CN111812407A

CN111812407A - 一种综合接地阻抗测量方法、系统及介质

Info

Publication number: CN111812407A
Application number: CN202010686774.XA
Authority: CN
Inventors: 任章鳌; 何智强; 李欣
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Hunan Electric Power Co Ltd; State Grid Hunan Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Hunan Electric Power Co Ltd; State Grid Hunan Electric Power Co Ltd
Priority date: 2020-07-16
Filing date: 2020-07-16
Publication date: 2020-10-23
Anticipated expiration: 2040-07-16
Also published as: CN111812407B

Abstract

本发明公开了一种综合接地阻抗测量方法、系统及介质，本发明包括测量计算目标接地网的接地阻抗忽略感抗部分后的电阻部分R；测量计算目标接地网的接地阻抗忽略电阻部分后的感抗部分L；将接地阻抗的电阻部分R、感抗部分X综合得到目标接地网的接地阻抗Z。本发明针对接地阻抗的数值特征，采用了两种不同的测量形式，对接地阻抗中的电阻部分以及感抗部分分别进行测量，然后通过两次不同的试验数据，计算接地网接地阻抗的整体数值。由于采用不同的测量方法与手段，从原理上将整体测量进行了针对性分解，不同的测量方式仅仅针对单一的测量值，从根本上保证了测量的准确度与精度。

Description

一种综合接地阻抗测量方法、系统及介质

技术领域

本发明属于电气工程高电压技术的接地阻抗测量技术，具体涉及一种综合接地阻抗测量方法、系统及介质，可用于实现电力设备预防性试验所规定要求的检测内容，特别是针对大型发电厂、高压变电站接地阻抗的测量，以及高压输电杆塔的接地阻抗测量。

背景技术

发电厂、变电站接地装置的运行状况关系到电力系统的安全、稳定运行。电力系统发生短路故障时，过大的短路电流流经地网使地网电位升高可能危及设备和人身安全，准确地评估接地装置的安全性具有重要意义。在测量大型接地网接地阻抗过程中，普遍采用直线法。当电流线与电压线相互平行时，通过电流线的测试电流在电压线上造成的感应电压将引起测量过程中的误差。感应电压随电流线与电压线之间的距离减小、并行长度增加而增大。当使用停电的架空线作测量回路，电流线和电压线使用同一回架空线的不同相位时，测量误差十分显著，互感电压有可能掩盖需要测量的电压。即使采用有角度导线布置电极(三角法)，同样有互感电压造成测量误差的问题。虽然有经验的工作人员现场会考虑互感影响，而将电流线与电压线尽可能远离，但有时受现场环境影响，还是会有较长距离和较小间距的平行或者有角度的放线。有些大型水电站，测量时无法停多条线路供接地试验用，电流线与电压线只能取同一回路的两相线路，互感影响无法避免。因此，对于接地阻抗检测，如何在测量方法中剔除互感成分，又保留接地网接地阻抗真实的电感分量，获得准确的测量结果，成为迫切需要解决的难题。

现有的直线法测量大型地网接地阻抗时，试验示意图如图1所示。测量点选在地网中心的接地引下线处，按照导则要求放置测量线。测量电流极距地网中心的距离为c，电流线和电压线向同方向放出，电压极放置在距地网中心的距离为p的区域，土壤电阻率ρ理想均匀，接地装置半径为r。由于电流I进入接地极，使该极中心和边缘的电位升均为ρI/(2πr)，电位极的电位为ρI/(2πp)。由于电流离开电流极在接地极边缘(也即中心)的电位升是-ρI[2π(c-r)]，在电位极的电位是-ρI/[2π(c-p)]。

因此，接地极至电位极之间的电位差U为：

上式中，ρ为土壤电阻率，I为进入接地极的电流，r为接地装置半径，p为电压极距地网中心的距离，c电流极距地网中心的距离。

接地极至电位极之间的测得的电阻R为：

上式中，ρ为土壤电阻率，r为接地装置半径，p为电压极距地网中心的距离，c电流极距地网中心的距离。

已知半球真值电阻R_t为：

R_t＝ρ/(2πr) (3)

