CN206618805U - 一种特大型接地网接地阻抗测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种特大型接地网接地阻抗测量装置，基于无线传输相位差比较方法，将测试电流波形信息无线传输到场区各地，多功能选频表接收该信号后，同时测量出线构架基脚的分流并将两者进行比较，得到相位差，省去了将电流线绕场区布放的麻烦；而且，通过测量相位差，判断流过构架的电流方向，从而区分出构架分流和环流，从而过滤“环流”成份，进一步提高测量和修正准确度。

Description

一种特大型接地网接地阻抗测量装置

技术领域

本实用新型涉及属于大型变电站、发电厂接地网性能检测领域，具体地，涉及一种特大型接地网接地阻抗测量装置。

背景技术

接地阻抗(习惯称为“接地电阻”，实为带感性分量的阻抗值)是反映发电厂、变电站等大型接地网性能的基础参数，在实际祁连换流站存在1)土壤结构不均匀，电阻率大，2)河西地区输电线路密集，目前三直线路通道，双通道750kV输电通道，强电磁干扰环境，3)河西走廊有煤气管道、铁路等，十几回输电通道产生较大分流等的影响，如何准确测量接地阻抗，是长期以来困扰工程技术人员的难题。

接地阻抗测量时，对接地网注入一个工频或异频电流，电流将在接地网与电流极之间形成回路，得到接地网周围大地表面的一个电位分布，如果接地网是独立的，则测试电流全部通过接地网散流到大地中，测量结果反映接地网的真实接地阻抗。如果接地网与其他金属接地体存在电气连接，部分测试电流将通过其他金属接地体流出，从接地网散流的测试电流比重相应降低，导致接地阻抗测量结果偏小。变电站架空出线避雷线，包括普通地线和光纤复合架空地线(optical fiber composite overhead ground wire,OPGW),以及两端接地的电缆金属外护套则是主要的分流源。±800kV祁连换流站和桥湾750kV变电站阻抗测量实践表明，存在超过50％(甚至70％)的测量电流进入了避雷线和电缆外护套的情形，实际地网散流不足50％，对接地阻抗测量影响很大。

由于上述地线分流的存在，电压-电流三极法测量结果不再是原接地网的接地阻抗，考察接地网必须针对独立接地网进行，GB50150-2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》第26.0.3条要求试验时必须排除与接地网连接的架空地线、电缆的影响。实测中有2种实现途径：

(1)隔离地线与地网的连接。一般地，架空出线构架上引出的避雷线在构架处通过一个绝缘子片与构架金属部分通过跳线连接，解开跳线连接，解开跳线即可实现隔离架空地线与地网的连接。虽然可以在高压室开关柜的电缆头处，解开电缆外护套与地网的连接，但考虑安全性，往往难以实施。

地线分流测量。由于变电站大量采用OPGW光纤地线，实际上无法隔离架空地线与地网的连接，实测经验表明，只隔离部分普通地线，只要存在一根架空地线连接地网，仍将引起地网拓扑结构的改变，尽管分流水平存在下降，仍然无法实现准确测量。此时，只能采用分流测量的方法，剔除地线的影响，得到较为准确的接地阻抗值。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出一种特大型接地网接地阻抗测量装置，以解决发电厂、变电站由于线路接入，架空地线和电力电缆外护套对测试电流的分流，导致不能真实反映接地网的接地阻抗问题。同时通过相位差测量，判断流过构架的电流流向，从而甄别并过滤掉构架“环流”成分，进一步提高测量和修正准确度。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种特大型接地网接地阻抗测量装置，主要包括：变压器、选频电压表，所述变压器的次级线圈与选频电压表串联后并联在接地阻抗的两端，接地阻抗与电流表和定值电阻组成串联回路，变频信号源产生变频信号，变频信号经过隔离变压器后向所述串联回路提供测试电流，所述测试电流作为基准电流通过无线网络将数据传输至各场区的选频表，根据基准电流的相位与各处构架分流利用相位差测量得到散流向量，最终计算得到接地阻抗值。

