关于大型地网接地阻抗的测量和安全判据-接地阻抗测试仪的应用

关于大型地网接地阻抗的测量和安全判据
摘要：对于高压和超高压变电所来说，应当用“接地阻抗”的概念取代“接地电阻”，同时建议规程采用接触电压和跨步电压作为安全判据；还应选用轻便、准确的异频测量系统获得接地阻抗的正确结果，以保障人身、设备的安全，利于电力系统的安全运行。

关键词：异频法，接地阻抗，接地电阻，高压和超高压变电所，大型地网，测量，安全判据，跨步电压，接触电压
Ⅰ. 前言
我国的电力基本建设发展很快，随着系统额定电压等级的提高，高电压、大容量的变电所日益增多。

相应于露天变电所，出现了许多大型和超大型的地网。

而地网的工作状况直接关系到人身安全、电力设备和电力系统的安全运行。

由于地网是地下埋设，工作条件不利，应当进行周期性的监测。

为此，需要有合理的安全判据和理想的测量系统。

而对于高压和超高压变电所来说，首先应当采用“接地阻抗”的概念取代“接地电阻”。

Ⅱ. 接地阻抗
A．概念
对于中压电网中的变电所来说，由于占地面积相对较小，地网的延伸面积也不大，其“接地电阻”呈现明显的“阻性”。

这种情况已成为一种习惯认识。

可是，对于一些露天的220 kV及以上高压、超高压变电所的地网来说，这个概念就值得商榷了。

因为此时地网的几何尺寸十分可观，面积可达几万、乃至十几万平方米，这样，相应的“接地电阻”便呈现出较明显的“复数阻抗”性质，即包含电阻、电感和电容三个分量。

实际上，在工频、谐波电流以及雷电冲击电流的情况下，电感和电阻分量所起的作用远胜于电容分量。

至于电容分量，由于数值相对不大，它只在很高频率下表现出一定的作用，而且对于缓解变电所的跨步电压和接触电压来说，还是个偏于安全的有利因素，故本文不再讨论。

B. 实例
例如XM的220kV变电所，当测量地网接地阻抗所用的频率f1=40.18Hz时，地网接地阻抗Z1=0.6266Ω。

当所用的频率f2=60.15Hz时，接地阻抗Z2=0.6617Ω。

这样，工频时的接地阻抗应为0.6442Ω。

由此可知，±10个周波的频差，可导致接地阻抗值比工频时增减±5.6%[1]。

当地网的直流接地电阻更低时，这种性质表现得更明显。

如LC发电厂的220kV变电所地网，其直流接地电阻值为0.099Ω,工频时的接地阻抗值增大为0.151Ω,交流128Hz时更增大为0.230Ω。

就直流时与工频情况相比，阻抗值减小了34.4%；就128Hz
时与工频情况相比，阻抗值则增大了52.3%。

这个现象在220kV变电所中的表现已如上述。

在额定电压更高的变电所中，则表现得更加突出。

如在500kV、WN变电所地网进行的现场实测，直流接地电阻值为0.0623Ω，在50Hz时接地阻抗值为0.135Ω，在128Hz时为0.236Ω。

同样由于电感分量的作用，与工频情况相比，直流时，阻抗值减小了53.9%；128Hz时，阻抗值则增大了74.8%。

这里应当指出，上述220kV和500kV变电所大型和超大型地网的实测数据表明，接地阻抗与频率保持良好的线性关系。

这与理论分析是一致的。

以上情况说明，在大型和超大型地网中，应当用“接地阻抗”的概念取代“接地电阻”，方较符合实际情况。

我国现行的电力行业标准DL/T621-1997“交流电气装置的接地”中，所应用的“接地电阻”概念，已经显示出了它的局限性。

Ⅲ. 大型地网的安全判据
A．确定合理安全判据的必要性
安全和经济上的合理性是变电所地网应当同时满足的两个基本要求。

在高土壤电阻率地区，欲降低变电所地网的接地阻抗值，不仅十分困难，而且往往很不经济、也很不合理。

而在低土壤电阻率地区，即使地网的接地阻抗值达到了电力行业标准DL/T 621-1997“交流电气装置的接地”规定的要求，变电所内的接触电压和跨步电压，也不一定处处都能满足人身安全和设备安全的要求。