上式中，ρ为土壤电阻率，r为接地装置半径。

因此所以要测得真值应设法使：

上式中，r为接地装置半径，p为电压极距地网中心的距离，c电流极距地网中心的距离。

若c＞＞r，则1/(c-r)≈1/c，解得：

上式中，p为电压极距地网中心的距离，c电流极距地网中心的距离。

此即著名的0.618法则，即将电位极置于0.618处就可测得真值。严格说来，电压与电流的比值是一个阻抗值而非单纯的电阻值，当电流线与电压线平行时，电流线与电压线之间的互感将增大测量阻抗的电抗值，造成接地阻抗的测量误差。

如果采用异于工频的f₁、f₂进行测量，Z₁、Z₁为某一位置在f₁、f₂频率下测量得到的视在阻抗值，Z₁＝U₁/I₁，Z₂＝U₂/I₂。ω₁、ω₂分别为f₁、f₂对应的角频率，ω₁＝2πf₁、ω₂＝2πf₂。L为接地网电感，R为接地电阻(接地网电阻)、M为电流线与电压线间的互感。则有：

上式中，Z₁、Z₁为某一位置在f₁、f₂频率下测量得到的视在阻抗值，U₁、I₁为某一位置在f₁频率下测量得到的电压和电流，U₂、I₂为某一位置在f₂频率下测量得到的电压和电流，R为接地电阻(接地网电阻)，j为虚数单位，ω₁、ω₂分别为f₁、f₂对应的角频率，L为地网电感，M为电流线与电压线间的互感。

对式(6)、(7)进行向量计算，可得：

上式中，Z₁、Z₁为某一位置在f₁、f₂频率下测量得到的视在阻抗值，R为接地电阻(接地网电阻)，ω₁、ω₂分别为f₁、f₂对应的角频率，L为地网电感，M为电流线与电压线间的互感。

式(9)减去式(8)，可得：

上式中，L为地网电感，M为电流线与电压线间的互感，Z₁、Z₁为某一位置在f₁、f₂频率下测量得到的视在阻抗值，ω₁、ω₂分别为f₁、f₂对应的角频率。

将式(10)代入式(6)，即得该位置对应的接地电阻R。

通过观察每次移动后不同位置时L+M的变化情况，即可得到单位长度对应的电压线和电流线之间的互感变化量ΔL。用测试点对应的电感量L+M减去ΔL与并线长度X的乘积，即得地网电感L。将地网电感L代入式(11)，即得工频下的接地网的接地阻抗Z。

Z＝R+jωL (11)

上式中，R为接地电阻，j为虚数单位，ω为角频率，L为地网电感。

但是，采用直线法的类工频接地阻抗测量技术，接地阻抗的电阻部分与电感部分的真实分量是通过间接计算所得，是一种数学上的修正方法，在实际测量时有着不可避免的误差问题，理论上存在一定的问题。理论公式认为接地阻抗的电阻部分以及电抗分量可以完全通过测量数据计算得出，但是在现场测量时，电阻分量与电感分量均与测量的电压与电流相关，互感对阻抗的影响既包括了对电阻的影响，也包括了对电抗的影响，在真实测量过程中无法做到上述所说的式(8)～式(10)。即式(8)、式(9)实际上表示为：

