大型接地裝置的工頻間隔波測量方法研究

何智強，李 欣，王麗蓉，胡曉暉，潘卓洪

(1.國網湖南省電力有限公司，湖南 長沙 410007；2.國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南 長沙 410007；3.國網湖南省電力有限公司檢修公司，湖南 長沙 410003；4.武漢市康達電氣有限公司，湖北 武漢 430070；5.華北電力大學河北省輸變電設備安全防御重點實驗室，河北 保定 071003)

0 引言

在電網數字化和智能化發展的趨勢下，以監控、測量、保護等為目的的弱電設備對接地可靠性提出了越來越高的要求[1]。評價接地系統性能的重要標準是其接地阻抗，即接地裝置對遠方電位零點的阻抗[2- 3]。接地阻抗測量是接地系統驗收的重要環節，同時也是一項工作量較大的現場測試工作，受現場干擾[4]、地形和土壤電阻率[5]、布線路徑[6-7]、互感耦合[8-9]等多方面的因素影響，對測量儀器的精度和抗干擾性能有較高的要求。目前行業內普遍認為工頻干擾是接地測量主要影響因素。為了應對工頻干擾，常用工頻大電流法或異頻法進行測量[10]。工頻大電流法是加大工頻試驗電流以提高信噪比。異頻法是使用與工頻錯開一個小頻差的試驗電流并通過硬件軟件濾波，實現工頻干擾的消除。工頻大電流法和異頻法需要的試驗電源較為笨重，整套測量裝置的售價高昂。

為了降低接地阻抗測量儀器的復雜性和制造成本，并提高儀器現場抗干擾的能力和工作的可靠性，本文提出了大型接地裝置的工頻間隔波測量方法。通過硬件實現間隔波電流輸出，通過數個周期測量信號的差分去噪以取得有效信號成分。本文先以算例從原理上分析了方法的有效性，并在某500 kV變電站的接地阻抗測量中實現了應用。本文研究為接地測量及其裝備制造提供參考。

1 大型接地裝置的阻抗測量方法

在規程DL/T 475《接地裝置特性參數測量導則》中，規定大型接地裝置為：①110 kV及以上電壓等級變電站的接地裝置；②裝機容量在200 MW以上的火電廠和水電廠的接地裝置；③等效面積在5 000 m2以上的接地裝置[10]。根據電源類型，大型接地裝置的阻抗測量方法可分為異頻電流法和工頻大電流法兩種。

如果采用工頻電流測試接地裝置的工頻特性參數，DL/T 475要求采用獨立電源或經隔離變壓器供電，并盡可能加大試驗電流，試驗電流不宜小于50 A，并應特別注意試驗的安全問題，如電流極和試驗回路的看護。由于上述要求較為苛刻，為了降低測量儀器的容量和提高測量準確度，DL/T 475推薦采用異頻電流法測試接地裝置的工頻特性參數。異頻測量法使用變頻電源，在偏離工頻的頻率下測試，接地網干擾經過選頻濾波被消除，因而測量結果不受系統電源的影響，不會因接地網是否在運行或干擾信號的存在而受到影響，可有效地消除工頻干擾。同時，選頻也消除了接地網中的高頻干擾。因此，選用異頻法測量接地網可有效消除干擾對測量結果的影響。

為保證測量結果盡可能反映接地網在工頻運行條件下的特性，異頻法測量應盡量在接近工頻的條件下測量，即所謂的“類工頻”測量。基于異頻法的接地網特性參數測量設備有較高的技術要求，需要測量設備具有可變的電壓和電流測量通頻帶，還必須從硬件和軟件兩方面綜合考慮使設備達到較高的測量精度。基于異頻法的測量設備具有較好的抗干擾性能，在現場得到了廣泛的應用。

工頻大電流法和異頻法的共同缺點是試驗電源較為笨重，而且整套測量裝置的售價高昂。測量大型接地裝置接地阻抗對電源的要求如表1所示。異頻法雖然具有較好的抗干擾能力，但其測量結果需要折算到工頻，會引入一定誤差。從減輕設備質量、降低成本、提高直接測量準確度的角度來說，有必要基于工頻電流研究新的測量方法，實現接地阻抗的工頻抗干擾直接測量。

表1 測量大型接地裝置接地阻抗對電源的要求

2 現場的噪聲分析

噪聲指現場所有干擾或擾亂有用信號的不期望的擾動，包括人為造成的和自然界產生的干擾，以及由電系統材料和物理器件產生的自然擾動。噪聲是一種隨機信號，在任何一瞬間都不能精確預知其大小。它由振幅隨機和相位隨機的頻率分量構成。為了給新的工頻測量方法提供參考依據，在地鐵、電氣化鐵路牽引站、發電廠等不同接地網檢測現場采集實際干擾噪聲的波形并進行分析。

