司文榮， 謝小松， 傅晨釗， 趙丹丹， 肖 嶸， 金 珩

(1. 國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院, 上海 200437; 2. 國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司, 上海 200063)

1000kV輸電桿塔接地裝置沖擊阻抗現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析

司文榮1， 謝小松2， 傅晨釗1， 趙丹丹1， 肖 嶸1， 金 珩1

(1. 國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院, 上海 200437; 2. 國網(wǎng)上海市電力公司檢修公司, 上海 200063)

為獲取特高壓1000kV輸電桿塔接地裝置的沖擊阻抗特性，采用一種能夠穩(wěn)定輸出小幅值8/20μs標(biāo)準(zhǔn)雷電流作為入射波的便攜式儀器，同時(shí)測(cè)量接地裝置的暫態(tài)響應(yīng)電壓。對(duì)上海地區(qū)特高壓1000kV安塘線典型輸電桿塔在四個(gè)塔腿與接地裝置全部聯(lián)接、解開的兩個(gè)工況下，進(jìn)行了多次測(cè)試并記錄數(shù)據(jù)。對(duì)時(shí)、頻域沖擊阻抗基于數(shù)字采集獲取的電流、電壓波形信號(hào)進(jìn)行了特性分析，以及結(jié)果穩(wěn)定性對(duì)比。結(jié)果分析表明，該方法測(cè)試手段簡(jiǎn)便，測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定，時(shí)、頻域沖擊阻抗分析結(jié)果能夠較準(zhǔn)確地反映輸電桿塔接地裝置在沖擊電流下的基本特性。

1000kV； 輸電桿塔； 接地裝置； 沖擊阻抗； 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試； 時(shí)、頻域分析

1 引言

輸電桿塔接地裝置的沖擊接地阻抗特性是衡量其雷電防護(hù)性能的重要依據(jù)[1]，目前國內(nèi)外大量的研究工作[2]主要集中在沖擊接地阻抗的電路等效仿真模型、理論計(jì)算以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)公式，且各種分析方法并未達(dá)成一致意見[3]，而在輸電桿塔沖擊接地阻抗的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方面的工作開展較少。

現(xiàn)階段輸電桿塔接地裝置沖擊接地阻抗現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方式主要有以下四種：①基于卷積變換計(jì)算的沖擊阻抗測(cè)試[4]；②模型法雷電沖擊下的桿塔阻抗測(cè)量[5]；③小幅值沖擊電流法測(cè)量接地阻抗[6]；④大幅值沖擊電流法測(cè)量接地阻抗[7]。方式①利用波頭較緩、幅值較小的注入電流，通過卷積變換計(jì)算的方式求出接地裝置在波頭較陡、幅值較大的雷電流波形作用下的電壓響應(yīng)，進(jìn)而求出沖擊接地阻抗；方式②根據(jù)接地體的金屬結(jié)構(gòu)和土壤中電場(chǎng)分布，根據(jù)桿塔、接地裝置等效電阻、電感模型，通過對(duì)模型中等效高度測(cè)試點(diǎn)對(duì)地電位來測(cè)量沖擊阻抗，還可以通過分析塔身絕緣子懸掛高度與沖擊接地阻抗之間的關(guān)系，確定可接受范圍的高度和沖擊阻抗，實(shí)現(xiàn)施工工程量優(yōu)化和裝置設(shè)計(jì)。方式③采用沖擊電流發(fā)生器模擬雷電流，產(chǎn)生小幅值、波頭時(shí)間低于10μs、放電時(shí)間30～70μs的沖擊電流，作為測(cè)試電流注入接地體，數(shù)據(jù)采集裝置經(jīng)測(cè)量回路得到接地體電壓、電流信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)沖擊接地阻抗的測(cè)量。方式④將大型沖擊電流發(fā)生器試驗(yàn)設(shè)備安裝在大型貨車上(安裝汽油發(fā)電機(jī)給試驗(yàn)裝置提供電源)，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，對(duì)輸電桿塔接地裝置輸入數(shù)十千安的雷電流進(jìn)行測(cè)量。

