發(fā)電廠接地網(wǎng)接地阻抗測(cè)量分析研究

陳松威

（大唐滑縣風(fēng)力發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 安陽）

引言

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電壓等級(jí)不斷提高，接地故障時(shí)的短路電流也不斷增加。近些年，多次發(fā)生因接地網(wǎng)接地電阻不合格造成的風(fēng)電場(chǎng)、火電廠、變電站事故，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

接地阻抗是判斷接地網(wǎng)腐蝕情況以及衡量接地網(wǎng)是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的有效手段。長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的發(fā)電廠接地網(wǎng)，在土壤長(zhǎng)期的腐蝕下，會(huì)使得接地體間連接導(dǎo)體變細(xì)或斷開，從而影響接地網(wǎng)的接地水平。如果接地網(wǎng)接地阻抗不合格，電流流經(jīng)接地阻抗而形成的電壓降使得接地極電位增加，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成設(shè)備受到過電壓的作用而損壞，同時(shí)，也會(huì)影響檢修人員人身安全。因此，必須對(duì)發(fā)電廠接地網(wǎng)接地阻抗定期測(cè)試。

本文在介紹接地阻抗測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，分析了接地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試的影響因素，并結(jié)合案例討論了各影響因素的優(yōu)化控制措施。

1 接地阻抗概述

隨著接地網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，發(fā)電廠接地網(wǎng)對(duì)短路故障發(fā)生時(shí)已不在為純阻性，特別是大型接地網(wǎng)已表現(xiàn)為包含電阻、電容和電感的阻抗特性。

由于電容值在接地阻抗中所占比重較小，接地阻抗主要表現(xiàn)為電感和電阻兩部分。因此，在接地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試中可以忽略電容分量。

一般大型接地網(wǎng)接地阻抗的表達(dá)公式為:

其中，R 為接地阻抗的阻性分量，ωL為接地阻抗的感性分量。

對(duì)于小型接地網(wǎng)來說，其接地網(wǎng)的感性分量ωL比電阻分量R 要小很多，在接地阻抗中的比重較小，因此，小型接地網(wǎng)常不考慮感性分量 ωL，一般用接地電阻值衡量接地網(wǎng)狀態(tài)。DL/475-1992《接地裝置工頻特性參數(shù)的測(cè)量導(dǎo)則》也未將接地阻抗中的感性分量加以考慮，而接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則DL/475-2006《接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則》則考慮了接地阻抗中的感性分量。

2 接地阻抗測(cè)試方法

2.1 電位降法

電位降法測(cè)試接地網(wǎng)的接地阻抗的測(cè)量原理如圖1 所示。圖中，P 為測(cè)試電壓極，C 為測(cè)試電流極，G 為被測(cè)試接地網(wǎng)，dGP為電壓極與接地網(wǎng)邊緣的距離，dGC為電流極與接地網(wǎng)邊緣的距離，為電壓極每次移動(dòng)距離，D 為被測(cè)試接地網(wǎng)最大對(duì)角線距離。

圖1 電位降法測(cè)量接地阻抗原理圖

在接地網(wǎng)G 和電流極C 中的回路電流I，使接地網(wǎng)G 和電流極C 之間的地面電位發(fā)生變化，從接地網(wǎng)G 的邊緣開始，電位極P 與電流極回路呈一定角度向外移動(dòng)，每次移動(dòng)相同距離d(一般取50 m 或100 m)，每次移動(dòng)后測(cè)量電壓極P 與接地網(wǎng)G 間的電位差U，并形成電位差U 隨dGP變化而變化曲線，如圖2 所示為接地網(wǎng)電位降測(cè)試曲線，曲線平坦處即為零電位點(diǎn)，零電位點(diǎn)與起點(diǎn)間的電位差即為P 與G 之間的電位升高Um，則接地網(wǎng)的接地阻抗Z 為：

圖2 大型接地網(wǎng)電位降測(cè)試曲線

電位降法測(cè)量接地網(wǎng)接地阻抗程序繁瑣，測(cè)試點(diǎn)較多，電位降曲線平坦點(diǎn)難以確定。

2.2 電壓電流三極法

2.2.1 直線法

直線法測(cè)試接地網(wǎng)的接地阻抗的測(cè)量原理如圖3所示。

圖3 直線法測(cè)量接地阻抗原理圖

圖中，P 為測(cè)試電壓極，C 為測(cè)試電流極，G 為被測(cè)試接地網(wǎng)，dGP為電壓極與接地網(wǎng)邊緣的距離，dGC為電流極與接地網(wǎng)邊緣的距離，D 為被測(cè)試接地網(wǎng)最大對(duì)角線距離。

2.2.2 夾角法

夾角法測(cè)試接地網(wǎng)的接地阻抗的測(cè)量原理如圖4所示。

圖4 夾角法測(cè)量接地阻抗原理圖

圖中，P 為測(cè)試電壓極，C 為測(cè)試電流極，G 為被測(cè)試接地網(wǎng)，dGP為電壓極與接地網(wǎng)邊緣的距離，dGC為電流極與接地網(wǎng)邊緣的距離，D 為被測(cè)試接地網(wǎng)最大對(duì)角線距離。

