CN106093534A - 一种测试地网跨步电压和接触电压的方法 - Google Patents

Abstract

一种测试地网跨步电压和接触电压的方法，尤其涉及一种测试地网跨步电压和接触电压的短电流极方法，主要由于在保证测试精度的前提下，适当减小电流极的放线距离可显著降低测试成本，提高测试效率。本发明对跨步电压、接触电压测试误差的影响，提出了大型地网测试中电流极放线距离的选取原则，并在超高压变电站接地网的测试中进行了验证，测试结果较好地验证了本文提出的短电流极测试方法的准确性和高效性。

Description

一种测试地网跨步电压和接触电压的方法

技术领域

本发明属于电压的测量方法，具体涉及一种能在保证测量精度的基础上，缩短电流极的放线距离。

背景技术

跨步电压、接触电压的测试因受诸多因素的影响，长期以来一直是困扰电力部门的技术难题。大型接地网特指500kV及以上电压等级的变电站接地网。与一般的接地网相比，大型接地网占地面积大、结构复杂、连接设备繁多，并且在故障电流作用下产生的地表电位分布极不均匀。因此逐点测量大型接地网的跨步电压和接触电压工作量巨大，通常在测试中选取最大值可能出现的区域或人员经常活动的区域进行重点测试。由于大型接地网的对角线长，一般超过300m，若按《接地装置特性参数测量导则(DL/T475-2006)》中的要求，电流极的放线距离将超过1500m，放线工作量太大。

文献《发电站大型接地网跨步电压的测量方法及降低方法》根据DL/T475-2006《接地装置特性参数测量导则》测量跨步电压的方法，通过大电流发生器模拟一个故障电流给被测物体，再用内置等效人体电阻的电压表对模拟人体双脚的电极进行了跨步电压的测量，能够得到跨步电压值，但并未对跨步电压测量方法提出优化。

中国专利“一种跨步电压及接触电压的测量方法《CN102901857A》”在接地装置和预设位置电流桩接入与工频相差设定频率的电源，将第一人体模拟电阻的两端设置为具有固定的预设距离，在接地装置与电流桩之间将第一人体模拟电阻的两端接地，从而利用电压表测出跨步电压和接触电压。但其未考虑土壤的均匀性，且需要架设电流桩等设备，过程繁琐，工作量大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测试地网跨步电压和接触电压的短电流极方法，它能解决在现有大型接地网中对跨步电压和接触电压进行检测时，电流极放线过长以及检测过程繁琐的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种在均匀土壤中测试地网跨步电压和接触电压的方法，它包括以下步骤：

1)建立接地网仿真计算模型，进行仿真计算，得到电流极不同放线距离下的感应电压和接触电压值；

2)选取该接地网对角线上的跨步电势、接触电势最大值的测试误差作为衡量电流极放线距离的选取依据，计算跨步电势、接触电势的实际值、测试值和测试误差；

3)在保证跨步电势、接触电势最大值的误差均在5％范围内条件下，得出满足条件的电流极放线距离值，选取较小的电流极放线距离值；

4)在电极放置点上面放置好电极，进行跨步电压和接触电压的测试。

一种在不均匀土壤中测试地网跨步电压和接触电压的方法，它包括以下步骤：

1)计算折射系数K的值；

2)当K≤0.4时，采用单电流极布置方式，S＝2D；当0.4＜K≤0.6时，采用单电流极布置方式，S＝3D时；K＞0.6，采用单电流极布置方式时，S＝4D时，采用两电流极布置方式时，S＝2D时，K相对应区间的S值即为电流极放线距离值；

3)在电极放置点上面放置好电极，进行跨步电压和接触电压的测试。

在步骤3)中，测量跨步电压时，采用电位极布置方法进行测量。

在步骤4)中，测量接触电压时，在水泥路面上设置圆盘电极，圆盘电极采用湿抹布包裹并压上20kg的重物，并在电极附近浇上一定的自来水使电极与水泥路面接触良好，在草地表面设置铁钎电极。