上式中，Z₁、Z₁为某一位置在f₁、f₂频率下测量得到的视在阻抗值，R₁、R₂为某一位置在f₁、f₂频率下测量得到的接地电阻，ω₁、ω₂分别为f₁、f₂对应的角频率，L为地网电感，M为电流线与电压线间的互感。在异频法的现场试验中，也可以发现不同频率下测得的实部R不同。因为异频法仪器是通过测量接地点的电压U和回路电流I，以及两者间的相角，计算获得此时接地阻抗的实部R和虚部X，该相角本身即受到地网互感、测试线自感及互感等影响，与频率紧密相关。因此仪器改变频率的同时，相角也必然改变，导致不同频率下基于现有的异频法仪器测量出的接地阻抗实部不可能一致，这也是该方法在基于目前市面已有的异频法仪器无法实现的本质原因。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种综合接地阻抗测量方法、系统及介质，本发明针对接地阻抗的数值特征，采用了两种不同的测量形式，对接地阻抗中的电阻部分以及感抗部分分别进行测量，然后通过两次不同的试验数据，计算接地网接地阻抗的整体数值。由于采用不同的测量方法与手段，从原理上将整体测量进行了针对性分解，不同的测量方式仅仅针对单一的测量值，从根本上保证了测量的准确度与精度。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种综合接地阻抗测量方法，包括：

1)测量计算目标接地网的接地阻抗忽略感抗部分后的电阻部分R；测量计算目标接地网的接地阻抗忽略电阻部分后的感抗部分L；

2)将接地阻抗的电阻部分R、感抗部分X综合得到目标接地网的接地阻抗Z。

可选地，步骤2)中目标接地网的接地阻抗Z的计算函数表达式如下式所示：

Z＝R+jX

上式中，j为虚数单位，X为感抗部分。

可选地，步骤1)中测量计算目标接地网的接地阻抗忽略感抗部分后的电阻部分R包括下述步骤：

1.1A)将目标接地网的接地网中心采用三级法布线接线测量：分别在接地网中心的同一侧方向布置电压极和电流极，且电流极与接地网中心的距离大于电压极与接地网中心的距离；

1.2A)通过串接在目标接地网、电流极之间的交变直流信号源向地网输出方波试验电流I_直流，且在持续不小于指定时间的时长后通过电压表V测量方波试验电流I_直流在接地网中心、电压极之间的产生的直流电压U_直流，并通过R＝U_直流/I_直流计算得到目标接地网的接地阻抗忽略感抗部分后的电阻部分R。

可选地，步骤1)中测量计算目标接地网的接地阻抗忽略感抗部分后的电阻部分R时，电流极与接地网中心的距离、电压极与接地网中心的距离之间的比值为1:0.618。

可选地，步骤1)中测量计算目标接地网的接地阻抗忽略电阻部分后的感抗部分X包括下述步骤：

1.1B)将目标接地网的接地网中心采用短距离反向法布线测量：分别在接地网中心的一侧方向布置电压极、另一侧的相反方向布置电流极，且电流极与接地网中心的距离大于电压极与接地网中心的距离；

1.2B)通过串接在目标接地网、电流极之间的工频交流信号源向地网输出发送工频正弦波试验电流I_工频，且在持续不小于指定时间的时长后通过电压表V测量工频正弦波试验电流I_工频在接地网中心、电压极之间的产生的工频正弦波电压U_工频，并通过|Z|＝U_工频/I_工频计算得到接地阻抗模值|Z|，计算工频正弦波电压U_工频、工频正弦波试验电流I_工频之间的相角差θ，并根据X＝|Z|sinθ计算得到目标接地网的接地阻抗忽略电阻部分后的感抗部分L。