現(xiàn)場(chǎng)采用夾角法測(cè)量接地阻抗時(shí)一般設(shè)置θ=30°，并且電壓極與電流極同等長(zhǎng)度設(shè)置[1]。

綜上所述，電位降法測(cè)試方法繁瑣，測(cè)試工作量較大，一般不建議采用電位降法進(jìn)行接地阻抗測(cè)量；直線法測(cè)量時(shí)，測(cè)試方法較簡(jiǎn)便，線路宜布置，但電流線和電壓線同向放置，平行線間存在互感影響，對(duì)試驗(yàn)測(cè)試帶來了干擾；夾角法由于電壓線與電流線呈一定夾角布置，極大減小了線間的互感耦合，因此一般大型發(fā)電廠接地網(wǎng)采用夾角法進(jìn)行測(cè)量，但在接地網(wǎng)所處環(huán)境地形復(fù)雜時(shí)（如山路），電壓極與電流極按一定角度布置存在難度，此時(shí)應(yīng)考慮如何采用直線法進(jìn)行接地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試，并盡量減小線間耦合互感的影響。

3 測(cè)試實(shí)例及分析

以某大型山地風(fēng)電場(chǎng)為例，其接地網(wǎng)的最大對(duì)角線長(zhǎng)度約為600 m，由于風(fēng)電場(chǎng)山路較多地形復(fù)雜，采用夾角法無法合適布置電壓極合電流極，因此采用電壓電流直線法測(cè)量該接地網(wǎng)接地阻抗，電流線布置有效長(zhǎng)度大約為3 000 m，電壓線布置有效長(zhǎng)度大約為1 854 m，電流注入點(diǎn)分別選取#1 主變接地引下線和#1 主變高壓側(cè)避雷器接地引下線。

3.1 接地電阻與接地阻抗對(duì)比

采用異頻法進(jìn)行測(cè)試，使用自動(dòng)抗干擾接地電阻測(cè)試儀，實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)如表1 所示，測(cè)得此發(fā)電廠接地網(wǎng)的接地電阻值為0.180 Ω。

表1 接地電阻測(cè)試儀測(cè)試接地電阻值

使用接地裝置接地阻抗測(cè)試儀，實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)如表2 所示，測(cè)得此風(fēng)電場(chǎng)接地網(wǎng)的接地阻抗模值為0.207 Ω。

表2 接地阻抗測(cè)試儀測(cè)試接地阻抗值

對(duì)比兩種設(shè)備的測(cè)試結(jié)果可以看出，兩種設(shè)備測(cè)試的接地電阻值偏差較小，但是采用接地裝置接地阻抗測(cè)試儀測(cè)試的接地網(wǎng)接地阻抗中的電感值較大，不可忽略不計(jì)，使得接地網(wǎng)接地阻抗模值與接地電阻值存在一定程度的偏差。因此在測(cè)量大地網(wǎng)接地阻抗時(shí)，應(yīng)采用接地裝置接地阻抗測(cè)試儀，以保證接地阻抗的準(zhǔn)確性[2]。

3.2 線間距對(duì)測(cè)試結(jié)果影響

直線法測(cè)量接地網(wǎng)接地阻抗，在測(cè)試回路布置中，通過改變電壓線和電流線之間的間隔距離，確定線間距對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。表3 給出了不同線間距下接地阻抗測(cè)試結(jié)果。

表3 不同線間距接地阻抗測(cè)試結(jié)果

通過表3 可以看出，當(dāng)線間距變化時(shí)，接地阻抗中的電阻值基本保持不變，但接地阻抗中的電感值會(huì)隨著線間距的增大而明顯減小，當(dāng)電流線電壓線線間距為0時(shí)，即兩線交叉時(shí)，測(cè)試電感值最大，對(duì)測(cè)試結(jié)果影響非常大，當(dāng)電流線電壓線線間距為0.5 m 及以上時(shí)，測(cè)試結(jié)果中電感值基本不在變化，此時(shí)可以忽略線間互感因素對(duì)于測(cè)試結(jié)果的影響。由于電流線和電壓線之間存在的互感耦合，在實(shí)際測(cè)試中，電流線和電壓線距離越近，線間互感分量越大，線間互感耦合對(duì)接地阻抗測(cè)試結(jié)果中感性分量造成較大誤差。因此，為確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，用直線法測(cè)量接地網(wǎng)接地阻抗時(shí)，盡量使電壓線和電流線保持一定的線間距，線間距保持在0.5 m 及以上即可。

3.3 電流線長(zhǎng)度對(duì)測(cè)試結(jié)果影響

直線法測(cè)量接地網(wǎng)接地阻抗，DL/T475-2006《接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則》規(guī)定：電流極與被試接地網(wǎng)邊緣的距離應(yīng)為被試接地裝置最大對(duì)角線長(zhǎng)度D 的4～5倍，電壓線長(zhǎng)度取電流線長(zhǎng)度的0.618 倍。表4 給出了不同電流線長(zhǎng)度下接地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試結(jié)果。

