CN105203851A - 测量强谐波下大型地网接地阻抗值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量强谐波下大型地网接地阻抗值的方法，包括以下步骤：测量工频下的接地阻抗值；确定接地网等效模型；根据测量得到的工频下的接地阻抗值，求取接地网等效模型中的泄漏电阻值；根据接地网等效模型求取各次谐波下的接地阻抗值。通过建立接地网等效模型，运用现场测量得到工频下的接地阻抗进行仿真计算来确定模型参数，进而通过模型求取各次谐波下的接地阻抗值。从而解决了现场难以测量得到强谐波下接地阻抗值的问题。

Description

测量强谐波下大型地网接地阻抗值的方法

技术领域

本发明涉及电力测量领域，具体地，涉及一种测量强谐波下大型地网接地阻抗值的方法。

背景技术

随着我国电力网络的发展，非线性电力负载持续增长，系统容量显著增加，故障时的入地短路电流水平不断升高，电力系统中谐波畸变问题也日趋严重。同时，二次设备和弱电设备对接地网电位升高和场区压差等安全性指标的要求逐步提高；且在某些地区强谐波的干扰严重，电磁骚扰频繁，使得谐波源对发电厂、变电站的安全构成很大威胁。同时，接地网埋在地下，与其他电网设备参数测量具有较大的区别，如何准确测量变电站地网的接地阻抗，成为长期以来困扰工程技术人员的难题和挑战。

大型地网接地电阻的测量方法繁多，大致可分为如下几种：伏安两点法、电位降法、三极法、四级法、倒相法、白噪声法、相位补偿法和异频法等。这些方法用于工频下接地阻抗的测量，工频接地阻抗通常作为判定接地系统是否符合规程要求以及衡量接地系统的安全性、有效性的重要指标。另外，在强谐波入地电流存在的变电站，各次谐波下的接地阻抗值作为接地网的重要参数，其对接地网运行状态的诊断具有重要意义。变电站的谐波以奇次谐波为主，奇次谐波频率下的接地阻抗值准确测量对接地网的性能评估，保障电力系统安全可靠运行，保障设备和运行人员安全具有重要的实际意义。

目前接地阻抗的测量方法大多针对的是工频下接地阻抗的测量，然而由于实际工况的复杂性，很多情况下变电站在强谐波下运行，此时的接地阻抗值与工频下的接地阻抗是有区别的，而且，由于现场测量需要制作谐波源等限制，使得难以直接测试得到谐波下的接地阻抗值。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种测量强谐波下大型地网接地阻抗值的方法，以解决现场难以测量得到强谐波下接地阻抗值的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种测量强谐波下大型地网接地阻抗值的方法，包括以下步骤：

a)测量工频下的接地阻抗值；

b)确定接地网等效模型；

c)根据测量得到的工频下的接地阻抗值，求取接地网等效模型中的泄漏电阻值；

d)根据接地网等效模型求取各次谐波下的接地阻抗值。

优选的，所述的接地网等效模型，是将接地网用集中参数模型表示，将每段接地网导体通过导体段的等效阻抗Z和泄漏电阻R_d组成的T型单元等效，其中导体段的等效阻抗Z所在支路用于等效入地电流在接地网中的分流支路，泄漏电阻R_d所在的支路用于等效从接地网中散流到土壤中的泄漏电流支路。