可选地，步骤1)中测量计算目标接地网的接地阻抗忽略电阻部分后的感抗部分X时，电流极与接地网中心的距离、电压极与接地网中心的距离之间的比值为1:0.618。

此外，本发明还提供一种综合接地阻抗测量方法，包括：

计算目标接地网的接地阻抗忽略感抗部分后的电阻部分R；

计算目标接地网的接地阻抗忽略电阻部分后的感抗部分X；

将接地阻抗的电阻部分R、感抗部分X综合得到目标接地网的接地阻抗Z。

可选地，所述计算目标接地网的接地阻抗忽略感抗部分后的电阻部分R的函数表达式为：

R＝U_直流/I_直流

上式中，I_直流为串接在目标接地网、电流极之间的交变直流信号源向地网输出方波试验电流，U_直流为方波试验电流I_直流在接地网中心、电压极之间的产生的直流电压；

所述计算目标接地网的接地阻抗忽略电阻部分后的感抗部分X的函数表达式为：

X＝|Z|sinθ

上式中，|Z|为接地阻抗模值，接地阻抗模值|Z|的计算函数表达式为|Z|＝U_工频/I_工频，θ为工频正弦波电压U_工频、工频正弦波试验电流I_工频之间的相角差，其中工频正弦波试验电流I_工频为串接在目标接地网、电流极之间的工频交流信号源向地网输出发送工频正弦波试验电流，工频正弦波电压U_工频为工频正弦波试验电流I_工频在接地网中心、电压极之间的产生的工频正弦波电压。

此外，本发明还提供一种综合接地阻抗测量系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行所述综合接地阻抗测量方法的步骤，或者该计算机设备的存储器中存储有被编程或配置以执行所述综合接地阻抗测量方法的计算机程序。

此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行所述综合接地阻抗测量方法的计算机程序。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：本发明包括测量计算目标接地网的接地阻抗忽略感抗部分后的电阻部分R；测量计算目标接地网的接地阻抗忽略电阻部分后的感抗部分X；将接地阻抗的电阻部分R、感抗部分X综合得到目标接地网的接地阻抗Z。本发明针对接地阻抗的数值特征，采用了两种不同的测量形式，对接地阻抗中的电阻部分以及感抗部分分别进行测量，然后通过两次不同的试验数据，计算接地网接地阻抗的整体数值。由于采用不同的测量方法与手段，从原理上将整体测量进行了针对性分解，不同的测量方式仅仅针对单一的测量值，从根本上保证了测量的准确度与精度。

附图说明

图1为现有技术的直线接地阻抗测试方法示意图。

图2为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图3为本发明实施例中采用三级法布线接线的原理示意图。

图4为本发明实施例中采用短距离反向法布线测量的原理示意图。

具体实施方式

如图2所示，本实施例综合接地阻抗测量方法包括：

1)测量计算目标接地网的接地阻抗忽略感抗部分后的电阻部分R；测量计算目标接地网的接地阻抗忽略电阻部分后的感抗部分X；

传统接地阻抗方法无论是电位降法，或者是补偿法，都是通过一次或多次的相同方法测量(直线法或者补偿法)，即通过电流源向接地装置施加工频电流，测量接地电压极在零电位点的电压，利用测量的电压值U与电流极的电流I计算接地阻抗值。为了保证接地阻抗的测量精度，电压极电压以及电流极电流的幅值测量，以及电压与电流之间的相位的准确测量，是整体试验过程中的重点和难点。在测量过程中，无论是直线法或者补偿法，当电流线与电压线存在相互平行时，通过电流线的测试电流在电压线上造成的感应电压将引起测量过程中的误差。如果采用单一的测量手段，很难消除测量过程中所带来的感抗误差计算。由于接地阻抗是由电阻部分以及感抗部分组成，因此，本实施例采用不同的测量方法与手段，对接地阻抗的电阻部分以及感抗部分分别进行测量计算，从原理上将整体测量进行了针对性分解，不同的测量方式仅仅针对单一的测量值，从根本上保证了测量的准确度与精度。

本实施例中，步骤2)中目标接地网的接地阻抗的计算函数表达式如下式所示：

Z＝R+jX

上式中，j为虚数单位，X为感抗部分。

本实施例中，步骤1)中测量计算目标接地网的接地阻抗忽略感抗部分后的电阻部分包括下述步骤：

1.1A)如图3所示，将目标接地网的接地网中心采用三级法布线接线测量：分别在接地网中心的同一侧方向布置电压极和电流极，且电流极与接地网中心的距离大于电压极与接地网中心的距离；