考慮到輸電桿塔存在大型車輛無法達(dá)到的情況，以及大規(guī)模測(cè)試需要方便操作和可攜帶的裝置，本文采用一種能夠穩(wěn)定輸出小幅值的8/20μs標(biāo)準(zhǔn)雷電流作為入射波的便攜式裝置，同時(shí)測(cè)量接地裝置的暫態(tài)響應(yīng)電壓，進(jìn)行計(jì)算分析從而獲取接地裝置的沖擊阻抗特性。并首次對(duì)上海地區(qū)特高壓1000kV安塘線典型桿塔的接地裝置進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)測(cè)試得到的電流、電壓波形進(jìn)行了時(shí)、頻域分析，得到了能夠反映其基本物理特性的時(shí)、頻域沖擊阻抗(Transient Grounding Resistance in Time and Frequency domain, TGRT和TGRF)。

2 1000kV桿塔接地裝置與沖擊阻抗測(cè)試

2.1 1000kV桿塔接地裝置

目前，上海1000kV練塘站進(jìn)線為同桿并架方式的安塘I/II線，施工單位為上海送變電工程公司，設(shè)計(jì)單位為華東電力設(shè)計(jì)院，建設(shè)單位為國網(wǎng)電網(wǎng)公司。其中，上海市電力公司運(yùn)維長度約為16.987km，共41基桿塔，一基被測(cè)桿塔及其接地裝置如圖1所示。該桿塔地線與塔身之間無絕緣子，為接地方式。

圖1 被測(cè)試1000kV輸電桿塔及其接地裝置示意圖Fig.1 1000kV tower and its grounding connection diagram

圖1(b)為桿塔接地裝置的電氣接線示意圖。其中接地裝置的接地方框邊長H為28m，4個(gè)射線長度均為33m，每個(gè)射線帶有3個(gè)接地模塊電極，接地模塊電極與接地方框的距離a為5m，兩個(gè)水平接地模塊電極之間的距離為8m。接地方框和射線的主要材料為φ12mm圓鋼，接地體邊框與基礎(chǔ)立柱的距離為0.5m，接地裝置的埋深為0.8m。

2.2 沖擊阻抗測(cè)試

沖擊阻抗測(cè)試接線如圖2(a)所示。測(cè)試的同時(shí)利用三級(jí)法測(cè)試了工頻阻抗[8](如圖2(b)所示)。 考慮1000 kV輸電線路桿塔地線分流對(duì)阻抗測(cè)量結(jié)果的影響，測(cè)試時(shí)分為兩種工況：①四個(gè)塔腿A、B、C、D接地處均沒有解開下(即全部與塔身聯(lián)接，其中一個(gè)塔腿聯(lián)接情況如圖2(c)所示)，在塔腿A點(diǎn)處測(cè)試沖擊和工頻阻抗；②四個(gè)塔腿A、B、C、D接地處均解開狀態(tài)下，依次測(cè)試四個(gè)塔腿處的沖擊和工頻阻抗，其中一個(gè)塔腿接地解開后的狀態(tài)如圖2(d)所示。

圖2 1000kV輸電桿塔接地裝置沖擊阻抗測(cè)試Fig.2 Impulse impedance measurement for 1000kV tower and its grounding connection

出于安全性、實(shí)用性及適用性的考慮，本文采用一種能夠穩(wěn)定輸出小幅值8/20μs的標(biāo)準(zhǔn)雷電流作為入射波的便攜式儀器，同時(shí)測(cè)量接地裝置的電壓響應(yīng)，進(jìn)行計(jì)算分析從而獲取接地裝置的沖擊阻抗特性，圖3為電壓、電流數(shù)據(jù)導(dǎo)出后幅值歸一化的波形比較，其中采樣率為5MS/s。為免受現(xiàn)場(chǎng)干擾信號(hào)影響，裝置輸出的沖擊電流峰值為安培級(jí)別，從而滿足在標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形要求下進(jìn)行接地裝置沖擊接地阻抗測(cè)試的同時(shí)，便于實(shí)現(xiàn)測(cè)試設(shè)備的便攜化、小型化，以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的復(fù)雜環(huán)境。測(cè)試設(shè)備在測(cè)試過程中不會(huì)影響與接地裝置相連的其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，具有很強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用性和通用性，便于沖擊接地阻抗現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作的大規(guī)模開展。

圖3 便攜式儀器測(cè)試獲取的典型注入電流、暫態(tài)響應(yīng)電壓波形Fig.3 Detected typical current and voltage waveshapes in impulse impedance test with portable instrument

3 沖擊阻抗波形時(shí)、頻域分析

3.1 時(shí)域分析(TRGT)

(1)