圖1背景噪聲和頻譜功率密度示意圖。圖1(a)為地鐵牽引站接地阻抗測量的背景噪聲，圖1(b)為圖1(a)的頻譜功率密度。從數據及其頻譜分析的結果來看，地鐵牽引站進行接地阻抗測量時會面臨非常嚴重的噪聲問題：首先是低頻段有連續頻譜噪聲的大干擾，反而工頻噪聲的功率密度并不大，奇次諧波干擾嚴重，甚至三次諧波的能量譜達到基波的10倍以上。

圖1(c)為電氣化鐵路牽引站進行接地阻抗測量時的背景噪聲，圖1(d)為圖1(c)的頻譜功率密度。結果表明，電氣化鐵路牽引站進行接地阻抗測量時會面臨較大的工頻噪聲。

圖1(e)為某大型火力發電廠接地阻抗測量時的背景噪聲，圖1(f)為圖1(e)的頻譜功率密度。結果表明，該發電廠進行接地阻抗測量時會面臨幅值高達15 V的工頻噪聲。圖1(f)表明工頻噪聲是噪聲的主要成分，奇次諧波成分也較為豐富。

圖1 背景噪聲與頻譜功率密度示意圖

圖1表明，不同類型大型接地裝置接地阻抗測量現場的背景噪聲與頻譜功率密度呈現不同的特性，有的以工頻干擾為主，有的以低頻干擾疊加奇次諧波的形態呈現。另外，現場噪聲大部分情況下是相對穩定的。地鐵和電氣化鐵路由于機車的運動會引起短時突變的噪聲，但很快會恢復為相對穩定的狀態。下面針對上述兩種情況進行接地阻抗的工頻間隔波測量方法研究。

3 工頻間隔波測量方法的原理

工頻電流結合倒相法是DL/T 475中描述的一種工頻抗干擾方法[10]。其實施流程分三步：首先，不施加電流，測量干擾電壓U0；然后，分別施加試驗電流I1，測量合成電壓U1；最后，將試驗電流倒相-I1，測量合成電壓U2。通過兩次施加電流，三次測量電壓，通過式(1)計算得到接地阻抗。

(1)

三極法結合倒相法需要使用分立的調壓變壓器、電流表、電壓表、功率表等設備，還需要繁瑣的人工操作和計算，因此實際應用起來比較麻煩。另外，由于零序電流的相位不確定，而且施加正相、倒相測試電流時，干擾電壓U0的幅值和相差可能發生變化，會導致較大的測量誤差。

本文在“倒相法”的基礎上，運用高速信號采集，程控恒流源和同步檢測等技術，提出工頻間隔波測量方法，其原理流程圖如圖2所示。首先，使用100 kHz采樣頻率對背景噪聲進行基礎的測量和分析，確認噪聲呈現穩態不突變的情況，以避免非穩態噪聲對測量結果造成的影響；然后，發送間隔周期的工頻正弦波電流，并基于同步檢測技術控制高速采集單元對連續周期進行采樣；最后，基于采集的數據進行時間差分運算，消除相對穩定的背景噪聲后，對信號進行離散傅里葉變換(discrete Fourier transform，DFT)，得到有效電壓信號的幅值和相位，并計算得到接地阻抗。

圖2 工頻間隔波測量方法原理流程圖

間隔波測量是整個測量的核心環節。在確認噪聲正常的情況下，在測量的主回路注入工頻試驗電流。為了盡量提高輸出的測量電流，測量可使用升壓變壓器對市電進行升壓。一般情況下，測試電源的頻率與背景噪聲中的工頻噪聲頻率完全一致，兩者僅幅值和相位有所區別。如果使用工頻電源連續測量的方式，則無法區分有效信號和工頻噪聲。

工頻間隔波電流輸出流程如下：偶數周波正弦電壓過零時通過程控恒源注入試驗電流I到測量回路，1個周期后停止電流輸出，等待1個周期后到下一周波再注入試驗電流I，如此循環。工頻間隔波電流I的表達式為：

(2)

式中:Am為有效電流信號的峰值；f為工頻；t為時間。

在I的激勵下，電壓極取得的測量信號U如式(3)所示：

(3)

式中:vm為有效電壓信號的峰值；f為工頻；t為時間。

令噪聲信號為U0=n(t)，根據間隔波的測量原理，在電壓極測量的信號s(t)如式(4)所示：

(4)

由式(4)可知，在奇數周波測量的信號為噪聲信號，在偶數周波測量的信號為噪聲與有效信號的疊加信號，相當于將有效信號調制在噪聲信號中。高速采集單元同步于系統工頻，對電壓極信號連續采樣并按周期分組保存。無電流輸出的周期為奇數周期，有電流輸出的周期為偶數周期。為了消除背景噪聲，基于間隔周期對數據進行差分運算，以偶數周期s(t)為基準周期，用前后相鄰的奇數周期數據，按式(5)進行運算，去除噪聲，解調得到工頻間隔波電流對應的有效電壓信號s′(t′)。

s′(t′)=s(t)-0.5[s(t+T)+s(t-T)]