本实施例中针对接地阻抗的电阻部分的测量方法采用三级法布线(直线法布线)，参见图3，且在测量过程中将交变直流信号作为新的电流信号替代传统正弦波电流信号，对大型接地网的接地电阻进行测量。采用交变直流信号作为输入，避免了传统电流源方法中由于相角测量误差带来的接地电阻计算误差。功率源先发送交变直流的方波试验电流I_直流，并持续一段时间，通过电压表V测量方波电流产生的直流电压U_直流，通过欧姆定定律可以直接计算目标接地网的接地阻抗忽略感抗部分后的电阻部分R。采用交变直流信号对接地电阻进行测量，其关键技术在于选取适当的直流信号与交变直流信号的持续时间，避免在交变过程中的暂态过程进行测量计算。

本实施例中，步骤1)中测量计算目标接地网的接地阻抗忽略感抗部分后的电阻部分时，电流极与接地网中心的距离、电压极与接地网中心的距离之间的比值为1:0.618，从而可确保测得准确的电压真值。

本实施例中，步骤1)中测量计算目标接地网的接地阻抗忽略电阻部分后的感抗部分X包括下述步骤：

1.1B)如图4所示，将目标接地网的接地网中心采用短距离反向法布线测量：分别在接地网中心的一侧方向布置电压极、另一侧的相反方向布置电流极，且电流极与接地网中心的距离大于电压极与接地网中心的距离；

1.2B)通过串接在目标接地网、电流极之间的工频交流信号源向地网输出发送工频正弦波试验电流I_工频，且在持续不小于指定时间的时长后通过电压表V测量工频正弦波试验电流I_工频在接地网中心、电压极之间的产生的工频正弦波电压U_工频，并通过|Z|＝U_工频/I_工频计算得到接地阻抗模值|Z|，计算工频正弦波电压U_工频、工频正弦波试验电流I_工频之间的相角差θ，并根据X＝|Z|sinθ计算得到目标接地网的接地阻抗忽略电阻部分后的感抗部分X。

本实施例中采用的短距离反向法布线测量是远离法的一种特殊情况，电压线和电流线与接地网在同一直线往相反方向布放，根据电位降理论的分析表明，反向法可以将接地测量过程中试验引线间的互感耦合大大减小甚至消除，那么此时测量的接地阻抗的感抗值即为真实接地网的感抗值。此外，测量大型接地网接地阻抗时，经常受现场布线条件的限制，电流线、电压线只能沿着进入场区的马路进行布置，因此现场只能用直线法或者反向法布线。采用反向法布线时，虽然没有电流线、电压线之间的互感耦合问题，但由于电压极不在接地网和电流极之间，电压极区域的电场等位线分布非常稀疏，要测得真实的接地阻抗需要电压线布置的距离超过10倍地网对角线。这么远的布线在工程上实施难度较大，不具现场可操作性。从接地网反向法布线的仿真发现，当电压极超过一倍地网对角线时，测量所得的视在接地阻抗的电阻分量远小于接地网真实的接地阻抗，但是电抗分量的视在测量值非常接近接地网真实的感抗分量。因此，可以采用反向短距离测量的方法，测量接地阻抗的工频感抗组分。

在计算得到接地阻抗模值|Z|，工频正弦波电压U_工频、工频正弦波试验电流I_工频之间的相角差θ之后，在此基础上接地阻抗的工频电阻部分R_工频与工频感抗部分X_工频分别为：

R_工频＝|Z|·cosθ

X_工频＝|Z|·sinθ

由于理论仿真结果可得，短距离反向法测量的R_工频与真实的接地阻抗误差较大，因此不再采用。短距离反向法测量的X_工频与接地网真实的感抗分量非常接近，可以认为是接地网真实的感抗分量，即：目标接地网的接地阻抗忽略电阻部分后的感抗部分X。

本实施例中，步骤1)中测量计算目标接地网的接地阻抗忽略电阻部分后的感抗部分X时，电流极与接地网中心的距离、电压极与接地网中心的距离之间的比值为1:0.618，从而可确保测得准确的电压真值。