进一步地，所述变频信号源为大于或等于10kW的大功率正弦波变频信号源，所述变频信号源产生的电流大于20A。

进一步地，根据Rogowski线圈测量各处构架分流。

进一步地，在计算得到接地阻抗值前还通过数字选频滤波电路，对基准电流信号和各处构架分流信号进行实时数字选频滤波。

进一步地，所述无线网络具体为，将采集总电流的选频电压表为主机，测试各处构架分流电流的单元为从机，主机将测试频率、测试准备命令和测试时刻信息发布给各个从机，主机和从机接收GPS信号，在同一时刻同时采集，测试完成后，主机收集各从机根据GPS秒脉冲触发采样并完成计算的各个分流向量的幅值占比和相位。

本实用新型各实施例的特大型接地网接地阻抗测量装置，由于基于无线传输相位差比较方法，将测试电流波形信息无线传输到场区各地，多功能选频表接收该信号后，同时测量出线构架基脚的分流并将两者进行比较，得到相位差，省去了将电流线绕场区布放的麻烦；而且，通过测量相位差，判断流过构架的电流方向，从而区分出构架分流和环流，从而过滤“环流”成份，进一步提高测量和修正准确度。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为本实用新型具体实施例所述的抗地电压干扰试验接线图；

图2为本实用新型具体实施例所述的测试电流与各分流的矢量求和示意图；

图3为本实用新型具体实施例所述的无线网络传输图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

具体地，一种特大型接地网接地阻抗测量装置，主要包括：变压器、选频电压表，所述变压器的次级线圈与选频电压表串联后并联在接地阻抗的两端，接地阻抗与选频电流表和定值电阻组成串联回路，变频信号源产生变频信号，变频信号经过隔离变压器后向所述串联回路提供测试电流，所述测试电流作为基准电流通过无线网络将数据传输至各场区的选频表，根据基准电流的相位与各处构架分流利用相位差测量得到散流向量，最终计算得到接地阻抗值。

所述变频信号源为大于或等于10kW的大功率正弦波变频信号源，所述变频信号源产生的电流大于20A。

根据Rogowski线圈测量各处构架分流。

在计算得到接地阻抗值前还通过数字选频滤波电路，对基准电流信号和各处构架分流信号进行实时数字选频滤波。

所述无线网络具体为，将采集总电流的选频电压表为主机，测试各处构架分流电流的单元为从机，主机将测试频率、测试准备命令和测试时刻信息发布给各个从机，主机和从机接收GPS信号，在同一时刻同时采集，测试完成后，主机收集各从机根据 GPS秒脉冲触发采样并完成计算的各个分流向量的幅值占比和相位。

为了解决现场强烈的工频和高频干扰问题以及复杂地质结构的影响，大型地网测量越来越多地采用异频电流作为测试电流源，并选用类工频(接近工频又异于工频)法以等效工频接地阻抗。运行变电站地中存在较大的工频环流，工频干扰电流流向复杂，由于零序电流同样流经避雷线，在工频条件下将很难区分零序电流和测量电流，根据以往的测试经验，分流测量只能在异频测量下实现。

为了得到分流与测试电流的相位差，可将分流和测试电流同时输入双通道示波器，但输入的分流同时包含构架中本身存在的工频干扰电流和幅值小的多的与测试电流同频率的分流分量，沿构架基脚的微弱分流信号完全“淹没”在工频环流信号中，本实用新型研制电流积分器单元过滤分流的工频成分后输入示波器，解决了这一问题。然而，为了同时得到2个波形，需绕场区构架布放电流线，尤其对于750kV及以上变电站，众多的出线构架基脚将带来庞大的测试工作量，不具备实施价值为了解决这一问题，本实用新型提出了基于无线传输相位差比较方法，将测试电流波形信息无线传输到场区各地，多功能选频表接收该信号后，同时测量出线构架基脚的分流并将两者进行比较，得到相位差，省去了将电流线绕场区布放的麻烦；而且，通过测量相位差，判断流过构架的电流方向，从而区分出构架分流和环流，从而过滤“环流”成份，进一步提高测量和修正准确度。

