基于異頻法的大型水電站接地網(wǎng)接地阻抗測量實踐

熊 舟，楊 烽，何 強

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

裝機容量在200 MW 以上的水電廠的接地裝置稱為大型接地網(wǎng)，對于大型接地網(wǎng)來說，簡單地通過測量接地電阻并不能準確評估接地網(wǎng)的安全狀況，還應(yīng)考量接地網(wǎng)中的感性分量，因此測量大型接地網(wǎng)接地阻抗需同時測量接地電阻和接地電抗。

接地裝置作為交直流接地和防雷保護接地，對雷擊、靜電和故障電流起泄流和均壓作用[1]，是維護電力系統(tǒng)安全可靠運行、保障運維人員和電氣設(shè)備安全的重要保障。

1 概述

某水電站共裝機32 臺700 MW 水輪發(fā)電機組，分為左岸電站、右岸電站和地下電站。其中左岸電站裝機14 臺，500 kV 出線8 回，右岸電站裝機12 臺，500 kV 出線7 回，地下電站裝機6 臺，500 kV 出線3回。該電站接地裝置由7 部分組成：左岸電站接地裝置、右岸電站接地裝置、地下電站接地裝置、大壩接地裝置、泄水閘接地裝置、升船機接地裝置、永久船閘接地裝置，以上7 部分接地裝置通過大壩上游迎水面結(jié)構(gòu)表層鋼筋、貫穿整個大壩電纜廊道接地干線、基礎(chǔ)灌漿廊道接地干線、架空地線、壩頂門機軌道及部分人工接地干線連成一體，該電站接地裝置的最大對角線長度約為4 km。

為了準確評估電站接地網(wǎng)系統(tǒng)的安全性能，確保電站設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定地運行，保障工作人員的人身安全，需定期對電站接地網(wǎng)接地阻抗進行測量[2]。

2 接地阻抗測量方法

大型接地網(wǎng)接地阻抗的測量方法主要有工頻電流法、異頻電流法等，測量過程中，由于高頻干擾、帶電運作的線路、測量回路的互感、地中零序電流及地下導(dǎo)體等因素的影響，使用工頻電流法測量時，會出現(xiàn)信噪比高、誤差過大的問題[3]，為了解決上述干擾問題，準確測量接地阻抗，采用異頻電流法測量大型接地網(wǎng)接地阻抗。除了測量環(huán)境的電磁干擾，對于有架空避雷線的電站，避雷線是接地網(wǎng)分流的主體路徑，會對接地阻抗的測試造成很大影響，因此還需進行架空避雷線的分流測試。

異頻電流法就是利用變頻電源產(chǎn)生異于工頻電流頻率的電流對接地阻抗進行測量，通過濾波的方法消除接地網(wǎng)中的干擾信號[4]。異頻電流法測量接地阻抗方法與工頻電流法基本一致，根據(jù)布線方式分為直線法、夾角法和反向法[5]，通常采用電流-電壓表三極法。在主地網(wǎng)注入電流，測量地網(wǎng)在注入電流后地網(wǎng)上電壓的變化來推算接地網(wǎng)的接地阻抗。

2.1 直線法

直線法測量示意圖如圖1 所示，電流線和電位線同方向敷設(shè)，dCG通常為4D～5D，dPG通常為(0.5～0.6)dCG。P 在G 與C 連線方向移動三次，每次移動的距離約為dCG的5%左右，當三次測試的結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，認為試驗數(shù)據(jù)有效，否則重新測量。

圖1 電流—電壓表三級法測試接地阻抗示意圖

2.2 夾角法

夾角法測量示意圖如圖2 所示，電流線和電位線不同方向敷設(shè)，呈一定夾角θ。θ通常要求為45°以上，一般不宜小于30°，dPG與dCG長度相近，測量的接地阻抗可用公式（1）進行修正。

圖2 夾角三極法測量原理圖

2.3 反向法

反向法是一種特殊的夾角法，電位線和電流線之間的夾角約為180°，反向法測量示意圖如圖3 所示，布線要求、修正公式與夾角法相同。

圖3 反向法測量原理圖

3 測量過程

由于受到現(xiàn)場地勢條件的限制，為了減少電流線和電位線互感耦合及各種特殊地形對測量結(jié)果的影響，采用夾角法進行接地阻抗測量，同時為了研究人工敷設(shè)試驗線的數(shù)據(jù)準確性，本次試驗也采用反向法進行測量。

3.1 夾角法測量過程

夾角法測量接線示意圖4 所示。

圖 4 夾角法測量接線示意圖

3.1.1 注流點

為了對比不同注流點的測量結(jié)果，在該電站的左岸和右岸主變壓器區(qū)域各選1 個注流點，左岸注流點選擇4B 主變壓器中性點電抗器接地引下線，右岸注流點選擇18B 主變壓器中性點電抗器接地引下線。