与现有技术相比，本发明有益效果：

(1)将跨步电压和接触电压的测试场地分为均匀土壤中和不均匀土壤中，避免了现有测量方法一味地采用S＝5D的放线距离产生的测量误差。因跨步电压和接触电压的测量 准确性受大地电阻率分布和电流极放线距离影响较大，不同大地电阻率分布情况下跨步电压和接触电压测量时电流极放线距离也有所差别，一味地采用S＝5D的放线距离必然导致测量结果产生误差，本发明将测试场地分为均匀土壤中和不均匀土壤中，考虑了大地电阻率分布对测量结果的影响，使得能够在保证测量精度的前提下得出较短的放线距离值，

(2)在均匀土壤中，采用本发明的方法可避免现有测量方法中盲目放线带来造成的测量误差和工作量大的问题。本发明通过将不同放线距离下跨步电压和接触电势的CEDGS仿真值与接地网对角线上的跨步电势、接触电势最大值进行对比，得出测试误差低于5％的放线距离值，从而得到了在保证测量精度基础上的较短放线距离。

(3)在不均匀土壤中，通过K值的选择，来得到较短的放线距离，能在保证测量精度的基础上，获得较短的放线距离，同时，可以简化繁琐的检测过程。

附图说明

图1测试回路模型及地表电位观测线；

图2跨步电势的测试误差与反射系数的关系；

图3接触电势的测试误差与折射系数的关系；

图4跨步电势的测试误差与上层土壤厚度的关系(S＝2D)；

图5跨步电势的测试误差与上层土壤厚度的关系(K＝0.8)；

图6跨步电势的测试误差与上层土壤厚度的关系(K＝0.6)；

图7两电流极的测试回路布置图；

图8跨步电压的测试路径；

图9测试路径#1上的跨步电势；

图10测试路径#2上的跨步电势；

图11测试路径#3上的跨步电势；

图12测试路径#1上的跨步电压(并联电阻1000Ω)；

图13测试路径#1上的跨步电压(并联电阻1500Ω)。

具体实施方式

考虑大型接地网水平导体的不等间距布置方式，以特高压晋东南变电站的接地网为例，其尺寸为(314×357)m²。为方便建模，将其模型简化为(360×360)m²的方形地网。水平导体不等间距布置，压缩比为0.68，埋深1.2m，导体等效半径为0.012m，水平导体数目为62根，接地网模型、观测对角线以及电流极位置如图1所示。土壤电阻率为100Ω·m，实际地网中的故障电流取45kA；测试回路电流频率为50Hz，幅值为60A，注入点均为地网中心。

在均匀土壤情况下：

根据理论分析和工程实践经验，方形地网跨步电压的最大值出现在以地网边角点为起点的沿对角线方向的一个跨步处；矩形地网的最大跨步电压出现在地网外沿地网边角平分线(45°线)的第一个跨步处。方孔地网的最大接触电压出现在地网的边角网孔处；长孔地网的最大接触电压则出现在相当于方格网孔边角孔的位置。因此，选取该接地网对角线上的跨步电势、接触电势最大值的测试误差作为衡量电流极放线距离的选取依据。跨步电势、接触电势的实际值、测试值和测试误差如表1所示，实际值是指短路电流流向无穷远处情况下的仿真计算值，测试值是指短路电流通过不同距离的电流极回流情况下的仿真计算值。

表1最大跨步电势、接触电势的测试值与测试误差(ρ＝100Ω·m)

表中：s——电流极距地网边沿的距离；

D——地网对角线长度；

ε_k、ε_j——跨步电势、接触电势的测试误差，

当S＝5D、4D、3D、2D时，最大跨步电势的误差在5％范围内，最大接触电势的误差在1％的范围内。为保证跨步电势、接触电势最大值的误差均在5％范围内，S选取2D即可。改变土壤电阻率为200Ω·m和500Ω·m，进行上述类似的计算与分析：跨步电势、接触电势的绝对值随土壤电阻率的增大而增大，其测试误差也相应增大，但基本维持在与100Ω·m相同的水平上。采用相同的测试误差允许标准，土壤电阻率为200Ω·m、500Ω·m时电流极距离仍选取为二倍对角线长度。