综上所述，大型电厂或者变电站在有些情况下仅有一条路径进出，这对现场的接地网接地阻抗提出了新的要求。根据现场工况仅可选择直线法测量，但是直线法又无法避免测量导线之间的互感影响。同时，夹角法的现场布线长度又受到严重限制。因此，本实施例提出了一种综合接地阻抗测量方法，针对接地阻抗的数值特征，采用了两种不同的测量形式，对接地阻抗中的电阻部分以及感抗部分分别进行测量。其中，采用直线法布线，利用交变直流信号源对接地阻抗的电阻部分进行准确测量计算。其次，采用反向短距离布线，利用工频交流信号源对接地阻抗的感抗部分进行准确测量计算，然后通过两次不同的试验数据，计算接地网接地阻抗的整体数值。本专利采用不同的测量方法与手段，从原理上将整体测量进行了针对性分解，不同的测量方式仅仅针对单一的测量值，从根本上保证了测量的准确度与精度。本实施例综合接地阻抗测量方法能够在大型电厂或者变电站仅有一条路径进出的情况下，实现了对其接地阻抗的精确测量，这是传统测量方法无法实现的。

此外，本实施例还提供一种综合接地阻抗测量方法，包括：

计算目标接地网的接地阻抗忽略感抗部分后的电阻部分R；

计算目标接地网的接地阻抗忽略电阻部分后的感抗部分X；

本实施例中，计算目标接地网的接地阻抗忽略感抗部分后的电阻部分的函数表达式为：

R＝U_直流/I_直流

本实施例中，计算目标接地网的接地阻抗忽略电阻部分后的感抗部分X的函数表达式为：

X＝|Z|sinθ

此外，本实施例还提供一种综合接地阻抗测量系统，包括计算机设备，该计算机设备被编程或配置以执行前述综合接地阻抗测量方法的步骤，或者该计算机设备的存储器中存储有被编程或配置以执行前述综合接地阻抗测量方法的计算机程序。

此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行前述综合接地阻抗测量方法的计算机程序。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种综合接地阻抗测量方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的综合接地阻抗测量方法，其特征在于，步骤2)中目标接地网的接地阻抗Z的计算函数表达式如下式所示：

Z＝R+jX

上式中，j为虚数单位，X为感抗部分。

3.根据权利要求1所述的综合接地阻抗测量方法，其特征在于，步骤1)中测量计算目标接地网的接地阻抗忽略感抗部分后的电阻部分R包括下述步骤：

4.根据权利要求1所述的综合接地阻抗测量方法，其特征在于，步骤1)中测量计算目标接地网的接地阻抗忽略感抗部分后的电阻部分R时，电流极与接地网中心的距离、电压极与接地网中心的距离之间的比值为1∶0.618。

5.根据权利要求1所述的综合接地阻抗测量方法，其特征在于，步骤1)中测量计算目标接地网的接地阻抗忽略电阻部分后的感抗部分X包括下述步骤：

6.根据权利要求5所述的综合接地阻抗测量方法，其特征在于，步骤1)中测量计算目标接地网的接地阻抗忽略电阻部分后的感抗部分X时，电流极与接地网中心的距离、电压极与接地网中心的距离之间的比值为1:0.618。

7.一种综合接地阻抗测量方法，其特征在于，包括：

计算目标接地网的接地阻抗忽略感抗部分后的电阻部分R；

计算目标接地网的接地阻抗忽略电阻部分后的感抗部分X；

8.根据权利要求7所述的综合接地阻抗测量方法，其特征在于，所述计算目标接地网的接地阻抗忽略感抗部分后的电阻部分R的函数表达式为：

R＝U_直流/I_直流

X＝|Z|sinθ

9.一种综合接地阻抗测量系统，包括计算机设备，其特征在于，该计算机设备被编程或配置以执行权利要求7～8中任意一项所述综合接地阻抗测量方法的步骤，或者该计算机设备的存储器中存储有被编程或配置以执行权利要求7～8中任意一项所述综合接地阻抗测量方法的计算机程序。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质中存储有被编程或配置以执行权利要求7～8中任意一项所述综合接地阻抗测量方法的计算机程序。