宋高博

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計(jì)算機(jī)輔助電位降法測(cè)試變電站接地電阻方法淺析

宋高博

鄭州市技師學(xué)院

摘 要：本文主要針對(duì)運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助電位降法，對(duì)變電站接地網(wǎng)測(cè)試進(jìn)行了分析和研究

關(guān)鍵詞：接地電阻；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；電位降法；電流極短電流極引線

1概述

變電站接地網(wǎng)是保證變電站電氣設(shè)備在正常和故障情況下，都能可靠和安全運(yùn)行的主要保護(hù)措施之一，是變電站接地系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)，是衡量接地系統(tǒng)有效性、安全性以及鑒定該系統(tǒng)是否符合要求的重要參數(shù)。在每個(gè)變電站投入運(yùn)行前，都要對(duì)其進(jìn)行電網(wǎng)測(cè)試，以保證此地網(wǎng)的接地電阻滿足設(shè)計(jì)要求，而且，還要在其投入運(yùn)行后對(duì)其地網(wǎng)的接地電阻進(jìn)行定期檢查。然而，接地電阻的測(cè)量是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題，受到多方面因素的影響，它不僅與接地體的大小、形狀、地電阻率有關(guān)，受到周圍電磁場(chǎng)、土壤中的金屬物質(zhì)、地電阻率均勻程度的影響，而且還受到測(cè)量方法和電極布置的影響。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)多處變電站因雷擊形成擴(kuò)大事故，大多與地網(wǎng)接地電阻不合格有關(guān)。接地網(wǎng)起著工作接地和保護(hù)接地的作用。若接地電阻過(guò)大，發(fā)生接地故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致中性點(diǎn)電壓偏移增大，可能造成健全相和中性點(diǎn)電壓過(guò)高，超過(guò)絕緣要求而造成設(shè)備損壞。因此，必須大力加強(qiáng)對(duì)地網(wǎng)接地電阻的定期監(jiān)測(cè)；如果對(duì)地網(wǎng)接地電阻測(cè)試不準(zhǔn)確，不僅損壞設(shè)備，而且會(huì)造成諸如地網(wǎng)誤改造等不必要的損失。

電位降法是根據(jù)接地網(wǎng)完工圖紙建立地網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完整性檢測(cè)模型。運(yùn)用了敞開(kāi)式變電站接地參數(shù)測(cè)試新方法，以適應(yīng)目前變電站復(fù)雜多變的地理環(huán)境，使得接地參數(shù)測(cè)試工作的限制條件得以放寬，或減輕接地電阻測(cè)試工作的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高接地電阻測(cè)試精度。

2 接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)

圖1接地網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢測(cè)流程圖

任何一個(gè)接地網(wǎng)，在保留目標(biāo)端口節(jié)點(diǎn)的前提下，用電網(wǎng)絡(luò)等效理論削去接地網(wǎng)中其它節(jié)點(diǎn)，得到目標(biāo)端口節(jié)點(diǎn)間最多只有一條支路的網(wǎng)絡(luò)就是該接地網(wǎng)所對(duì)應(yīng)的端口網(wǎng)絡(luò)。借助網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞亩丝诘刃мD(zhuǎn)換理論，根據(jù)測(cè)試端口的數(shù)目可以將接地網(wǎng)等效為純電阻二端口網(wǎng)絡(luò)或三、四端口網(wǎng)。

當(dāng)接地網(wǎng)施工完成后，我們可以對(duì)照接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)或完工圖紙，建立接地網(wǎng)的純電阻等效網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)計(jì)算得到該網(wǎng)絡(luò)所對(duì)應(yīng)任意多個(gè)端口網(wǎng)絡(luò)的等效電阻。

通過(guò)仿真計(jì)算得到假定某兩個(gè)端口加載一定直流電流情況下對(duì)應(yīng)某兩個(gè)端口間的電壓。然后通過(guò)對(duì)施工完成的接地網(wǎng)進(jìn)行直流電流激勵(lì)，同時(shí)測(cè)量仿真計(jì)算所對(duì)應(yīng)某兩個(gè)端口間的電壓情況。

根據(jù)電路理論的基本知識(shí)可知，能夠通過(guò)MATLAB軟件直接進(jìn)行大網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)與響應(yīng)的仿真計(jì)算。下面給出接地網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢測(cè)方法流程圖，以指導(dǎo)接地網(wǎng)檢測(cè)工作的實(shí)施，如圖1所示。

3電位降法測(cè)量接地電阻的基本原理

目前接地電阻測(cè)量采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17949.1-2000《接地系統(tǒng)的土壤電阻率、接地阻抗和地面電位測(cè)量導(dǎo)則第1部分：常規(guī)測(cè)量》推薦的電位降法進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量路線分為電流極和電壓極同向布置（圖2中電極P的位置）和電壓極與電流極反方向布置（圖2中電極P1的位置）。