该方法实现的最大难度在于现场干扰问题的解决和电流相位信息的无线传递等方面：

1)较长的柔性Rogowski线圈测量微小的电流

Rogowski线圈具有无磁饱和、响应速度快，线性度好等优点，但也有明显的缺点，即原始感应信号非常弱，常见的Rogowski线圈原始信号变比为 1000A/50mV左右，所以一般用于测量大电流或脉冲电流。由于变电站金属构架外形的特点，现场只采用很长的柔性Rogowski线圈圈住构架进行测量。当被测的异频信号为10mA时，Rogowski线圈的原始感应信号仅为0.5uA，需要有很高的测量精度和分辨率，在实验室无干扰环境下准确测量都非常困难。

2)上千倍干扰下的小电流测量

通过现场实测发现，在变电站正常运行状态下，金属构架存在着较大的工频电流(工频环流)，常见的为3-10A数量级，现场实测到最大有50A左右，原因是在变电站复杂的电磁环境下，变电站接地网各处电位并不完全相等，而大跨度连接着地网金属构架很粗很厚，其电阻非常小，所以较小的电动势即产生数十A的电流。

采用异频法测量接地网时，仪器总的测试电流大多在3-20A左右，在每根构架上的分流大都为数十至数百mA。这就存在着一个很大的现实难题：需要测量的10mA级的异频电流，是与10A级的工频电流混合在一起的，也即干扰被测信号幅值强上千倍，而且两者频率非常接近，同时外界空间还存在着很强的电磁干扰。在这种环境下要准确提取并还原出10mA电流感应出的0.5uV信号的大小和波形，且该信号被淹没在大上千倍的干扰下，这意味着要在运行条件下要准确测量构架分流，测量仪器的Rogowski线圈必须具有上千倍干扰抑制能力，即在干扰比信号大1000倍时，仍能准确测量。

3)不同地点电流相位信息的无线传递

异频法测量时，对地网注入的是异频交流电流，电流方向随时间交变，单独一路交流电流无法定义和测量方向，只有以测试电流相位作为基准相位，测出各处分流电流相对于该基准相位的相位差，才能测量和定义出分流的方向。而大型变电站场区范围较大，构架众多，不可能将注入的电流线在场区范围内到处拉动测量，既不安全也不具备实际操作性。本实用新型采用一种无线传输实现方案，在电流注入点和杆塔分流两处同时采样电流，通过无线传输数据，将两处的相位进行实时比较，可以当场读出分流的大小和相位差。实时相位信息无线传输涉及到远距离无线通讯技术，强干扰下无线传输的可靠性，数据处理运算的延时等众多技术难点。

4)相位无线信号传输的延迟修正

由于需要比较的是2个接近工频的电流相位，每个正弦波周期以20ms计算，则该电流相位每1度的时长为20ms/360＝0.055ms，即55us。需要通过无线传输准确地比较出强干扰下2处弱电流的相位差，需用到的算法很复杂。2处电流的数据采样、运算、数据发射、数据接收、数据处理，排除干扰的滤波运算都需要一定的过程和时间延迟，为此，设计了一套复杂的软件算法对这些延迟进行修正和补偿，经过现场实测，证明完全达到了精度要求，可以达到正负1°的相位差测量精度。

5)信号实时数字化选频率波和相位测量

所测得的电流信号处于强干扰环境下，大多数情况下，所采样的电流波形已经畸变，必须经过数字选频滤波运算，才能分离提取其相位和大小信息。不能采用传统的模拟式电感电容硬件电路技术进行滤波，因为其相位信息已经发生了改变，也无法将其信息进行数字化的运算处理。在强干扰下对两路信号进行实时的数字选频滤波，并计算出其大小和相位，需要用到复杂的硬件系统和软件算法，其核心基于高性能CPU 和波形频谱数学分析，能在很强的干扰下分析出微弱的有用信号。