式中，n為采樣點(diǎn)數(shù)；Iimp(ti)為ti時(shí)刻的注入電流幅值；Uimp(ti)為ti時(shí)刻的暫態(tài)響應(yīng)電壓幅值。

此外，考慮到目前較多研究文獻(xiàn)給出的沖擊阻抗值Z=U/I，這里定義：

(2)

式中，max為取序列的最大值。即采集獲取注入電流、暫態(tài)響應(yīng)電壓波形的峰值之比，通常，由于沖擊電流的高頻特性，暫態(tài)響應(yīng)電壓波形由于電感效應(yīng)會(huì)超前電流波形(如圖3所示)，該數(shù)值不會(huì)體現(xiàn)在式(1)中。

3.2 頻域分析(TRGF)

考慮《DLT 266-2012接地裝置沖擊特性參數(shù)測(cè)試導(dǎo)則》[9]以及文獻(xiàn)[10,11]的研究結(jié)論，沖擊接地阻抗定義如下：

(3)

式中，R為接地網(wǎng)的電阻；L為接地網(wǎng)的電感。

(4)

式中，F(xiàn)FT為對(duì)序列進(jìn)行離散快速傅里葉變換；abs為對(duì)復(fù)數(shù)序列取模值。

沖擊過電壓波形的FFT處理和波形參數(shù)提取見文獻(xiàn)[12-14]。

4 1000kV桿塔接地裝置沖擊阻抗波形分析

4.1 工況1塔腿四處接地全部聯(lián)接

表1 工況1的測(cè)試電壓、電流波形的參數(shù)對(duì)比Tab.1 Parameters comparison of detected current and voltage waveshapes in impulse impedance tests for situation 1

圖4 工況1的測(cè)試電壓、電流波形Fig.4 Detected current and voltage waveshapes in impulse impedance tests for situation 1

圖5給出了測(cè)試數(shù)據(jù)的沖擊阻抗時(shí)域特性分析，沖擊阻抗從起始值(極大值或峰值)逐漸下降到一個(gè)極小值(0)。對(duì)照?qǐng)D4的電壓、電流波形，可以看出圖5僅為注入電流波頭時(shí)間的時(shí)域特性。由于數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)，響應(yīng)電壓波形在電流波形峰值對(duì)應(yīng)時(shí)刻(電壓波形對(duì)應(yīng)為過零時(shí)刻)后應(yīng)呈現(xiàn)負(fù)值，但沒有采集，這樣使得在該時(shí)刻后響應(yīng)電壓波形均為零值。但由于沖擊電流波頭時(shí)間段高頻分量豐富且幅值大，電壓響應(yīng)幅值較沖擊電流波尾時(shí)間段大，因此圖5所示阻抗時(shí)域分析具有代表性。經(jīng)計(jì)算，測(cè)試數(shù)據(jù)最初瞬間的沖擊阻抗均值為16.84Ω，該數(shù)值為注入電流波形、接地裝置的形狀和材料、周圍土壤環(huán)境共同決定的一個(gè)阻抗值[15,16]，與接地裝置的穩(wěn)態(tài)或工頻阻抗無關(guān)。由于注入的是8/20μs標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形，在1000kV輸電桿塔防雷保護(hù)設(shè)計(jì)工程計(jì)算最大反擊電壓時(shí)可以參考這一數(shù)值。

圖6給出了測(cè)試數(shù)據(jù)的沖擊阻抗頻域特性分析，測(cè)試數(shù)據(jù)的沖擊阻抗在頻率0～250kHz段吻合較好(圖6(b)為將圖6(a)的x軸拉伸后的圖形)，峰值阻抗均值為 6.965Ω，對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)為195.3kHz處，次峰值阻抗均值為 4.112Ω，對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)為136.7kHz處。這與8/20μs沖擊電流所包含頻率分量特性一致，更高頻率分量的數(shù)據(jù)容易受干擾和采樣頻率影響，可以忽略而不用于特性分析。

圖5 工況1測(cè)試數(shù)據(jù)的沖擊阻抗時(shí)域特性分析Fig.5 TRGT date analysis for situation 1

圖6 工況1測(cè)試數(shù)據(jù)的沖擊阻抗頻域特性分析Fig.6 TRGF date analysis for situation 1

測(cè)試結(jié)果的TRGT和TRGF分析表明，不能僅基于工頻阻抗測(cè)試的結(jié)果來評(píng)估輸電線路桿塔防雷接地性能，特別是大型桿塔接地裝置。將基于模擬實(shí)際雷電流波形測(cè)試得到的沖擊阻抗時(shí)、頻特性分析用于評(píng)估桿塔的防雷性能更具有說服力和意義。

