何智強(qiáng)，李 欣，王麗蓉，胡曉暉，潘卓洪

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007；2.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長(zhǎng)沙 410007；3.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司，湖南 長(zhǎng)沙 410003；4.武漢市康達(dá)電氣有限公司，湖北 武漢 430070；5.華北電力大學(xué)河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003)

0 引言

在電網(wǎng)數(shù)字化和智能化發(fā)展的趨勢(shì)下，以監(jiān)控、測(cè)量、保護(hù)等為目的的弱電設(shè)備對(duì)接地可靠性提出了越來(lái)越高的要求[1]。評(píng)價(jià)接地系統(tǒng)性能的重要標(biāo)準(zhǔn)是其接地阻抗，即接地裝置對(duì)遠(yuǎn)方電位零點(diǎn)的阻抗[2- 3]。接地阻抗測(cè)量是接地系統(tǒng)驗(yàn)收的重要環(huán)節(jié)，同時(shí)也是一項(xiàng)工作量較大的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作，受現(xiàn)場(chǎng)干擾[4]、地形和土壤電阻率[5]、布線路徑[6-7]、互感耦合[8-9]等多方面的因素影響，對(duì)測(cè)量?jī)x器的精度和抗干擾性能有較高的要求。目前行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為工頻干擾是接地測(cè)量主要影響因素。為了應(yīng)對(duì)工頻干擾，常用工頻大電流法或異頻法進(jìn)行測(cè)量[10]。工頻大電流法是加大工頻試驗(yàn)電流以提高信噪比。異頻法是使用與工頻錯(cuò)開一個(gè)小頻差的試驗(yàn)電流并通過硬件軟件濾波，實(shí)現(xiàn)工頻干擾的消除。工頻大電流法和異頻法需要的試驗(yàn)電源較為笨重，整套測(cè)量裝置的售價(jià)高昂。

為了降低接地阻抗測(cè)量?jī)x器的復(fù)雜性和制造成本，并提高儀器現(xiàn)場(chǎng)抗干擾的能力和工作的可靠性，本文提出了大型接地裝置的工頻間隔波測(cè)量方法。通過硬件實(shí)現(xiàn)間隔波電流輸出，通過數(shù)個(gè)周期測(cè)量信號(hào)的差分去噪以取得有效信號(hào)成分。本文先以算例從原理上分析了方法的有效性，并在某500 kV變電站的接地阻抗測(cè)量中實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用。本文研究為接地測(cè)量及其裝備制造提供參考。

1 大型接地裝置的阻抗測(cè)量方法

在規(guī)程DL/T 475《接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則》中，規(guī)定大型接地裝置為：①110 kV及以上電壓等級(jí)變電站的接地裝置；②裝機(jī)容量在200 MW以上的火電廠和水電廠的接地裝置；③等效面積在5 000 m2以上的接地裝置[10]。根據(jù)電源類型，大型接地裝置的阻抗測(cè)量方法可分為異頻電流法和工頻大電流法兩種。

如果采用工頻電流測(cè)試接地裝置的工頻特性參數(shù)，DL/T 475要求采用獨(dú)立電源或經(jīng)隔離變壓器供電，并盡可能加大試驗(yàn)電流，試驗(yàn)電流不宜小于50 A，并應(yīng)特別注意試驗(yàn)的安全問題，如電流極和試驗(yàn)回路的看護(hù)。由于上述要求較為苛刻，為了降低測(cè)量?jī)x器的容量和提高測(cè)量準(zhǔn)確度，DL/T 475推薦采用異頻電流法測(cè)試接地裝置的工頻特性參數(shù)。異頻測(cè)量法使用變頻電源，在偏離工頻的頻率下測(cè)試，接地網(wǎng)干擾經(jīng)過選頻濾波被消除，因而測(cè)量結(jié)果不受系統(tǒng)電源的影響，不會(huì)因接地網(wǎng)是否在運(yùn)行或干擾信號(hào)的存在而受到影響，可有效地消除工頻干擾。同時(shí)，選頻也消除了接地網(wǎng)中的高頻干擾。因此，選用異頻法測(cè)量接地網(wǎng)可有效消除干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

為保證測(cè)量結(jié)果盡可能反映接地網(wǎng)在工頻運(yùn)行條件下的特性，異頻法測(cè)量應(yīng)盡量在接近工頻的條件下測(cè)量，即所謂的“類工頻”測(cè)量?；诋愵l法的接地網(wǎng)特性參數(shù)測(cè)量設(shè)備有較高的技術(shù)要求，需要測(cè)量設(shè)備具有可變的電壓和電流測(cè)量通頻帶，還必須從硬件和軟件兩方面綜合考慮使設(shè)備達(dá)到較高的測(cè)量精度?；诋愵l法的測(cè)量設(shè)備具有較好的抗干擾性能，在現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛的應(yīng)用。

