大型接地網工頻測量儀器抗干擾能力評估研究

王 森,李志忠，胡曉暉，譚 波，時衛東

(1.國網陜西省電力公司電力科學研究院，陜西 西安 710100；2.武漢市康達電氣有限公司，湖北 武漢 430070；3.中國電力科學研究院，北京 100085)

電力系統中，接地網是保障電力系統安全運行的重要設備，為系統發生短路故障或遭受雷擊故障時提供電流泄放通道。因此，對接地網的安全性能評估顯得非常重要[1-4]。目前，接地網的安全性能評估需要基于接地網工頻特性參數的測量數據，包括工頻接地阻抗、分流系數、跨步電位差、接觸電位差、電位梯度分布等[5-7]。

DL/T 475—2017《接地裝置特性參數測量導則》對接地網工頻測量儀器的抗干擾能力提出了新的要求[8]，但是現行測量儀器的示值誤差和抗干擾能力的評估缺乏有效方法及依據[9-11]。本文通過分析現場測量工況，并考慮不同測試儀的原理及結構的差異性，基于黑盒原理[12]，提出了一種在試驗室條件下，定量評估接地電阻、分流向量、地表電位差等參數的干擾抑制能力檢測方法。

1 工頻干擾的影響以及干擾抑制能力

1.1 工頻干擾抑制能力的總體要求

測量現場影響結果的干擾分為工頻分量干擾以及高頻分量干擾。由于大型接地網測量儀器測量的信號頻率范圍主要為45～55 Hz，對高頻干擾具有較強的抑制能力，因此影響測量結果的主要因素為現場工頻干擾。

假設被測參數的真實值為X，工頻干擾為Y，儀器測量值為Xm。通常測試儀器對工頻干擾進行衰減抑制，但在測量信號中仍有工頻干擾殘余量y。此測量誤差用絕對改變量表示為Δ測，如式(1)所示；測量誤差的相對改變量為δ，如式(2)所示。

Δ測=Xm-X

(1)

(2)

當測量值為接地電阻時，測量誤差Δ測與工頻地電壓殘余量y、試驗電流Im的關系為：

(3)

當測量值為分流向量或地表電位差時，測量誤差Δ測與工頻干擾電流/電壓殘余量y的關系為：

Δ測=Xm-X=y

(4)

測量儀器對工頻干擾抑制倍數k可定義為工頻干擾Y與其參與量y之比，如式(5)所示：

(5)

干擾抑制能力的分貝數K可定義為：

(6)

在接地網工頻特性參數的現場測試中，干擾引起的改變量不超過真實值的5%～10%是可以接受的。則有：

(7)

因此，測量儀器的干擾抑制能力k必須滿足：

(8)

基于干擾等效電路模型，在設定被測參數真實值為X的情況下，施加模擬工頻干擾，使被測儀器誤差改變值δ達到5%，記錄干擾幅值Y。由于Y、X、δ都是已知量，可以通過計算測量儀器實際干擾抑制倍數k以及分貝數K，實現對測量儀器抗干擾能力的定量評估。

1.2 接地電阻測量地干擾電壓抑制能力

測量工頻接地電阻時，工頻干擾主要是大地中的不平衡零序干擾電流Id。其與試驗電流Im疊加，造成測量誤差。地干擾電流Id流過被測接地電阻R，并在電壓極上形成工頻地干擾電壓Ud：

Ud=R×Id

(9)

如果測試儀對地干擾電壓抑制能力為kE，那么被衰減后的干擾電壓ΔU為：

(10)

則引起的電阻改變量ΔR為：

(11)

相對改變量δE為：

(12)

由式(12)可知，測試儀工頻地干擾抑制能力kE越強，試驗電流Im越大，干擾引起的誤差越小。

由于接地電阻測量原理不同，測試儀輸出的試驗電流也不同。通過施加模擬干擾電壓Vd，測量測試儀的實際輸出電流Im和干擾引起的電阻改變量ΔR，并采用式(13)計算測試儀的標稱干擾抑制比kE：

(13)

測試儀標稱干擾抑制比的分貝數KE可表示為：

KE=20×lgkE

(14)