(5)

式中:s′為調制后的數據；t′為調制數據的時間量；T為工頻周期時間。

在噪聲相對穩定的情況下，間隔周期噪聲的幅值、相位基本相同，因此式(5)可以較好地剔除噪聲，獲得有用信號。對解調得到的電壓信號進行離散傅里葉分析，可以得到電壓信號的幅值|s|和相位差θS，除以間隔波電流信號I，便可得到接地阻抗測量值，如式(6)所示：

(6)

4 現場實測與驗證

工頻間隔波測量方法的測量結果如圖3所示。為了驗證工頻間隔波測量原理的有效性，將現場采集的噪聲信號依據間隔波測量原理進行數據處理，把圖1中的噪聲信號在空載情況下采用間隔波進行去噪可以得到剩余噪聲，采用式(5)去噪之后，圖3(a)、圖3(c)和圖3(e)的殘余噪聲是原始噪聲的1/100～1/1 500，說明去噪效果可達40～64 dB。

通過注入一個虛擬的測量電壓信號(下文取0.141sin100t)可分析工頻間隔波方法的測量性能，結果見圖3(b)、圖3(d)和圖3(f)。對圖3(b)、圖3(d)和圖3(f)數據進行離散傅里葉分析得到有效信號的幅值和相位偏差。以噪聲最嚴重的圖3(f)為例，測量取得的工頻電壓信號幅值誤差僅為0.31%，相位誤差為-0.24°，測量精度完全滿足規程DL/T 475的要求。

根據工頻間隔波方法的測量原理研制了測試儀器的樣機，工頻間隔波測量儀器的輸出電流波形如圖4所示。并在變電站與異頻法測試設備進行現場試驗驗證。選取某500 kV變電站進行間隔波測量方法的現場驗證。測量對象為一個長270 m、寬220 m、對角線350 m的接地系統。由于現場限制，測量布線選用遠離夾角法進行，布線夾角約為110°，滿足規程關于遠離夾角法的要求。

圖3 工頻間隔波測量方法的測量結果

圖4 工頻間隔波測量儀器的輸出電流波形

為了對比間隔波測量方法的有效性，現場使用異頻法(測量頻率為53 Hz，儀器為紅相接地阻抗測量系統)作測量對比。測量過程中選取了不同的測量點，兩種測量方法的輸出電流均為3 A(有效值)，測量數據如表2所示。

表2 間隔波與異頻法的測量結果對比

結果對比表明，間隔波的測量數據無論是模值還是相角均比較穩定，而且和異頻法的測量結果一致。初步現場運用的情況表明間隔波的測量方法是一種有效的測量方法。

與工頻電流大電流測量方法不同，間隔波可以通過“市電+隔離調壓變”的方式供電，可有效降低試驗電流和設備成本。目前，間隔波的樣機中需要引入高速的采樣單元、電力電子開關及其控制電路。這部分的裝置和元件都是比較成熟的，設備增加的成本并不高。

隨著物聯網技術的發展，接地阻抗測量裝置也需要向輕型化和智能化的方向發展。在有效降低測量回路阻抗和提高儀器測量精度的情況下，間隔波測量技術可以實現設備的輕型化。假設電流極的接地電阻降到20 Ω，以3 A的測量電流輸出為例，儀器的輸出電壓可以降低到數十V，電源容量要求也大大降低。另外，通過良好的硬件降噪技術可以進一步提高測量儀器的信噪比，從而降低對試驗電流的要求。

5 結論

針對使用工頻電流測量接地阻抗時要求使用大電流輸出的缺點，本文提出了一種間隔波接地阻抗測量方法，所得結論如下。

①間隔波方法通過同步的高速采集單元和可控高速電力電子開關，將工頻測量電源在間隔工頻周期內斷開，通過相鄰信號的前后向差分可有效壓制現場噪聲。

②從原理上分析了間隔波方法有效性，在現場測量了不同類型的強干擾噪聲并分析了它們的波形參數和特征。通過仿真算例證明了本文方法的有效性，并在此基礎上研發間隔波測量接地阻抗的樣機。

③在某500 kV變電站的接地阻抗測量中實現了間隔波測量方法的應用，并與異頻法作對比。結果表明，間隔波的測量數據的模值和相角和異頻法的測量結果一致，證明間隔波方法是一種有效的接地阻抗測量方法。

本文方法開啟了接地阻抗現場測量和儀器研發的新思路，可以有效降低測試電源的容量，從而實現裝備的輕型化和智能化。