在不均匀土壤情况下：

假设上层土壤电阻率为100Ω·m，厚度为20m，下层土壤电阻率500Ω·m。

单电流极布置方式：

(1)计算得出折射系数K的值，K＝0.67；

(2)依据水平两层的土壤模型中电流极放线距离的选取原则：K≤0.4，采用单电流极布置方式，S＝2D；0.4＜K≤0.6，采用单电流极布置方式，S＝3D；K＞0.6，采用单电流极布置方式时，S＝4D，采用两电流极布置方式时，S＝2D。K相对应区间的S值即为电流极放线距离值。

实际接地网所在的土壤大多是不均匀的，根据土壤建模的方法，土壤通常可按水平分层的双层土壤模型来简化处理。下面分析上、下层土壤电阻率的比例关系以及上层土壤厚度的影响。

单电流极布置方式：

在水平分层的双层土壤模型中，通常采用土壤电阻率折射系数K值来表示上、下层土壤电阻率的比例关系，如式(1)所示。K值的取值范围为(-1，1)，其中K＞0表示下层土壤电阻率高于上层土壤电阻率；K＝0表示均匀土壤；K＜0表示上层土壤电阻率高于下层土壤电阻率。

$K=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2-{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_1+{\mathrm{\ρ}}_2}---\left(1\right)$

式中：ρ₁——上层土壤电阻率，Ω·m；

ρ₂——下层土壤电阻率，Ω·m。

假设上层土壤电阻率为100Ω·m，厚度为20m，计算不同折射系数K情况下，跨步电势、接触电势的测试误差随电流极放线距离的变化关系，如图2、图3所示。分析可知：(1)相同折射系数K情况下，ε_k随S的减小而增大；(2)相同S情况下，ε_k随折射系数K的增大而增大，即随深层土壤电阻率的减小而减小；(3)ε_j在不同折射系数K的条件下均小于1％，显著小于相同K值条件下的ε_k，因此电流极距离的选取主要受ε_k影响。

分析上层土壤厚度对测试误差的影响，计算不同折射系数K时跨步电势的测试误差ε_k与上层土壤厚度h的关系曲线，如图4、图5、图6所示，分析可知：(1)K＞0时，随着h的增大ε_k先增大后减小，K＜0时，随着h的增大ε_k先减小后增大；(2)无论K为何值，，随h增大，ε_k最终趋近于均匀土壤(100Ω·m)的情况；(3)相同h、K条件下，S大则ε_k小；(4)相同h、S条件下，K大则ε_k大。

综上所述，考虑上层土壤厚度的影响，为了保证跨步电势和接触电势的测量误差均在5％以内：K＞0.6时S取四倍地网接地网对角线长度；0.4＜K≤0.6时S取三倍接地网对角线长度；K≤0.4时S取二倍接地网对角线长度。

两电流极布置方式：

当K＝0.6或0.8时，电流极的放线距离S要求达到3D，甚至4D，但由于接地网周围环境的限制，放线距离可能无法达到3D、4D。因此考虑采用两个电流极的布置方式，以减小单电流极的放线距离，两电流极布置方式的测试回路如图7所示。

K＝0.8或0.6情况下，不同电流极距离的最大跨步电势、接触电势及测试误差如表2、表3所示。按前述相同的测试误差标准：在K＝0.6或0.8的情况下电流极距离可选为二倍地网对角线长度。

表2最大跨步电势、接触电势的测试值与测试误差(K＝0.8)

表3最大跨步电压、接触电压的测试值与测试误差(K＝0.6)

在两个电流极布置情况下，与跨步电势相比较，接触电势的误差更大。采用两电流极测试方案可解决一些接地网在采用单电流极放线困难的问题，并且跨步电势的误差较小，但其也存在接触电势误差大的问题。

现场测试

采用短电流极法对湖北一个500kV变电站接地网的跨步电压(电势)、接触电压(电势)进行了现场测试。

试验电源采用YDGH-60/800地网接地电阻测量装置，电流极采用12根1.5m长φ50mm圆钢接地桩，测试中的实际电流幅值保持在45A±5％范围内。

该变电站地网呈“L”形，其最大对角线按420m来考虑。选取5个测点测量了土壤电阻率，采用CDEGS软件包建立了水平分层的两层土壤模型：上层土壤电阻率79.99Ω·m，厚度为0.73m；下层土壤电阻率为112.26Ω·m，折射系数K＝0.17，选取电流极距离为二倍地网对角线长度，即电流极布置在距地网边沿(西南角)850m处。S＝4D情况下，电流极布置在距地网边沿(西南角)1760m处；S＝2D情况下，电流极布置在该路径的中点附近；S＝3D情况下，电流极布置在该路径上的1250m处。