測試儀在現場實際的干擾抑制能力為標稱干擾抑制能力與實際輸出試驗電流的乘積。

1.3 分流向量測量干擾電流抑制能力

測量分流向量In時，流過柔性羅氏線圈的工頻干擾電流I0會引起測量誤差。如果測試儀的工頻電流抑制能力為kC，則工頻干擾電流ΔI及測量誤差δI分別為：

(15)

(16)

測試儀工頻地干擾抑制能力kC越強，試驗電流Im越大，則干擾引起的誤差越小。測試儀的分流向量測量值及工頻電流抑制能力kC和分貝數KC分別為：

(17)

KC=20×lgkC

(18)

1.4 地表電位差測量干擾電壓抑制能力

測量地表電位差u時，測量誤差δu是由測量電極之間的工頻干擾電壓u0引起的。則殘余工頻干擾電壓Δu及測量誤差δu可表示為：

(19)

(20)

同理，測試儀的地表電位差測量及工頻電流抑制能力kP和分貝數KP可表示為：

(21)

KP=20×lgkP

(22)

2 干擾抑制能力試驗室檢測方案

2.1 接地電阻地干擾抑制能力檢測方案

接地電阻地干擾電壓抑制能力試驗接線如圖1所示。

圖1 接地電阻地干擾電壓抑制能力試驗接線圖 Fig.1 Wiring diagram of voltage suppression capability test for grounding resistance

圖1中:RE為地網等效接地電阻；RC、RP分別為電流極和電壓輔助接地電阻。通過隔離可調工頻電壓源，可以模擬地干擾電壓。

此檢測方案與JJG 366—2004的檢測方案存在以下差異。

①RE需要使用大功率標準電阻，能夠承受被檢測試儀3～50 A的額定電流，且準確度等級不低于0.2級，以滿足被檢測試儀精度為1%的要求。②在進行干擾抑制能力試驗時，RE的檢測點取值為0.1 Ω、0.2 Ω、0.5 Ω等，施加模擬干擾為5 V、10 V、20 V的電壓。只有采用以上電阻、電壓的組合，而非儀器量程的上限進行干擾抑制能力試驗，才能模擬現場測量的真實工況。③考慮在不同土壤電阻率情況下輔助電極可達到的接地電阻值，輔助接地電阻RC取值為50 Ω，RP取值為100 Ω，而非500 Ω～5 kΩ。

首先，設定等效接地電阻值RS，并記錄無干擾情況下儀器示值RX，按式(23)計算示值誤差ΔR。

ΔR=RX-RS

(23)

然后，通過50 Hz交流隔離可調恒壓源在EC、EP之間施加模擬干擾地電壓Ud；逐漸增大Ud，直至RX的改變量達到RE×5%，或達到Ud的最大值，記錄對應的UX、ΔR及Im，按式(13)、式(14)分別計算被檢儀器的kE及其分貝數KE。

2.2 分流向量干擾抑制能力檢測方案

分流向量測量系統電流抑制能力檢測方案包括標準三相功率源以及被檢總電流測量裝置和分流向量測量裝置。分流向量干擾電流抑制能力試驗接線如圖2所示。

圖2 分流向量干擾電流抑制能力試驗接線圖 Fig.2 Wiring diagram of shunt vector interference current suppression capability test

標準三相功率源用于輸出試驗電流，并可獨立調節電流極的各相角。三相電流輸出分別為總電流I1、分流向量電流I2和工頻干擾電流I3。被檢總電流測量裝置與分流向量測量裝置分別為主機和從機，需要通過無線通信交換數據或指令進行工作，同時需要衛星授時信號或者無線信號作為測量時的時間同步信號。主機與從機通過無線通信，將分流支路的電流幅值和相對時差返回至主機，通過計算獲得分流向量的幅值和相位，以完成分流向量的測量。分流向量測量范圍應涵蓋20 mA～20 A，精度不低于2%。從現場實際工況來看，分流向量測量值不超過1 A，角度涵蓋0°～360°四個象限，常見的工頻干擾電流為1～20 A。因此，從工況要求考慮，檢測方案選取的分流向量干擾電流抑制能力試驗功電流設定值如表1所示。