圖2接地電阻測(cè)量的測(cè)量引線路徑布置

電流極引線和電壓極引線同方向布置，電流極引線長(zhǎng)度取某一長(zhǎng)度時(shí)，電流極引線和電壓極引線之間的距離取5m以消除引線間互感對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。測(cè)量時(shí)電壓極從靠近電流極開(kāi)始，每隔50m 或100m測(cè)量一個(gè)視在接地電阻，測(cè)量時(shí)為了確保電壓極和電流極與接地網(wǎng)之間的距離采用GPS進(jìn)行定位，以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在實(shí)際采用電位降法測(cè)量中，為了準(zhǔn)確測(cè)量得到接地電阻，一般都將電流極置于5D以外的地方，這時(shí)為了布置測(cè)量引線而帶來(lái)巨大的工作量，有時(shí)為了測(cè)量一個(gè)較大的變電站，甚至需要幾十個(gè)人測(cè)量一整天。因此工程實(shí)際中迫切需要能夠盡量縮短電流極引線的長(zhǎng)度，以減輕測(cè)量時(shí)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4電流極引線長(zhǎng)度的選取規(guī)律

在實(shí)際采用電位降法測(cè)量中，一般是以視在接地電阻曲線上平坦段作為電壓極位置的選取標(biāo)準(zhǔn)，存在一定的系統(tǒng)誤差。為了消除該系統(tǒng)誤差，則應(yīng)盡量拉長(zhǎng)電流極引線的長(zhǎng)度。如何確定電流級(jí)引線長(zhǎng)度，同時(shí)考慮輔助電流極的影響，下面對(duì)其進(jìn)行討論。

當(dāng)電流極的位置距離待測(cè)接地系統(tǒng)較遠(yuǎn)時(shí)，不僅可以使輔助電流極的影響減小，而且可以使接地系統(tǒng)與電流極之間的電位分布曲線比較平坦，因此可以使測(cè)量點(diǎn)的選取相對(duì)容易，誤差可以較?。喝欢L(zhǎng)接地引線不僅使布線比較困難，而且由于兩電流極之間電阻值的增大，也使要達(dá)到相同測(cè)試電流的測(cè)試電壓變大，電源容量增大，測(cè)量人員的安全問(wèn)題加劇。

當(dāng)電流極引線太短時(shí)，測(cè)量得到的視在電阻曲線不存在平坦段，無(wú)法從測(cè)量曲線上直接找到接地電阻的真實(shí)值：而利用計(jì)算機(jī)輔助分析，在得到土壤電阻率分層情況的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算找到不同電流極引線長(zhǎng)度時(shí)的對(duì)應(yīng)于接地系統(tǒng)真實(shí)接地電阻的電壓極位置。

但是電流極引線的長(zhǎng)度又不可以無(wú)限制地縮短，因?yàn)楫?dāng)電流極與待測(cè)接地系統(tǒng)之間的距離過(guò)短時(shí)，就會(huì)使兩極之間的電位降梯度急劇增大，電壓極位置很小的位置偏差就可能帶來(lái)較大的測(cè)試誤差。下面就如何選取合適的電流極位置進(jìn)行討論。

為了對(duì)電流極的位置選取可能給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的誤差進(jìn)行量化的分析，把在能夠得到真實(shí)接地電阻值所要求的測(cè)量位置附近的電壓極位置變動(dòng)10m，接地電阻測(cè)量結(jié)果的變化量與真實(shí)接地電阻值的比值ω定義如下：

ω = 電壓極變10m接地電阻的變化量/真實(shí)接地電阻值

對(duì)于兩層水平分層的土壤結(jié)構(gòu)，不同的k值情況下的隨測(cè)量電流極引線長(zhǎng)度變化的曲線如圖3所示。

圖3不同k值下ω 隨電流極引線長(zhǎng)度變化曲線

由圖中7條曲線可以看出，當(dāng)電流極間距增大時(shí)，因?yàn)殡妷簶O選取位置誤差所帶來(lái)的測(cè)試誤差也相應(yīng)減小。這是由于極間距增大則電位降曲線中的平坦段也相應(yīng)增加的緣故。對(duì)比不同曲線不難看出，k值大的曲線在相同電流極間距情況下的ω 值也較大。

從圖中各曲線可以看出，ω 值在曲線的開(kāi)始階段下降非?？欤?dāng)電流極間距超過(guò)3D以后就趨于平緩。因此利用短極間距方式進(jìn)行測(cè)量是可能的。在大多數(shù)情況下可以利用較短的電流極引線進(jìn)行比較準(zhǔn)確的測(cè)量。

測(cè)量接地系統(tǒng)的接地電阻時(shí)，電流極間距的選取與土壤結(jié)構(gòu)和測(cè)量所允許的誤差限有著密切的關(guān)系。上面的討論是基于電壓極位置誤差為10m時(shí)的情況。如果測(cè)量時(shí)使電流極與電壓極位置比較準(zhǔn)確，則可以將電流極引線長(zhǎng)度縮短至1.5D。