跨步电压的测试结果

跨步电压和接触电压的测量采用《接地装置特性参数测量导则(DL/T475-2006)》中电流、电压三极法测量接地电阻试验线路和电源进行。对图8所示的测试路径进行了跨步电压的测试。测试结果如图9～图13所示。测试结果均已归算至60kA，以便在同一短路电流条件下进行比较。

分析以上测试结果可知：S＝2D情况下测得的跨步电势(电压)与S＝4D、S＝3D情况下的测试结果有较好的一致性，这说明选择S＝2D即可满足跨步电势(电压)的工程测试要求。

接触电压的测试结果

选取#505327 A相、C相接地刀闸为测点，由于附近有水泥路面和草地，所以对这两种情况分别采用圆盘电极和铁钎电极，圆盘电极采用湿抹布包裹并压上20kg的重物，并在电极附近浇上一定的自来水使电极与水泥路面接触良好。测试结果如表4、5所示。

表4接触电势的测试结果(V)

表5接触电压(并联1500Ω电阻)的测试结果(V)

(1)S＝2D情况下测得的接触电势(电压)与S＝4D情况下的测试结果有较好的一致性，因此，选择S＝2D可满足接触电势(电压)的工程测试要求；

(2)由于测试位置距离电流注入点较近，接地网的地电位升较大，因此接触电势(电压)较大。

因此，本发明通过理论计算和现场实测验证了在水平两层的土壤模型中电流极放线距离的选取原则：K≤0.4，采用单电流极布置方式，S＝2D；0.4＜K≤0.6，采用单电流极布置方式，S＝3D；K＞0.6，采用单电流极布置方式时，S＝4D，采用两电流极布置方式时，S＝2D。即确定不均匀土壤电流极放线距离的步骤可简化为：

(1)计算折射系数K的值；

(2)依据水平两层的土壤模型中电流极放线距离的选取原则：K≤0.4，采用单电流极布置方式，S＝2D；0.4＜K≤0.6，采用单电流极布置方式，S＝3D；K＞0.6，采用单电流极布置方式时，S＝4D，采用两电流极布置方式时，S＝2D。K相对应区间的S值即为电流极放线距离值。

Claims (4)

1.一种在均匀土壤中测试地网跨步电压和接触电压的方法，其特征在于它包括以下步骤：

1)建立接地网仿真计算模型，进行仿真计算，得到电流极不同放线距离下的感应电压和接触电压值；

2)选取该接地网对角线上的跨步电势、接触电势最大值的测试误差作为衡量电流极放线距离的选取依据，计算跨步电势、接触电势的实际值、测试值和测试误差；

3)在保证跨步电势、接触电势最大值的误差均在5％范围内条件下，得出满足条件的电流极放线距离值，选取较小的电流极放线距离值；

4)在电极放置点上面放置好电极，进行跨步电压和接触电压的测试。

2.一种在不均匀土壤中测试地网跨步电压和接触电压的方法，特征在于它包括以下步骤：

1)计算折射系数K的值；

2)当K≤0.4时，采用单电流极布置方式，S＝2D；当0.4＜K≤0.6时，采用单电流极布置方式，S＝3D时；K＞0.6，采用单电流极布置方式时，S＝4D时，采用两电流极布置方式时，S＝2D时，K相对应区间的S值即为电流极放线距离值；

3)在电极放置点上面放置好电极，进行跨步电压和接触电压的测试。

3.根据权利要求4所述的一种测试地网跨步电压和接触电压的短电流极方法，其特征在于：在步骤3)中，测量跨步电压时，采用电位极布置方法进行测量。

4.根据权利要求4所述的一种测试地网跨步电压和接触电压的短电流极方法，其特征在于：在步骤4)中，测量接触电压时，在水泥路面上设置圆盘电极，圆盘电极采用湿抹布包裹并压上至少15kg的重物，并在电极附近浇上一定的自来水使电极与水泥路面接触良好，在草地表面设置铁钎电极。