6)“环流”的甄别和处理

前面提到，待测地网非等位体，诸如构架之类的地面金属跨接物与接地网连接点之间存在微弱的电位差，从实测经验看，在大型变电站与出线构架存在金属连接的场区的众多且复杂的构架之间存在较为明显的“环流”，即异频测试电流并非总是往远方流出地网，而在构架之间形成环流。

7)无线传输及阻抗测量的抗强干扰技术

110kV及以上变电站场区内电磁干扰强烈，为了保证在这种环境下弱信号无线传输的可靠性和数据正确性，本实用新型系统在硬件上增加抗电磁干扰的措施，软件上设计了完善的容错算法。

用一个100毫欧的标准电阻作为抗干扰能力测试对象，按照DL/T845.2-2004《工频接地电阻测试仪》规定，抗干扰测试连线如图1所示，回路中加53Hz、2.2A电流，接入干扰时，等效为现场220mV、53Hz的信号与50Hz、16V干扰信号混合的情况。

8)大功率正弦波信号源技术

现场测量时需要用到大功率的正弦波变频信号源，以产生足够大的电流。目前进口仪器的信号源功率只有1.5kW，很多情况下仅能产生1-5A的电流，对于大型地网测量电流明显偏小。因现场所能测得的跨步电压与注入的电流大小成正比，测试电流小还导致跨步电压过于微弱难以测量。所以本实用新型设计了大于等于10kW的大功率正弦波变频信号源，确保现场能产生20A以上电流。该信号源需要在强干扰下输出纯正正弦波，输出波形畸变率小于1％，频率精度优于0.02Hz，稳定度优于0.5％。

实测时以测试电流为参考向量(相角为0°)将每个基脚和每根电缆外护套的分流作为一个向量，将所有基脚和电缆外护套的分流进行向量增加，得到总的分流向量，再用测试电流参考向量与总分流向量进行向量相减，得到实际通过地网散流的部分向量，如图2所示，在这种处理方法物理意义更为明显，结果更加准确。对于现场测量的分流数据，需要进行向量运算。本实用新型涉及到几个向量和角度的关系：1)原始测得的电压和电流的相位差θ₀；2)构架分流电流的向量和I_∑∠θ_∑；3)测试电流I∠θ₀与分流向量和再求和，得到实际通过地网散流的电流I_G∠θ；4)θ₀+θ为得地网的本身的阻抗相位角，用原始测得的电压线电压U/I_G求得地网阻抗模值Z，同时求得地网电阻R＝Zcos(θ+θ_o)，地网电抗X＝Zsin(θ+θ₀)。

在图3中，在各个电流向量测量点放置独立的检测单元进行分布式测量，可以提高测试效率，各个检测单元之间采用无线网络进行数据通讯。采集总电流的选频电压电流表为主机，测试分流电流的单元为从机。主机将测试频率、测试准备命令、测试时刻等信息发布给各个从机，主机和从机接收GPS信号，在同一时刻同时采集。测试完成后，主机收集各单元根据GPS秒脉冲触发采样并完成计算的各个分流向量的幅值占比和相位。

现结合实施例、附图对本实用新型作进一步描述：

一种特高压气体绝缘开关设备中瞬态外壳电压测量装置，按照此测量方法，测量了多个500kV、1000kV、±800kV变电站及三峡电厂等大型、超大型接地装置。

大容量异频电源发生器解决注入电流小，我们定做了30kVA大容量异频电源发生器，在±800kV祁连换流站对角线1550米特大型地网，放射长度3D， 5000米，能注入6A的电流，可以获得土壤电阻率。

某500kV变电站接地网对角线D＝700m，测量电压极和电流极的位置距离接地网边缘均为1500m(＝2D)，夹角为30°，采用有效值为10A，频率分别为53Hz和47Hz的类工频电流行测量，将2个频率下阻抗测量计算和修正结果取平均值，以反映工频接地阻抗，得到接地阻抗值Z₀为0.2173。对地网持续注入53Hz、10A的测试电流，并以该电流的相位为基准，将该相位信息无线传输的场区各处，采用Rogowski线圈测量各处构架分流，同时与无线接收到的电流基准相位进行比较，直接读出分流大小和相位差。