3.1.2 電流線和電位線

由于電站接地網(wǎng)面積非常大，對角線長度約為4 km，且為山區(qū)地形，人工放線非常困難，故測量時采用電站II 回500 kV 輸電線路作為試驗回路，根據(jù)線路感應(yīng)電壓測量結(jié)果，選定最低感應(yīng)電壓位置處峽葛II 回A 相 為測試電流回路（其中A 相94 V、B 相114 V、C 相329 V）、峽都III 回B 相為測試電壓回路（其中A 相89 V、B 相49 V、C 相64 V）。

3.1.3 電流極布置

為了盡可能提供較大的試驗電流，必須降低試驗回路電阻，利用峽葛II 回63 號塔引下導(dǎo)線至距離鐵塔120 m 以外的低土壤區(qū)域（砂土102 Ω·m）打造人工小型地網(wǎng)作為輔助電流極。63 號塔至電站主變壓器區(qū)域直線距離約為24 km，方位113°。輔助電流極與電站接地網(wǎng)之間的直線距離DCG滿足4D～5D 的要求。

3.1.4 電位極布置

主電位極位置為峽都III 回66 號塔附近，66號塔至電站主變壓器區(qū)域直線距離約為24 km，方位153°。從所選線路桿塔引下導(dǎo)線至距離鐵塔50 m 以外的位置敷設(shè)電位極，電位極采用數(shù)根Φ20 mm×300 mm 圓鋼制作成臨時小地網(wǎng)。

3.2 反向法測量過程

反向法注流點選擇右岸18B 主變壓器中性點電抗器接地引下線，電流線選擇峽葛II 回A 相。輔助電位極位置為人工放線至峽葛II 回線路呈90°～180°的3D～5D 區(qū)域，電位線敷設(shè)約16 km 經(jīng)輔助電位極接地，電位極采用數(shù)根Φ20 mm×300 mm 圓鋼制作成臨時小地網(wǎng)。

3.3 架空避雷線分流測量

在接地阻抗測量試驗電流回路不變的條件下，從右岸18B 主變壓器注流，在左岸電站、右岸電站2個區(qū)域500 kV 線路出線2 號鐵塔塔頭架空避雷器進線端和地下電站區(qū)域500 kV 線路1 號鐵塔塔頭架空避雷線出線端，對500 kV 架空避雷線的分流進行測量。

圖5 避雷線出線端分流測量位置示意圖

4 測量結(jié)果

4.1 架空避雷線分流測量

部分線路避雷線分流測量值如表1 所示，通過計算，避雷線的分流占比為79.6%。

表1 部分線路架空避雷線分流測量表

4.2 夾角法測量

夾角法測量時電流極線路長度為24 km，電壓極線路長度為24 km，電流極與電壓極夾角為40°，測量結(jié)果如下。

4.2.1 左岸4B 主變壓器中性點注流

左岸4B 注流時接地阻抗測量值如表2 所示。

表2 4B 注流時接地阻抗測量值

4.2.2 右岸18B 主變壓器中性點注流

右岸18B 注流時接地阻抗測量值如表3 所示。

表3 18B 注流時接地阻抗測量值

4.3 反向法

反向法注流點為右岸18B 主變壓器中性點，接地阻抗測量值如表4 所示。

表4 反向法接地阻抗測量值

線路避雷線分流占比為79.6%，不考慮分流系數(shù)的前提下，該電站2018 年最大運行方式下短路電流最大值為左岸電站54.767 kA，接地阻抗允許值5 kV/54.767 kA=0.091 Ω，因此夾角法接地阻抗實測值0.077 Ω、0.071 Ω，反向法接地阻抗實測值0.068 Ω 均在合格范圍內(nèi)。考慮分流系數(shù)的前提下，電站最大短路電流I=54.767×0.204=11.172 kA，電站接地阻抗允許值5 kV/11.172 kA=0.448 Ω，夾角法接地阻抗實測值0.377 Ω、0.348 Ω，反向法接地阻抗實測值0.333 Ω 均在合格范圍內(nèi)。

綜合以上數(shù)據(jù)，結(jié)合夾角法與反向法的散流區(qū)域的土壤電阻率平均值，電站接地網(wǎng)接地阻抗值為0.071 Ω，滿足電站安全穩(wěn)定運行的需要。

5 結(jié)語

采用異頻電流法對大型水電站接地網(wǎng)接地阻抗進行測量，能夠很好地消除系統(tǒng)零序電流的干擾，同時為了減小互感對測量結(jié)果的影響，測量方法采用夾角法和反向法，站內(nèi)電位線均采用屏蔽導(dǎo)線，并且為了減小同塔線路對電位線路的干擾，電位線的其余兩相在電位極端接地，對中相進行屏蔽保護。

該水電站首次采用反向法進行接地阻抗測量，測量結(jié)果表明人工敷設(shè)電位線能基本消除線路互感影響，且人工敷設(shè)電位線不僅能提高測量安全性，還能突破設(shè)備運行方式的限制，后期可研究電流線和電位線均采用人工敷設(shè)方式可行性。