工頻大電流法和異頻法的共同缺點(diǎn)是試驗(yàn)電源較為笨重，而且整套測(cè)量裝置的售價(jià)高昂。測(cè)量大型接地裝置接地阻抗對(duì)電源的要求如表1所示。異頻法雖然具有較好的抗干擾能力，但其測(cè)量結(jié)果需要折算到工頻，會(huì)引入一定誤差。從減輕設(shè)備質(zhì)量、降低成本、提高直接測(cè)量準(zhǔn)確度的角度來(lái)說(shuō)，有必要基于工頻電流研究新的測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)接地阻抗的工頻抗干擾直接測(cè)量。

表1 測(cè)量大型接地裝置接地阻抗對(duì)電源的要求

2 現(xiàn)場(chǎng)的噪聲分析

噪聲指現(xiàn)場(chǎng)所有干擾或擾亂有用信號(hào)的不期望的擾動(dòng)，包括人為造成的和自然界產(chǎn)生的干擾，以及由電系統(tǒng)材料和物理器件產(chǎn)生的自然擾動(dòng)。噪聲是一種隨機(jī)信號(hào)，在任何一瞬間都不能精確預(yù)知其大小。它由振幅隨機(jī)和相位隨機(jī)的頻率分量構(gòu)成。為了給新的工頻測(cè)量方法提供參考依據(jù)，在地鐵、電氣化鐵路牽引站、發(fā)電廠等不同接地網(wǎng)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)采集實(shí)際干擾噪聲的波形并進(jìn)行分析。

圖1背景噪聲和頻譜功率密度示意圖。圖1(a)為地鐵牽引站接地阻抗測(cè)量的背景噪聲，圖1(b)為圖1(a)的頻譜功率密度。從數(shù)據(jù)及其頻譜分析的結(jié)果來(lái)看，地鐵牽引站進(jìn)行接地阻抗測(cè)量時(shí)會(huì)面臨非常嚴(yán)重的噪聲問題：首先是低頻段有連續(xù)頻譜噪聲的大干擾，反而工頻噪聲的功率密度并不大，奇次諧波干擾嚴(yán)重，甚至三次諧波的能量譜達(dá)到基波的10倍以上。

圖1(c)為電氣化鐵路牽引站進(jìn)行接地阻抗測(cè)量時(shí)的背景噪聲，圖1(d)為圖1(c)的頻譜功率密度。結(jié)果表明，電氣化鐵路牽引站進(jìn)行接地阻抗測(cè)量時(shí)會(huì)面臨較大的工頻噪聲。

圖1(e)為某大型火力發(fā)電廠接地阻抗測(cè)量時(shí)的背景噪聲，圖1(f)為圖1(e)的頻譜功率密度。結(jié)果表明，該發(fā)電廠進(jìn)行接地阻抗測(cè)量時(shí)會(huì)面臨幅值高達(dá)15 V的工頻噪聲。圖1(f)表明工頻噪聲是噪聲的主要成分，奇次諧波成分也較為豐富。

圖1 背景噪聲與頻譜功率密度示意圖

圖1表明，不同類型大型接地裝置接地阻抗測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的背景噪聲與頻譜功率密度呈現(xiàn)不同的特性，有的以工頻干擾為主，有的以低頻干擾疊加奇次諧波的形態(tài)呈現(xiàn)。另外，現(xiàn)場(chǎng)噪聲大部分情況下是相對(duì)穩(wěn)定的。地鐵和電氣化鐵路由于機(jī)車的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起短時(shí)突變的噪聲，但很快會(huì)恢復(fù)為相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。下面針對(duì)上述兩種情況進(jìn)行接地阻抗的工頻間隔波測(cè)量方法研究。

3 工頻間隔波測(cè)量方法的原理

工頻電流結(jié)合倒相法是DL/T 475中描述的一種工頻抗干擾方法[10]。其實(shí)施流程分三步：首先，不施加電流，測(cè)量干擾電壓U0；然后，分別施加試驗(yàn)電流I1，測(cè)量合成電壓U1；最后，將試驗(yàn)電流倒相-I1，測(cè)量合成電壓U2。通過兩次施加電流，三次測(cè)量電壓，通過式(1)計(jì)算得到接地阻抗。

(1)

三極法結(jié)合倒相法需要使用分立的調(diào)壓變壓器、電流表、電壓表、功率表等設(shè)備，還需要繁瑣的人工操作和計(jì)算，因此實(shí)際應(yīng)用起來(lái)比較麻煩。另外，由于零序電流的相位不確定，而且施加正相、倒相測(cè)試電流時(shí)，干擾電壓U0的幅值和相差可能發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。