实测数据表明，变电站接地网格，站内金属构架、架空避雷线及输电杆塔接地装置，构成了一个复杂的电阻电感网络，异频测试电流各处的分流呈现出明显的相角差异，其中存在明显的“环流”成分，即异频测试电流并非是往远方流出地网，也会在构架之间形成环流，简单的分流代数和相加会导致很大的误差，甚至可能超出总的测试电流，无法得到结果。

从各分流向量求和得到分流向量和为7.206A∠-168.2°，为便于比较，计算分流代数和为10.89A，将测量电流参考向量与分流向量和再进行向量求和计算，得到实际散流的电流向量为3.294A∠-26.6°。

计算得地网接地阻抗、电阻和电抗分别为：

Z＝Z₀/η_G＝0.2173Ω/32.94％＝0.6597Ω

R＝Z₀cos(θ₀+θ)＝0.6597Ω×cos8.9°＝0.6518Ω

X＝Z₀sin(θ₀+θ)＝0.6597Ω×sin8.9°＝0.1021Ω

现场测量表明，该系统具有很强的抗干扰能力和很高的精度。现场所测一根构架上的50Hz电流为24.2A，而所测53Hz异频测试分流仅为18.2mA∠-162.3°，在现场这种1300多倍强干扰下的分流大小和相位测量准确性进行了验证： Rogowski线圈的缠绕构架的方向反向后所测相位为17.5°，2次相位值相差 179.8°，表明相位测量是准确可信的；将测试电流降低一半，此时所测分流大小降为9.0mA，呈现良好的线性，所以其分流大小测量也是可信的，表明本实用新型成套系统完全达到了预期的千倍强干扰下准确测量的目的。

至少可以达到以下有益效果：一种强电磁环境复杂地质结构下特大型接地网接地阻抗测量装置，实现了接地网接地阻抗的准确测量，解决了发电厂、变电站由于线路接入，架空地线和电力电缆外护套对测试电流的分流，导致不能真实反映接地网的接地阻抗问题。同时通过相位差测量，判断流过构架的电流流向，从而甄别并过滤掉构架“环流”成分，进一步提高测量和修正准确度。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种特大型接地网接地阻抗测量装置，其特征在于，包括变压器、选频电压表，所述变压器的次级线圈与选频电压表串联后并联在接地阻抗的两端，接地阻抗与电流表和定值电阻组成串联回路，变频信号源产生变频信号，变频信号经过隔离变压器后向所述串联回路提供测试电流，所述测试电流作为基准电流通过无线网络将数据传输至各场区的选频表，根据基准电流的相位与各处构架分流利用相位差测量得到散流向量，最终计算得到接地阻抗值。

2.根据权利要求1所述的特大型接地网接地阻抗测量装置，其特征在于，所述变频信号源为大于或等于10kW的大功率正弦波变频信号源，所述变频信号源产生的电流大于20A。

3.根据权利要求2所述的特大型接地网接地阻抗测量装置，其特征在于，根据Rogowski线圈测量各处构架分流。

4.根据权利要求3所述的特大型接地网接地阻抗测量装置，其特征在于，在计算得到接地阻抗值前还通过数字选频滤波电路，对基准电流信号和各处构架分流信号进行实时数字选频滤波。

5.根据权利要求4所述的特大型接地网接地阻抗测量装置，其特征在于，所述无线网络具体为，将采集总电流的选频电压表为主机，测试各处构架分流电流的单元为从机，主机将测试频率、测试准备命令和测试时刻信息发布给各个从机，主机和从机接收GPS信号，在同一时刻同时采集，测试完成后，主机收集各从机根据GPS秒脉冲触发采样并完成计算的各个分流向量的幅值占比和相位。