層單端接地，保證對于高頻外部干擾和低頻外部干擾都有較好的防護效果。屏蔽層剝開一定要在信號電纜兩側屏柜內，否則過早剝開會導致剝開外漏的部分引入外部感應干擾[10]。

2.2 接地極阻抗監視就地柜接地方式

接地極阻抗監視就地柜被放置于直流場，主要包括匹配變壓器及相關除濕傳感器和加熱裝置，是連接一次側接地極線路和二次側接地極阻抗檢測系統的重要環節。從圖2中可以看出，最初設計有兩個接地出線，圖中左側藍色出線一根去了接地極線一次回路路，另一根接到了直流場一次地網；另一個接地出現為圖2中的黃綠色細線，為行程開關接地、匹配變壓器一次側接地和屏蔽層接地串聯起來，同樣引線接到直流場一次地網。

按照上面這樣的接地方式，接地極阻抗監視就地柜在直流場一次地網上存在多點接地，不可避免的存在環流，干擾了接地極阻抗監視系統測量環節的準確性[11]。

2.3 注波器參數

由接地極阻抗監視系統原理可知，系統將高頻小交流電流通過LC串聯注波器注入接地極線路上，要求注波器 LC參數能夠通交阻直（主要通過13.95kHz的交流電流），隔絕接地極線路上直流系統對接地極阻抗監視系統的影響。

但實際生產調試過程中，LC參數不可能理想化，接地極線路以及中性線上的直流系統也可能通過注波器對接地極阻抗監視系統測量環節產生干擾。

3 接地極阻抗監視系統測量環節干擾因素解決方法

1）信號電纜

按照設計要求，改進了內外屏蔽層接線方式，按照外屏蔽層雙端接地，內屏蔽層單端接地。同時，將屏蔽層剝線處轉移到信號電纜兩側屏柜內部，保證信號電纜始終處于良好的屏蔽保護下。

2）接地極阻抗監視就地柜接線方式

接地極阻抗監視就地柜裝置一次出線采用雙點接地方式，地網中存在的微弱環流會對接地極線監視測量結果造成干擾，故調整接地極在線監測一次側接線方式為一點接地：調整如圖4所示，接地極阻抗監視就地柜裝置接地線從一次出線孔引出后，直接引至設備桿段接地端子，保證該引出點僅一點接地。

3）注波器參數校正

一般電容生產后電容固定，現場只能對電感進行調節，使得注波器的 LC參數能夠盡可能達到通交阻直并且最優先通過 13.95kHz交流小電流的要求。串聯諧振頻率計算公式為

圖4 接地極阻抗監視就地柜接地方式更改

現場測量電容器實際參數后，調節電感L的參數使其滿足諧振頻率f在13.95kHz。

4）二次控保程序調節

針對以上3種導致接地極阻抗監視測量環節干擾因素被調整后，仍然會有小幅度的干擾，經系統試驗實際測試，此時測到的電阻在標準阻抗附近波動范圍明顯變小，只有30Ω左右。

考慮到接地極阻抗監視系統告警延時為10s，阻抗死區范圍一般幾十Ω，相比較于直流系統中其他的控制保護部分，屬于慢速非精確系統，此時對一次側和測量環節再進行進一步的精確改進已經非常困難.在測量結果線路阻抗已經大幅優化情況下，可以考慮在二次控制保護程序中對相關測量數據進行優化處理，其中最有效的一種方法是，對60個執行周期（每周期16ms）采集到的數據進行求平均值，以此數據作為PI控制器的輸入，如圖5所示。

圖5 60個周期平均值處理邏輯

4 結論

在晉南特高壓直流輸電工程中，系統試驗開始時發現接地極阻抗監視測得接地極線路阻抗數據波動較大，影響相關功能使用，嚴重影響系統正常運行時的接地極線路故障工況監測。針對影響其測量環節的幾個干擾因素進行分析，提出有針對性的改進方案，同時改進二次控保程序控制器對相關測量信號量的優化處理，最終實現了在接地極線路短路或者斷路時的故障工況的及時準確檢測，系統試驗時接地極線路短路工況下檢測結果如圖6所示。接地極線路斷路工況下檢測結果如圖7所示。

圖6 接地極線路短路工況檢測結果

圖7 接地極線路斷路工況檢測結果

由此可知，經過對接地極線路阻抗監視系統測量環節的干擾進行有效處理，極大地改善了系統監視能力，同時在控保系統對測量信號進行優化處理，系統能夠穩定可靠持續的對接地極線路工況進行監視。改進后的接地極阻抗監視系統已經順利投入運行，為晉北-南京±800kV特高壓直流輸電工程的穩定可靠商業化運行提供了堅實的保障。

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