本文在“倒相法”的基礎(chǔ)上，運(yùn)用高速信號(hào)采集，程控恒流源和同步檢測(cè)等技術(shù)，提出工頻間隔波測(cè)量方法，其原理流程圖如圖2所示。首先，使用100 kHz采樣頻率對(duì)背景噪聲進(jìn)行基礎(chǔ)的測(cè)量和分析，確認(rèn)噪聲呈現(xiàn)穩(wěn)態(tài)不突變的情況，以避免非穩(wěn)態(tài)噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響；然后，發(fā)送間隔周期的工頻正弦波電流，并基于同步檢測(cè)技術(shù)控制高速采集單元對(duì)連續(xù)周期進(jìn)行采樣；最后，基于采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間差分運(yùn)算，消除相對(duì)穩(wěn)定的背景噪聲后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換(discrete Fourier transform，DFT)，得到有效電壓信號(hào)的幅值和相位，并計(jì)算得到接地阻抗。

圖2 工頻間隔波測(cè)量方法原理流程圖

間隔波測(cè)量是整個(gè)測(cè)量的核心環(huán)節(jié)。在確認(rèn)噪聲正常的情況下，在測(cè)量的主回路注入工頻試驗(yàn)電流。為了盡量提高輸出的測(cè)量電流，測(cè)量可使用升壓變壓器對(duì)市電進(jìn)行升壓。一般情況下，測(cè)試電源的頻率與背景噪聲中的工頻噪聲頻率完全一致，兩者僅幅值和相位有所區(qū)別。如果使用工頻電源連續(xù)測(cè)量的方式，則無(wú)法區(qū)分有效信號(hào)和工頻噪聲。

工頻間隔波電流輸出流程如下：偶數(shù)周波正弦電壓過零時(shí)通過程控恒源注入試驗(yàn)電流I到測(cè)量回路，1個(gè)周期后停止電流輸出，等待1個(gè)周期后到下一周波再注入試驗(yàn)電流I，如此循環(huán)。工頻間隔波電流I的表達(dá)式為：

(2)

式中:Am為有效電流信號(hào)的峰值；f為工頻；t為時(shí)間。

在I的激勵(lì)下，電壓極取得的測(cè)量信號(hào)U如式(3)所示：

(3)

式中:vm為有效電壓信號(hào)的峰值；f為工頻；t為時(shí)間。

令噪聲信號(hào)為U0=n(t)，根據(jù)間隔波的測(cè)量原理，在電壓極測(cè)量的信號(hào)s(t)如式(4)所示：

(4)

由式(4)可知，在奇數(shù)周波測(cè)量的信號(hào)為噪聲信號(hào)，在偶數(shù)周波測(cè)量的信號(hào)為噪聲與有效信號(hào)的疊加信號(hào)，相當(dāng)于將有效信號(hào)調(diào)制在噪聲信號(hào)中。高速采集單元同步于系統(tǒng)工頻，對(duì)電壓極信號(hào)連續(xù)采樣并按周期分組保存。無(wú)電流輸出的周期為奇數(shù)周期，有電流輸出的周期為偶數(shù)周期。為了消除背景噪聲，基于間隔周期對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差分運(yùn)算，以偶數(shù)周期s(t)為基準(zhǔn)周期，用前后相鄰的奇數(shù)周期數(shù)據(jù)，按式(5)進(jìn)行運(yùn)算，去除噪聲，解調(diào)得到工頻間隔波電流對(duì)應(yīng)的有效電壓信號(hào)s′(t′)。

s′(t′)=s(t)-0.5[s(t+T)+s(t-T)]

(5)

式中:s′為調(diào)制后的數(shù)據(jù)；t′為調(diào)制數(shù)據(jù)的時(shí)間量；T為工頻周期時(shí)間。

在噪聲相對(duì)穩(wěn)定的情況下，間隔周期噪聲的幅值、相位基本相同，因此式(5)可以較好地剔除噪聲，獲得有用信號(hào)。對(duì)解調(diào)得到的電壓信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉分析，可以得到電壓信號(hào)的幅值|s|和相位差θS，除以間隔波電流信號(hào)I，便可得到接地阻抗測(cè)量值，如式(6)所示：

(6)

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與驗(yàn)證

工頻間隔波測(cè)量方法的測(cè)量結(jié)果如圖3所示。為了驗(yàn)證工頻間隔波測(cè)量原理的有效性，將現(xiàn)場(chǎng)采集的噪聲信號(hào)依據(jù)間隔波測(cè)量原理進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，把圖1中的噪聲信號(hào)在空載情況下采用間隔波進(jìn)行去噪可以得到剩余噪聲，采用式(5)去噪之后，圖3(a)、圖3(c)和圖3(e)的殘余噪聲是原始噪聲的1/100～1/1 500，說(shuō)明去噪效果可達(dá)40～64 dB。