因此，对于大型和超大型地网来说，用接地阻抗值作为安全判据是值得商榷的。

B．安全判据
根据上述DL/T 621-1997标准中第6.2.2条的规定，在有效接地和低电阻接地系统中，发电厂、变电所地网的接地电阻不符合规定时，应校验接触电压和跨步电压。

在一般的情况下，这样规定是没有问题的。

然而，在超高压和特高压电力系统中，中性点采用“全接地”或“非常有效接地”方式，运行特性与中性点“有效接地和低电阻接地”方式的系统有所不同，单相接地故障电流较之显著增大。

对于相应变电所的大型地网来说，则应把对“接触电压”和“跨步电压”的要求提到首位上来。

这样，无论从保证人身安全和设备安全、还是从经济技术指标方面考虑，都会更加适用与合理。

至于接地阻抗的绝对值，根据变电所当地的具体土壤条件，可以而且应当允许在一定的范围内变动。

所以，新版DL/T475－2006《接地装置特性参数测量导则》规定了要测量“场区地表电位梯度”，“接触电压”，“跨步电压”等项目。

C．必要的监测
如所周知，地网处于地埋状态，在长期运行中可能发生腐蚀、损坏和断裂等情况，
但问题却不易暴露。

因此，应当重视与加强对运行中地网状况的监测，这对安全运行是至关重要的，否则可能造成严重的后果。

无论以前和近期，在国内外的电力系统中均有这方面的经验教训。

而利用合理的测量方法，多方位地进行一些测量后，可以对测量数据进行分析、比较，一旦发现异乎寻常的数据变化，即可考虑地网
Ⅳ. 准确测量问题
由于高电压、大容量变电所在电网中的地位很重要，一般不能允许停电进行地网接地阻抗的测量。

对于大型和超大型变电所来说，更是必须在带电运行的条件下进行测量。

A．工频法
利用工频信号对大型地网的接地阻抗进行准确测量，历来是个难题。

除了人工劳动强度大之外，更为麻烦的是，难以排除地中杂散电流对测量结果所带来的干扰影响。

运行中的变电所固然如此，对于兴建中的变电所，在GZ的实测结果表明同样不容乐观。

根据实践经验，地中杂散电流的分布面很广，而且其变化情况通常没有规律可循。

它随着电网的运行方式和负荷的变化情况而改变，其主要频率为工频基波，也有一定数量的谐波。

在同一地点，杂散电流随时间而变化；在同一时间，它又因地点改变而不同。

所以，当使用工频电源进行测量时，为了获得比较准确的结果，必须加大被测电流信号。

例如，在测量新建的500kV超高压变电所地网的接地阻抗时，GZ电力试验研究所使用的工频电流超过70A；HD设计院所使用的工频电流更是达到190A。

在这种情况下，试验装置往往十分庞大和笨重，现场工作的艰巨性可想而知。

B．异频法
针对以上存在的问题，国内外先后进行了许多探索研究，其中的“异频法”显示了突出的优越性。

70年代前后，日本、加拿大和墨西哥等国家成功地应用60±10、50±10Hz的异频电源试验装置，进行了地网工频接地阻抗的测量。

在80年代，我国的浙江、湖北和江西等省电力试验研究院、所，也分别开展了异频电源及带通滤波器的研制工作，并进行了许多现场实测。

近年来，奥地利和澳大利亚又进行了数字式异频测试仪的开发工作，其中奥地利的大型地网接地阻抗测试仪，还根据我国一些省市的应用情况进行了改进，积累了较多现场经验。

异频法测量系统共同的特点是被测电流信号小，只需几安甚至更小即可满足要求。

测量结果具有良好的重复性，因而可信度高。

除非气候等外因导致土壤电阻率发生改变。

C．实例
在XM 220kV DD变电所，于不同日期所测得的~40Hz地网接地阻抗列于表Ⅰ，从中
可以看到两组数据具有良好的一致性。

表Ⅰ
不同日期测得的~40Hz地网接地阻抗（Ω）
试验频率（Hz）试验信号电流（A）试验电压（mV）接地阻抗（Ω）
40.18 3.00 1881 0.6270
40.21 3.01 1885 0.6263
在同一变电所、于不同日期进行~60Hz下的相似的测量，所得的地网接地阻抗列于表Ⅱ。