优选的，导体段的等效阻抗Z根据接地网导体的基本参数计算得到具体步骤为：

由于集肤效应的影响，导体段的交流电阻会大于直流电阻，导体段的交流电阻计算公式如式(1)所示，

$R_{ac}=\frac{a}{2\mathrm{\δ}}{R}_{dc}---\left(1\right)$

式(1)中，R_ac为交流电阻，a为导体等效半径，为肌肤深度，为直流电阻，ρ为导体电导率，l为导体长度，μ、σ和f为常数；

考虑集肤效应，导体段的交流内自感用直流内自感表示，如式(2)所示，

$L_{ac}=\frac{2\mathrm{\δ}}{a}{L}_{dc}---\left(2\right)$

式中a为导体等效半径，为肌肤深度，直流内自感L_dc根据安培环路定律得到，μ为导体磁导率，l为导体长度；

导体段的外自感等于处于导体段轴线的细线段与处于导体段表面的细线段之间的互感，计算如式(3)所示，

$L_{ext}=\frac{\mathrm{\μ}}{4\mathrm{\π}}{\∫}_{l_1}{\∫}_{l_2}\frac{1}{r}{\mathrm{dl}}_1{\mathrm{dl}}_2\≈\frac{\mathrm{\μ}l}{2\mathrm{\π}}(ln\frac{2l}{a}-1)---\left(3\right)$

式中，l₁，l₂分别为处于导体段轴线的细线段与处于导体段表面的细线段的路径，r是源点与场点之间的距离，a为导体等效半径，μ为导体磁导率，l为导体长度；

导体段的等效阻抗Z包括导体段的自阻抗Z₀和等效的互阻抗Z_M，即Z＝Z₀+Z_M，其中，导体段的自阻抗Z₀由式(4)表示，

Z₀＝R_ac+jω(L_ac+L_ext)(4)

根据电磁场理论，地下有限长平行导体段AB和CD，其等效互阻抗Z_M可以由式(5)计算得到，

$Z_M=\underset{a}{\overset{b}{\∫}}\underset{c}{\overset{d}{\∫}}-{\mathrm{j\ωA}}_x{\mathrm{dxdx}}^{\′}---\left(5\right)$

式中 $A_x=c\[\frac{e^{-jkR}}{R}-\frac{e^{-jkR}}{R_s}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}\frac{2\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ}}{e}^{\left(z+z^{\′}\right)}{J}_0\left(\mathrm{\λ}\mathrm{\ρ}\right)d\mathrm{\λ}\]$ 为大地中偶极子矢量磁位的水平分量，其中k²＝-jμ₀σ，Re(k)＞0，Re(u)＞0；(x,y,z)和(x',y'z')分别为场点和源点的坐标， $\mathrm{\ρ}=\sqrt{{(x-x^{\′})}^2+{(y-y^{\′})}^2},$ z'＜0，z＜0， $R=\sqrt{{\mathrm{\ρ}}^2+{(z-z^{\′})}^2},$ μ₀为真空磁导率，σ为大地磁导率，J₀为第一类零阶Bessel函数。

优选的，所述泄漏电阻值R_d，是根据测量得到的工频下的接地阻抗值，对接地网等效模型进行仿真计算得到。

优选的，根据接地网等效模型求取各次谐波下的接地阻抗值，是通过将谐波频率输入到接地网等效模型中，求取该次谐波下的接地阻抗值。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明的技术方案，通过建立接地网等效模型，运用现场测量得到工频下的接地阻抗进行仿真计算来确定模型参数，进而通过模型求取各次谐波下的接地阻抗值。从而解决了现场难以测量得到强谐波下接地阻抗值的问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例所述的接地网等效模型的原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种测量强谐波下大型接地网接地阻抗值的方法，包括如下步骤：

a)按照规程测量工频下的接地阻抗值；

b)确定接地网的等效模型；

c)根据测量得到的工频下的接地阻抗值，求取模型中的泄漏电阻值；

d)根据接地网的等效模型求取各次谐波下的接地阻抗值。

接地网等效模型，是将接地网用集中参数模型表示，将每段接地网导体通过导体段的等效阻抗Z和泄漏电阻R_d组成的T型单元等效，其中导体段的等效阻抗Z所在支路用于等效入地电流在接地网中的分流支路，泄漏电阻R_d所在的支路用于等效从接地网中散流到土壤中的泄漏电流支路，如图1所示，为一个由m×n个网孔构成的接地网的等效模型，每个网孔用四个首尾相连的T型单元等效，其中导体段的等效阻抗Z可根据接地网导体的基本参数计算得到。