通過注入一個(gè)虛擬的測(cè)量電壓信號(hào)(下文取0.141sin100t)可分析工頻間隔波方法的測(cè)量性能，結(jié)果見圖3(b)、圖3(d)和圖3(f)。對(duì)圖3(b)、圖3(d)和圖3(f)數(shù)據(jù)進(jìn)行離散傅里葉分析得到有效信號(hào)的幅值和相位偏差。以噪聲最嚴(yán)重的圖3(f)為例，測(cè)量取得的工頻電壓信號(hào)幅值誤差僅為0.31%，相位誤差為-0.24°，測(cè)量精度完全滿足規(guī)程DL/T 475的要求。

根據(jù)工頻間隔波方法的測(cè)量原理研制了測(cè)試儀器的樣機(jī)，工頻間隔波測(cè)量?jī)x器的輸出電流波形如圖4所示。并在變電站與異頻法測(cè)試設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證。選取某500 kV變電站進(jìn)行間隔波測(cè)量方法的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。測(cè)量對(duì)象為一個(gè)長(zhǎng)270 m、寬220 m、對(duì)角線350 m的接地系統(tǒng)。由于現(xiàn)場(chǎng)限制，測(cè)量布線選用遠(yuǎn)離夾角法進(jìn)行，布線夾角約為110°，滿足規(guī)程關(guān)于遠(yuǎn)離夾角法的要求。

圖3 工頻間隔波測(cè)量方法的測(cè)量結(jié)果

圖4 工頻間隔波測(cè)量?jī)x器的輸出電流波形

為了對(duì)比間隔波測(cè)量方法的有效性，現(xiàn)場(chǎng)使用異頻法(測(cè)量頻率為53 Hz，儀器為紅相接地阻抗測(cè)量系統(tǒng))作測(cè)量對(duì)比。測(cè)量過程中選取了不同的測(cè)量點(diǎn)，兩種測(cè)量方法的輸出電流均為3 A(有效值)，測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 間隔波與異頻法的測(cè)量結(jié)果對(duì)比

結(jié)果對(duì)比表明，間隔波的測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)論是模值還是相角均比較穩(wěn)定，而且和異頻法的測(cè)量結(jié)果一致。初步現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用的情況表明間隔波的測(cè)量方法是一種有效的測(cè)量方法。

與工頻電流大電流測(cè)量方法不同，間隔波可以通過“市電+隔離調(diào)壓變”的方式供電，可有效降低試驗(yàn)電流和設(shè)備成本。目前，間隔波的樣機(jī)中需要引入高速的采樣單元、電力電子開關(guān)及其控制電路。這部分的裝置和元件都是比較成熟的，設(shè)備增加的成本并不高。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，接地阻抗測(cè)量裝置也需要向輕型化和智能化的方向發(fā)展。在有效降低測(cè)量回路阻抗和提高儀器測(cè)量精度的情況下，間隔波測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的輕型化。假設(shè)電流極的接地電阻降到20 Ω，以3 A的測(cè)量電流輸出為例，儀器的輸出電壓可以降低到數(shù)十V，電源容量要求也大大降低。另外，通過良好的硬件降噪技術(shù)可以進(jìn)一步提高測(cè)量?jī)x器的信噪比，從而降低對(duì)試驗(yàn)電流的要求。

5 結(jié)論

針對(duì)使用工頻電流測(cè)量接地阻抗時(shí)要求使用大電流輸出的缺點(diǎn)，本文提出了一種間隔波接地阻抗測(cè)量方法，所得結(jié)論如下。

①間隔波方法通過同步的高速采集單元和可控高速電力電子開關(guān)，將工頻測(cè)量電源在間隔工頻周期內(nèi)斷開，通過相鄰信號(hào)的前后向差分可有效壓制現(xiàn)場(chǎng)噪聲。

②從原理上分析了間隔波方法有效性，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量了不同類型的強(qiáng)干擾噪聲并分析了它們的波形參數(shù)和特征。通過仿真算例證明了本文方法的有效性，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)間隔波測(cè)量接地阻抗的樣機(jī)。

③在某500 kV變電站的接地阻抗測(cè)量中實(shí)現(xiàn)了間隔波測(cè)量方法的應(yīng)用，并與異頻法作對(duì)比。結(jié)果表明，間隔波的測(cè)量數(shù)據(jù)的模值和相角和異頻法的測(cè)量結(jié)果一致，證明間隔波方法是一種有效的接地阻抗測(cè)量方法。

本文方法開啟了接地阻抗現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和儀器研發(fā)的新思路，可以有效降低測(cè)試電源的容量，從而實(shí)現(xiàn)裝備的輕型化和智能化。