4.2 工況2塔腿四處接地全部解開

表2 工況2的測(cè)試電壓、電流波形的參數(shù)對(duì)比Tab.2 Parameters comparison of detected current and voltage waveshapes in impulse impedance tests for situation 2

圖7～圖9給出了測(cè)試數(shù)據(jù)的電壓電流波形、沖擊阻抗時(shí)域特性分析和頻域特性分析曲線。各個(gè)曲線的表征特性和規(guī)律與工況1的分析結(jié)果類似，僅在幅值上有一定差異，這里不再重復(fù)分析。

需要指出的是，工況2 四個(gè)塔腿接地處全部解開，對(duì)接地裝置而言從四個(gè)塔腿A～D接地處測(cè)試應(yīng)結(jié)果一致，但由于在標(biāo)準(zhǔn)8/20μs沖擊雷電流注入下測(cè)試時(shí)，高頻分量占主導(dǎo)，使得暫態(tài)響應(yīng)電壓幅值容易受周圍環(huán)境和測(cè)試布線影響，進(jìn)而TRGT和TRGF的分析結(jié)果也有一定的不同。如果將TRGT和TRGF分析得到的曲線作為診斷依據(jù)，則只能將四個(gè)塔腿各自測(cè)試得到的歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析或作其他對(duì)比計(jì)算分析。

圖7 工況2的測(cè)試電壓、電流波形

圖8 工況2測(cè)試數(shù)據(jù)的沖擊阻抗時(shí)域特性分析Fig.8 TRGT date analysis for situation 2

圖9 工況2測(cè)試數(shù)據(jù)的沖擊阻抗頻域特性分析Fig.9 TRGF date analysis for situation 2

5 結(jié)論

采用一種能夠穩(wěn)定輸出小幅值8/20μs標(biāo)準(zhǔn)雷電流作為入射波的便攜式儀器，同時(shí)測(cè)量接地裝置的暫態(tài)電壓響應(yīng)，可以獲取輸電桿塔接地裝置的沖擊阻抗特性。輸電桿塔接地裝置的沖擊阻抗特性可以基于數(shù)據(jù)采集注入電流和暫態(tài)響應(yīng)電壓波形，進(jìn)行時(shí)、頻域分析得到。對(duì)上海地區(qū)特高壓1000kV安塘線典型輸電桿塔在四個(gè)塔腿與接地裝置全部聯(lián)接、解開兩個(gè)工況下的測(cè)試結(jié)果分析表明，該方法測(cè)試手段簡(jiǎn)便，測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定，可以用于特高壓1000kV輸電桿塔接地裝置的防雷性能評(píng)估分析。

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Analysis and on-site tests of impulse impedance for grounding device of 1000kV transmission tower

SI Wen-rong1， XIE Xiao-song2， FU Chen-zhao1， ZHAO Dan-dan1， XIAO Rong1， JIN Heng1

(1. State Grid Shanghai Electric Power Research Institute， Shanghai 200437， China;2. State Grid Shanghai Maintenance Company， Shanghai 200063， China)

For obtaining impulse impedance characteristics for grounding device of UHV 1000kV transmission tower, a portable instrument is used as the incident wave source to the grounding device, which stably outputs a 8/20μs standard lightning current with simultaneous measurement of the response transient voltage. Tests and data recording were done to a typical tower of UHV 1000kV An-Tong line in Shanghai Area under two conditions, the four tower legs connected or unconnected to the ground device. Transient grounding resistance in time and frequency domain (TGRT and TGRF) are analyzed and compared based on the measured current and voltage waveshapes. Results show that the testing method is simple, test results are stable and the TGRT and TGRF can accurately reflect the basic physical properties of the grounding device of transmission tower.

1000kV; transmission tower; grounding device; impulse impedance; on-site rest; analysis in time and frequency domain

2015-10-19

司文榮(1981-), 男, 江蘇籍, 高級(jí)工程師, 博士, 研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備試驗(yàn)和故障診斷分析； 傅晨釗(1975-), 男, 河南籍, 高級(jí)工程師, 博士, 研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備試驗(yàn)和設(shè)備管理技術(shù)。

TM47

A

1003-3076(2016)09-0074-07