表1 分流向量干擾電流抑制能力試驗功電流設定值 Tab.1 Shunt vector interference current suppression capability test power current setting value

將分流向量測量系統與標準三相功率源按圖2示例接線，按表1設置三相標準校準源或被檢功率源輸出電流I1、I2。以I1為基準相位，設定I2的相角為θI2-I1，I3輸出為0。分別記錄被檢測試儀與分流向量測量裝置的電流示值和相位示值，按式(24)、式(25)計算相關示值誤差。

ΔI=IX-IS

(24)

Δθ=θX-θS

(25)

在分流向量示值誤差試驗的基礎上，選擇合適的I3，記錄被檢分流向量測量裝置的電流示值改變量ΔI，并按式(17)、式(18)分別計算分流向量干擾電流抑制比kC及其分貝數KC。

2.3 地表電位差干擾抑制能力檢測方案

地表電位差測試儀的干擾電壓抑制能力試驗室檢測方案中，需要使用的標準裝置有標準功率源和標準分壓器。其中，標準分壓器模擬地表電位差，工頻隔離電壓源產生模擬的干擾電壓。地表電位差干擾電壓抑制能力試驗接線如圖3所示。

圖3 地表電位差干擾電壓抑制能力試驗接線圖 Fig.3 Wiring diagram of ground potential difference interference voltage suppression test

本檢測方案選取的模擬地表電位差和干擾電壓設定值如表2所示。將被檢地表電位差測試儀、標準功率源、分壓器以及工頻隔離電壓源按圖3接線。首先，設定工頻隔離電壓源輸出電壓為0，按表2設定模擬地表電位差US，記錄測試儀的示值UX，按式(26)計算示值誤差。

表2 地表電位差干擾電壓抑制能力試驗電壓設定值 Tab.2 Test voltage setting value of ground potential difference interference voltage suppression ability test

ΔU=UX-US

(26)

在地表電位差示值誤差試驗的基礎上，選擇合適的U0，記錄被檢地表電位差測試儀的ΔU，按式(21)、式(22)分別計算kP及KP。

3 干擾抑制能力試驗及分析

3.1 檢測方法、設備及標準裝置

按相應的檢測方案，對不同測量原理、不同結構形式的大型接地網測量儀器，進行了示值誤差及干擾抑制能力的試驗室檢測。

本研究選取了不同廠家的三套大型接地網測量儀器。設備一是基于異頻法測量原理的集成一體式測試儀，可以測量接地電阻和阻抗，但無法測量分流向量和地表電位差；具有自動測試流程，測試頻率為固定的45 Hz和55 Hz。設備二是基于異頻測量原理的分體式測試儀，由變頻恒流源，異頻電壓電流表及分流向量測試儀組成，可以獨立設定變頻恒流源及測量設備的工作頻率，并自動完成接地電阻、阻抗、分流向量、地表電位差等參數的測量。設備三是基于工頻倒相增量法的測試儀，由工頻接地阻抗測試儀、分流向量測試儀、地網電壓測試儀等設備組成。其中，工頻接地阻抗測試儀既可以直接測量接地電阻、阻抗，又可以作為獨立工作的程控恒流源，配合完成分流向量、地表電位差等參數的測量。本文采用的試驗室標準裝置設備信息如表3所示。

表3 試驗室標準裝置設備信息 Tab.3 Laboratory standard equipment information

3.2 接地電阻地干擾抑制能力試驗

首先，對不同設備進行接地電阻的示值誤差試驗，將三種設備按照圖1接線。在不施加工頻模擬干擾的情況下，首先將大功率標準電阻分別設置為0.1 Ω、0.2 Ω和0.5 Ω，開啟測試儀并設定其額定電流為3 A，進行相關測試并記錄測量數據。對不同設備進行地干擾電壓抑制能力試驗。接地電阻地干擾電壓抑制能力試驗數據詳見表4。在示值誤差試驗的基礎上，將接地電阻和模擬地干擾的電壓組合分別置為0.1 Ω/5 V、0.2 Ω/10 V和0.5 Ω/20 V，開啟測試儀并設定額定電流為3 A，進行相關測試并記錄測量數據，并根據公式計算干擾電壓引起的示值改變量。按照相關公式，基于3 A電流計算干擾抑制比及其分貝數。