两组数据的一致性依然良好。

表Ⅱ
不同日期测得的~60Hz地网接地阻抗（Ω）
试验频率（Hz）试验信号电流（A）试验电压（mV）接地阻抗（Ω）
60.15 3.00 1980 0.6600
60.19 3.00 1990 0.6633
根据表Ⅰ和表Ⅱ中的第一、第二行的数据，可计算出对应的工频下的接地阻抗分别为0.6435Ω和0.6448Ω，其平均值为0.6442Ω。

不同时间测量的两组数据，相对于平均值的误差小于0.1%。

在500kV的 WN变电所，利用异频接地阻抗测量仪对地网的接地阻抗进行测量，3组数据分别为：0.137Ω、0.134Ω和0.135Ω，即在小数点后第3位才出现差别。

偏离平均值0.1353Ω的最大误差小于1.26%，仍是可接受的。

D. 比较
对试验回路首先要进行适当的选择，该问题这里不进行讨论。

可是，在同样的试验回路和试验条件下，异频法比工频法要准确得多。

利用表Ⅲ中的实测数据可较好地说明这个问题，其中所列500kV的WN变电所地网接地阻抗值，是在变电所内4个不同位置的电流注入点、相应采用异频接地阻抗测量仪和工频大电流（190A）法两种方法测得的。

表Ⅲ
两种不同测量方法所得结果的比较
测量地点
测量方法变电所东北角变电所东南角变电所西北角在220kV主变处
异频法(Ω) 0.1185 0.1353 0.0977 0.1040
工频法(Ω) 0.085 0.098 0.086 0.089
绝对误差(Ω) 0.0335 0.0373 0.01167 0.0150
相对误差(%) 28.3 27.6 11.9 14.4
利用异频法对运行中变电所地网的接地阻抗进行现场测量,所得结果仍然具有良好的重复性，因而置信度较高。

此外，在同一个变电所内，从多个不同的电流注入点上所测得的数据，由于入口阻抗有别，接地阻抗值应当有合理的差异，而且也与设计计算结果相符。

这就从另一个侧面说明了测量结果的置信度。

表Ⅲ中的两组数据表现出较大差别的原因，主要是由测量方法的不同形成的。

工频电流法所测接地阻抗偏小的原因,应当认为是在190A的大电流中，难免有同频率的杂散电流，混同于测量信号一起进入了测量仪表。

而由于测量季节的不同，也会在一定程度上影响土壤的干湿状况，但根据经验，这一因素不至于造成如此大的差别。

何况，3年多以前新建变电所的土壤沉降情况较轻，测得的接地阻抗值有所偏高，有利于缩小两种测量结果之间的误差。

Ⅴ．结论
根据上述试验、分析和讨论，可以得出如下结论：
（1）电力建设发展很快，大型和超大型的变电所地网不断出现，通常所用的“接地电阻”的概念，已不能满足实用要求，应当用“接地阻抗”来取代。

（2）利用工频大电流方法测量大型和超大型变电所地网的接地阻抗，不仅设备笨重、劳动强度大，而且很难排除杂散电流。

目前比较好的方法就是采用上海大帆DF9000变频大电流多功能地网接地特性测量系统、DF910K大型地网变频大电流接地阻抗测量系统、DF902K变频抗干扰接地阻抗测量仪通过对接地网注入一个异于工频的电流，有效地避免了50Hz及其它干扰信号引起的测量误差，可精确、经济、安全的测量接地网接地阻抗，接触电压，跨步电压，场区地表电位梯度等参数，同时使得测量过程变得方便而安全。

产品功能：
1.精确测量大型接地网接地阻抗、接地电阻、接地电抗；
2.精确测量大型接地网场区地表电位梯度；
3.精确测量大型接地网接触电位差、接触电压、跨步电位差、跨步电压；
4.精确测量大型接地网转移电位；
5.测量接地引下线导通电阻；
6.测量土壤电阻率。