表4 不同電流線長(zhǎng)度下接地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表4 的結(jié)果可知，當(dāng)電流線的長(zhǎng)度為被試接地網(wǎng)最大對(duì)角線長(zhǎng)度4～6 倍時(shí)（即4D～6D），接地網(wǎng)的接地阻抗模值基本保持不變，可以認(rèn)為4D～6D 處的測(cè)試結(jié)果即為接地網(wǎng)接地阻抗模值。因?yàn)殡S著電流線的長(zhǎng)度增加，電位降曲線中接地極與電流極之間的零電位區(qū)域愈加平坦，能夠更加準(zhǔn)確確定電壓極位置（即零電位點(diǎn)），從而降低因電壓極位置選擇不準(zhǔn)確造成的測(cè)試結(jié)果偏差。但是，在測(cè)試中增加電流線鋪設(shè)長(zhǎng)度會(huì)大大加重測(cè)試的工作量，另外，還會(huì)大大增加電流線與電壓線之間的互感分量，因此不能盲目布置過長(zhǎng)的電流線。

當(dāng)電流線的長(zhǎng)度為1D 時(shí)，測(cè)量結(jié)果較5D 處的測(cè)試結(jié)果偏差明顯較大，偏差為98%。因?yàn)殡娏骶€長(zhǎng)度過短，導(dǎo)致電位曲線平滑段極小甚至沒有，從而在布置電壓極的過程中準(zhǔn)確確定零電位點(diǎn)，給測(cè)量結(jié)果帶來較大誤差。

當(dāng)電流線的長(zhǎng)度為2D 倍時(shí)，測(cè)量結(jié)果較5D 處的測(cè)量結(jié)果偏差較小，偏差為6%；當(dāng)電流線的長(zhǎng)度為距離被試接地裝置3 倍時(shí)，測(cè)量結(jié)果較5D 處的測(cè)量結(jié)果偏差較小，偏差為3%。

綜上，在進(jìn)行接地阻抗測(cè)試時(shí)，綜合考慮測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性和測(cè)試工作量，電流線長(zhǎng)度盡量設(shè)置為被試接地裝置最大對(duì)角線長(zhǎng)度4～5 倍（即4D～5D）；在接地網(wǎng)較大，接地裝置最大對(duì)角線長(zhǎng)度較大，電壓線電流線放線較困難時(shí)，在保證電壓線長(zhǎng)度為電流線長(zhǎng)度0.618 倍時(shí)，可以選擇設(shè)置電流線長(zhǎng)度為被試接地裝置最大對(duì)角線長(zhǎng)度2～3 倍（即2D～3D）。

3.4 電流極的接地電阻值對(duì)測(cè)試結(jié)果影響

在接地網(wǎng)接地阻抗測(cè)量中，應(yīng)盡可能減小電流極的接地電阻值，確保電流極電流回路電阻較小，設(shè)備輸出的試驗(yàn)電流較大。通過多次接地網(wǎng)接地阻抗的測(cè)試工作，發(fā)現(xiàn)如果電流極的接地電阻值偏大，則回路電阻偏大，以致實(shí)際輸出的電流值無法達(dá)到測(cè)試裝置設(shè)置的電流值，將影響測(cè)量的靈敏度，從而導(dǎo)致實(shí)際測(cè)試結(jié)果偏差較大。在接地網(wǎng)接地阻抗的測(cè)試過程中，由于土壤中沙石較多，在電流極打樁時(shí)，只勉強(qiáng)打到地下10 cm 左右，電流極的接地電阻偏大，達(dá)到18.5 Ω，測(cè)試裝置設(shè)置的輸出電流為5 A，但是測(cè)試裝置輸出的測(cè)試電流只有2.1 A。經(jīng)過多次定位，最終將電流極定位到一處土壤疏松。沙礫較少，易于打樁的地方，采用多個(gè)電流極并聯(lián)的方式布置電流極，并在電流極處適當(dāng)澆水，大大減小了電流極的電阻值，電流極的接地電阻減小到4 Ω，儀表實(shí)際輸出的電流達(dá)到4.02 A，確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。

4 結(jié)論

本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)直線法測(cè)量接地網(wǎng)接地阻抗的過程，發(fā)現(xiàn)接地網(wǎng)接地阻抗測(cè)量結(jié)果中電感值越來越大，在接地阻抗中所占比重也越來越大，已不可忽略，因此，在大型接地網(wǎng)接地阻抗測(cè)試中必須考慮接地網(wǎng)的感性分量。并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了多種因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，給出了各影響因素的優(yōu)化控制措施。通過以上有效措施，確保接地網(wǎng)接地阻抗測(cè)量的準(zhǔn)確性，以正確判斷接地網(wǎng)的腐蝕情況，避免因接地阻抗測(cè)試不準(zhǔn)間接導(dǎo)致的接地網(wǎng)事故。