從表4中的數據可以發現，三個設備都具有不同程度的干擾抑制能力，可以滿足現場不同干擾條件下接地電阻、阻抗的測試。相比誤差改變量，使用干擾抑制倍數或分貝數可以更直觀地反映不同測試儀器的干擾抑制能力。

表4 接地電阻地干擾電壓抑制能力試驗數據 Tab.4 Test data of voltage suppression ability of grounding resistance to ground interference

3.3 分流向量干擾電流抑制能力試驗

對具有分流向量測量功能的不同測試設備，本研究進行了分流向量示值誤差和干擾電流抑制能力的對比試驗。首先，在不施加模擬工頻干擾電流的情況下，參照表1選取不同電流幅值及相位組合作為標準值，按照圖2接入設備二與設備三，啟動測試儀并記錄數據，進行相關公式計算誤差。分流向量干擾電流抑制能力試驗數據如表5所示。在示值誤差試驗的基礎上，分別施加1 A、5 A、10 A的模擬工頻干擾電流，開啟測試儀對不同測量設備進行測試并記錄測量數據；通過相關公式，計算干擾電流引起的示值改變量、干擾抑制比及其分貝數。

表5 分流向量干擾電流抑制能力試驗數據 Tab.5 Test data of shunt vector interference current suppression capability

從表5中的數據可以發現，在無干擾情況下，設備二與設備三的測量誤差均滿足2%的精度要求。由此可知，在工頻干擾電流幅值逐漸增大的情況下，設備的測量誤差也隨之增大。設備二的誤差改變量為0.9～4.7 mA，相應的干擾抑制倍數為1 100～2 100倍，分貝數為61～67 dB。設備三的誤差改變量為0.7～3.1 mA，相應的干擾抑制倍數為1 400～3 200倍，分貝數為63～70 dB。由此可見，設備二和設備三都具有較強的干擾電流抑制能力。其抑制能力的差異可以通過干擾抑制倍數或其分貝數直觀地體現。

3.4 地表電位差干擾電壓抑制能力試驗

對具有地表電位差測量功能的不同設備，本研究也進行了地表電位差示值誤差和干擾電壓抑制能力的對比試驗。首先，在不施加模擬工頻干擾電壓的情況下，參照表2選取不同地表電位差作為標準值，按照圖3接入設備二與設備三，啟動測試儀并記錄數據，通過相關公式計算誤差。地表電位差干擾電壓抑制能力試驗數據如表6所示。

表6 地表電位差干擾電壓抑制能力試驗數據 Tab.6 Test data of ground potential difference interference voltage suppression ability

在示值誤差試驗的基礎上，分別施加10 mV、20 mV、50 mV、100 mV的工頻干擾電壓，開啟測試儀進行測試并記錄測量數據。計算干擾電壓引起的示值改變量、干擾抑制比及其分貝數。

從表6中的數據可以發現，在無干擾情況下，設備二與設備三的測量誤差均滿足1%的精度要求。由此可知，在工頻干擾電流幅值逐漸增大的情況下，設備的測量誤差也隨之增大。試驗數據顯示：設備二和設備三的誤差改變量均不超過0.2 mV，相應的干擾抑制倍數為500～1250倍，相應的分貝數在54～62 dB之間。由此可見，設備二和設備三的干擾電壓抑制能力相當，可以通過干擾抑制倍數或其分貝數直觀地體現。

4 結論

本文通過分析測量現場工況，同時考慮不同測試儀的原理及組成結構的差異，基于黑盒原理提出一種在試驗室條件下，定量評估接地電阻、分流向量、地表電位差等參數的干擾抑制能力檢測方法。同時，對不同廠家的幾種測量儀器的干擾抑制能力進行了試驗室檢測，用干擾抑制倍數或其分貝數直觀描述了不同測量儀器的實際抗干擾能力，驗證了該方法的可行性與有效性。