5短電流極引線接地電阻測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過(guò)前面的討論，這里提出計(jì)算機(jī)輔助智能接地電阻測(cè)試方案。該方案主要是將計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算的最新技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，充分利用人機(jī)交互與已有知識(shí)的優(yōu)勢(shì)，力求簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確地得到待測(cè)系統(tǒng)的接地電阻值。

從前面的分析可以看出，不管電流極引線多長(zhǎng)，在接地系統(tǒng)和電流極之間都會(huì)存在一個(gè)電壓極的補(bǔ)償點(diǎn)的位置，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的接地電阻即為該接地系統(tǒng)的真實(shí)接地電阻值。實(shí)際地網(wǎng)所處的土壤結(jié)構(gòu)都是不均勻的，可以通過(guò)電阻率測(cè)量數(shù)據(jù)分析得到實(shí)際的土壤分層結(jié)構(gòu)，對(duì)于給定距離的電流極，可以通過(guò)分析計(jì)算得到電壓極的補(bǔ)償點(diǎn)，作為電壓極的布置點(diǎn)，測(cè)量得到正確的接地電阻。并且對(duì)于任意距離的電流極，即使是距離很短的電流極，在地網(wǎng)和電流極之間都存在一個(gè)對(duì)應(yīng)真實(shí)接地電阻的補(bǔ)償點(diǎn)，可以通過(guò)分析得到，這樣就能在短距離的電流極下，測(cè)量得到真實(shí)接地電阻值。測(cè)量?jī)x器采用目前國(guó)際上比較常用的變頻測(cè)量技術(shù)，消除干擾電流的影響。

根據(jù)前面的討論提出的計(jì)算機(jī)輔助短電流極引線接地電阻測(cè)試該方案的實(shí)施框圖如圖4所示。

通過(guò)接地網(wǎng)的參數(shù)可以模擬出對(duì)當(dāng)對(duì)接地網(wǎng)施加單點(diǎn)電流源一定幅值I下接地網(wǎng)對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)處的地電位升（假設(shè)為V），然后繼續(xù)模擬當(dāng)用電流線進(jìn)行近距離放線時(shí)（這時(shí)施加的是一正一負(fù)兩點(diǎn)輸入的電流源，幅值也模擬為I），找出與接地網(wǎng)間電位也為V的等電位線l，記下此時(shí)的電流極位置，作為實(shí)際測(cè)試時(shí)的電流負(fù)極放置位置，并在等電位線l上選擇一個(gè)便于測(cè)量的位置作為實(shí)際測(cè)試時(shí)電壓極放置位置。

圖4計(jì)算機(jī)輔助短電流極引線測(cè)試方案

為了使模擬仿真與實(shí)際測(cè)試偏差更小，在模擬仿真中可以考慮到多層土壤環(huán)境下的情況。這里使用多電流注入點(diǎn)的接地系統(tǒng)分析程序精確仿真多層土壤中大型接地網(wǎng)接地電阻值由此可以獲得短距離測(cè)量時(shí)電壓極的精確位置，分析計(jì)算步驟如下：

（1）計(jì)算接地網(wǎng)在兩層土壤中的實(shí)際接地電阻和地電位升，此時(shí)沒(méi)有電流回流極，只在接地網(wǎng)上注入電流。也就是說(shuō)，此時(shí)得到的接地電阻值不應(yīng)受電流回流極的影響。

（2）計(jì)算有電流回流極，且在接地網(wǎng)注入電流的同時(shí)在電流回流極反向抽出電流時(shí)，接地網(wǎng)電流入地點(diǎn)與回流極之間連線上的地表電位。

（3）接地網(wǎng)電流入地點(diǎn)與回流極之間連線上的地表電位中，尋找其電位與地網(wǎng)電流入地點(diǎn)電位之間的電位差等于（1）中的地電位升的點(diǎn)，該點(diǎn)即為相應(yīng)電流回流極位置所對(duì)應(yīng)的電壓極位置。

6 結(jié)論

綜上所述，在測(cè)量變電站接地網(wǎng)接地電阻時(shí)，應(yīng)盡量在了解接地系統(tǒng)附近土壤分層結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，綜合考慮各方面的影響因素，選擇合理的電流極的引線及電壓極的布置位置及其相應(yīng)的測(cè)量方法，并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)減少各個(gè)環(huán)節(jié)的誤差，以獲得較準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。本文針對(duì)變電站地網(wǎng)驗(yàn)收和測(cè)試中存在的問(wèn)題，采用電位降法進(jìn)行了變電站接地網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完整性分析，提出了計(jì)算機(jī)輔助短電流極引線接地電阻測(cè)試方案。

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