由于集肤效应的影响，导体段的交流电阻会大于直流电阻，导体段的交流电阻计算公式如式(1)所示，

$R_{ac}=\frac{a}{2\mathrm{\δ}}{R}_{dc}---\left(1\right)$

式(1)中，R_ac为交流电阻，a为导体等效半径，为肌肤深度，为直流电阻，ρ为导体电导率，l为导体长度。

考虑集肤效应，导体段的交流内自感可以用直流内自感表示，如式(2)所示，

$L_{ac}=\frac{2\mathrm{\δ}}{a}{L}_{dc}---\left(2\right)$

式中a为导体等效半径，为肌肤深度，直流内自感L_dc可以根据安培环路定律得到，μ为导体磁导率，l为导体长度。

导体段的外自感等于处于导体段轴线的细线段与处于导体段表面的细线段之间的互感，计算如式(3)所示，

$L_{ext}=\frac{\mathrm{\μ}}{4\mathrm{\π}}{\∫}_{l_1}{\∫}_{l_2}\frac{1}{r}{\mathrm{dl}}_1{\mathrm{dl}}_2\≈\frac{\mathrm{\μ}l}{2\mathrm{\π}}(ln\frac{2l}{a}-1)---\left(3\right)$

式中，l₁，l₂分别为处于导体段轴线的细线段与处于导体段表面的细线段的路径，r是源点与场点之间的距离，a为导体等效半径，μ为导体磁导率，l为导体长度。

导体段的等效阻抗Z包括导体段的自阻抗Z₀和等效的互阻抗Z_M，即Z＝Z₀+Z_M，其中，导体段的自阻抗Z₀由式(4)表示，

Z₀＝R_ac+jω(L_ac+L_ext)(4)

根据电磁场理论，地下有限长平行导体段AB和CD，其等效互阻抗Z_M可以由式(5)计算得到，

$Z_M=\underset{a}{\overset{b}{\∫}}\underset{c}{\overset{d}{\∫}}-{\mathrm{j\ωA}}_x{\mathrm{dxdx}}^{\′}---\left(5\right)$

式中 $A_x=c\[\frac{e^{-jkR}}{R}-\frac{e^{-jkR}}{R_s}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}\frac{2\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ}}{e}^{\left(z+z^{\′}\right)}{J}_0\left(\mathrm{\λ}\mathrm{\ρ}\right)d\mathrm{\λ}\]$ 为大地中偶极子矢量磁位的水平分量，其中k²＝-jμ₀σ，Re(k)＞0，Re(u)＞0；(x,y,z)和(x',y'z')分别为场点和源点的坐标， $\mathrm{\ρ}=\sqrt{{(x-x^{\′})}^2+{(y-y^{\′})}^2},$ z'＜0，z＜0， $R=\sqrt{{\mathrm{\ρ}}^2+{(z-z^{\′})}^2},$ μ₀为真空磁导率，σ为大地磁导率，J₀为第一类零阶Bessel函数。

求取模型中的泄漏电阻值，是根据测量得到的工频下的接地阻抗值，通过对等效模型进行仿真计算得到泄漏电阻值R_d。

根据接地网的等效模型求取各次谐波下的接地阻抗值，是通过将谐波频率输入到接地网的等效模型中，求取该次谐波下的接地阻抗值。

综上所述，本发明具有以下效果：

1)通过地网等效模型仿真计算的方法求取各次谐波下的接地阻抗值，解决了现场难以测量得到强谐波下接地阻抗值的问题。

2)接地网等效模型是针对每段接地导体的等效，适用于各种接地网结构。

3)该发明只需对工频下的接地阻抗值进行现场测量，节约了人力物力。

c最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种测量强谐波下大型地网接地阻抗值的方法，其特征在于，包括以下步骤：

a)测量工频下的接地阻抗值；

b)确定接地网等效模型；

c)根据测量得到的工频下的接地阻抗值，求取接地网等效模型中的泄漏电阻值；

d)根据接地网等效模型求取各次谐波下的接地阻抗值。

2.根据权利要求1所述的测量强谐波下大型地网接地阻抗值的方法，其特征在于，所述的接地网等效模型，是将接地网用集中参数模型表示，将每段接地网导体通过导体段的等效阻抗Z和泄漏电阻R_d组成的T型单元等效，其中导体段的等效阻抗Z所在支路用于等效入地电流在接地网中的分流支路，泄漏电阻Rd所在的支路用于等效从接地网中散流到土壤中的泄漏电流支路。

3.根据权利要求2所述的测量强谐波下大型地网接地阻抗值的方法，其特征在于，导体段的等效阻抗Z根据接地网导体的基本参数计算得到具体步骤为：

由于集肤效应的影响，导体段的交流电阻会大于直流电阻，导体段的交流电阻计算公式如式(1)所示，

$R_{ac}=\frac{a}{2\mathrm{\δ}}{R}_{dc}---\left(1\right)$

式(1)中，R_ac为交流电阻，a为导体等效半径，为肌肤深度，为直流电阻，ρ为导体电导率，l为导体长度，μ、σ和f为常数；

考虑集肤效应，导体段的交流内自感用直流内自感表示，如式(2)所示，

$L_{ac}=\frac{2\mathrm{\δ}}{a}{L}_{dc}---\left(2\right)$

式中a为导体等效半径，为肌肤深度，直流内自感L_dc根据安培环路定律得到，μ为导体磁导率，l为导体长度；

导体段的外自感等于处于导体段轴线的细线段与处于导体段表面的细线段之间的互感，计算如式(3)所示，

$L_{ext}=\frac{\mathrm{\μ}}{4\mathrm{\π}}{\∫}_{l_1}{\∫}_{l_2}\frac{1}{r}{\mathrm{dl}}_1{\mathrm{dl}}_2\≈\frac{\mathrm{\μ}l}{2\mathrm{\π}}(ln\frac{2l}{a}-1)---\left(3\right)$

式中，l₁，l₂分别为处于导体段轴线的细线段与处于导体段表面的细线段的路径，r是源点与场点之间的距离，a为导体等效半径，μ为导体磁导率，l为导体长度；

导体段的等效阻抗Z包括导体段的自阻抗Z₀和等效的互阻抗Z_M，即Z＝Z₀+Z_M，其中，导体段的自阻抗Z₀由式(4)表示，

Z₀＝R_ac+jω(L_ac+L_ext)(4)

根据电磁场理论，地下有限长平行导体段AB和CD，其等效互阻抗Z_M可以由式(5)计算得到，

$Z_M=\underset{a}{\overset{b}{\∫}}\underset{c}{\overset{d}{\∫}}-{\mathrm{j\ωA}}_x{\mathrm{dxdx}}^{\′}---\left(5\right)$

式中 $A_x=c\[\frac{e^{-jkR}}{R}-\frac{e^{-jkR}}{R_s}+\underset{0}{\overset{\mathrm{\∞}}{\∫}}\frac{2\mathrm{\λ}}{\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ}}{e}^{(z+z^{\′})}{J}_0\left(\mathrm{\λ}\mathrm{\ρ}\right)d\mathrm{\λ}\]$ 为大地中偶极子矢量磁位的水平分量，其中k²＝-jμ₀σ，Re(k)＞0，Re(u)＞0；(x,y,z)和(x',y'z')分别为场点和源点的坐标， $\mathrm{\ρ}=\sqrt{{(x-x^{\′})}^2+{(y-y^{\′})}^2},$ z'＜0，z＜0， $R=\sqrt{{\mathrm{\ρ}}^2+{(z-z^{\′})}^2},$ μ₀为真空磁导率，σ为大地磁导率，J₀为第一类零阶Bessel函数。

4.根据权利要求2所述的测量强谐波下大型地网接地阻抗值的方法，其特征在于，所述泄漏电阻值Rd，是根据测量得到的工频下的接地阻抗值，对接地网等效模型进行仿真计算得到。

5.根据权利要求1只4任一项所述的测量强谐波下大型地网接地阻抗值的方法，其特征在于，根据接地网等效模型求取各次谐波下的接地阻抗值，是通过将谐波频率输入到接地网等效模型中，求取该次谐波下的接地阻抗值。