基于修正直线法的大型接地网接地阻抗测试及误差分析_张耀文.pdf

2023年第41卷第2期基于修正直线法的大型接地网接地阻抗测试及误差分析张耀文1，2，白洁1，2，王磊1，2，刘卓1，2，张一帆3（1.内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古电力科学研究院分公司，呼和浩特010020；2.内蒙古自治区高电压与绝缘技术企业重点实验室，呼和浩特010020；3.内蒙古电力（集团）有限责任公司，呼和浩特010010）0引言由于电力系统的快速扩增，因接地故障电流而导致的事故时有发生，大型接地网作为变电站和发电厂的关键环节之一，直接关系到变电站和发电厂的安全稳定运行。一旦发生短路故障，短路冲击电流的涌动会瞬间增大接地网的电位，直接威胁设备和人身安全1-22。因此，根据电力行业相关规程，有必要在适当的时间内对接地网进行接地阻抗测试，对不符合设计值的接地网进行改造升级，以满足实际运行过程中的需求23-24。但是环境和地质构造的不同，会影响不同地点的接地阻抗测试条件，导致测试结果可能会存在较大偏差3。因此，如何精确测量并获得准确的接地网接地阻抗值是现场亟待解决的问题。该问题的解决对于正确判断运行地网的安全性和电力系统的可靠性，以及保障现场工作人员的安全具有重大意义。目前接地阻抗的测试方法主要包括直线法和远离夹角法25。在场地环境条件允许的情况下，通常建议采用远离夹角法测量接地阻抗。但是由于摘要：针对采用直线法测试大型接地网接地阻抗时，线间互感会对测试结果产生较大影响的问题，采取算数修正的方法，对某电厂通过直线法获取的初始结果进行修正运算，结果低于该厂接地网接地阻抗设计值，有效消除了线间互感带来的误差。通过误差分析可以看出，该方法与远离夹角法所测数据的误差在可接受范围内，验证了该修正直线法对于消除线间互感、获得接地阻抗准确数据的有效性。关键词：接地网；接地阻抗；修正直线法；线间互感；误差文献标志码：B中图分类号：TM862文章编号：1008-6218（2023）02-0069-05doi:10.19929/ki.nmgdljs.2023.0028内 蒙 古 电 力 技 术INNER MONGOLIA ELECTRIC POWERGrounding Impedance Test and Error Analysis of LargeScale Grounding Grid Basedon Modified StraightLine MethodZHANG Yaowen1,2,BAI Jie1,2,WANG Lei1,2,LIU Zhuo1,2,ZHANG Yifan3（1.Inner Mongolia Power(Group)Co.,Ltd.,Inner Mongolia Power Research Institute Branch,Hohhot010020,China;2.Inner Mongolia Enterprise Key Laboratory of High Voltage and Insulation Techology,Hohhot010020,China;3.Inner Mongolia Power(Group)Co.,Ltd.,Hohhot010010,China）Abstract：For some large grounding grids without the condition of distance angle method to test grounding impedance,thestraightline method is usually adopted.However,the mutual inductance between lines that cannot be ignored will have agreat influence on the test result.In this paper,an arithmetic correction method is adopted to correct the initial resultsobtained by linear method in a power plant,and the results are lower than the design value of the ground impedance ofthe grounding grid of the plant,which effectively eliminates the errors caused by mutual inductance between lines.Theerror analysis shows that the error of the value between this method and the distance angle method is within an acceptablerange,which means that compared with the initial measured results,this modified straight line method is very effective ineliminating mutual inductance between wires and obtaining accurate data of grounding impedance.Key words：grounding grid;grounding impedance;modified straightline method;mutual inductance between lines;error692023年第41卷第2期内 蒙 古 电 力 技 术测量现场复杂多变，存在地形变化复杂、新建设施增加、环境恶劣等因素，导致接地网的拓扑结构发生变化，无法进行夹角法的布线。对此可以采用直线法，直线法是一种由电位下降理论导出的三极电位补偿法26-31。但是，采用直线法测量接地网的接地阻抗时，由于电流线和电压线平行且距离较近，两根导线之间的互感也会严重影响测量结果，特别是对接地阻抗设计值小于0.5 的接地网，其影响程度会极其明显32。同时，结合以往现场实测数据可知，接地网接地阻抗的感性分量大于阻性分量时，会使测试结果的偏差加大，是测量结果准确性的直接影响因素之一。因此，采用直线法测量接地网接地阻抗后，需对数据进行相关处理来消除线间互感。本文采用算数修正，消除直线法测量时产生的互感阻抗，修正直线法测量接地阻抗的阻性和感性分量，最终得到接地网较为准确的接地阻抗值。并通过与远离夹角法测得的接地阻抗值和线间互感阻抗变化值进行误差分析，验证了直线修正法消除测量导线间互感影响的有效性。1接地阻抗数据实测及其修正1.1接地阻抗实测本次试验地点为内蒙古乌海地区一大型发电厂，占地面积大，全厂地网对角线长度约780 m，对全厂接地网进行接地阻抗测试。图1为现场直线法测量接地阻抗的接线示意图，测试点选在主变压器中性点接地下引线处，电流线和电压线按同方向铺设。通常情况下，电流极C与被试接地装置中心的距离dCG应为接地网最大对角线的45倍（本次测试选择4倍），电压极P到被试接地网边缘的距离dPG应为dCG的50%60%（本次测试选择61.8%）。电压极P的位置会在同路径上移动三次，每次移动距离约为5%dCG。由于现场实测环境的限制，布线和电压极位置需避开某些设备及其接地引下线，适当缩小电压极移动位置约为3%dCG，即测点1距离为1831 m、测点2距离为1928 m、测点3距离为2024 m，且要求三次的测试结果误差在5%之内。试验过程中，采取异频法消除工频干扰，对称于50 Hz13-14，本次试验分别选择47 Hz和53 Hz，最后得到不同频率下的电压电流值，如表1所示。经计算，其最终接地阻抗值Z为0.438。具体计算公式如式（1）所示。|Z=|UI=|R+jX=R2+X2。（1）根据厂方提供的数据可知，该试验结果远超全厂接地阻抗设计值（0.291），可能存在较大误差，同时，对比使用远离夹角法得出的数据（0.184）和结论，初步判断在使用直线法进行试验时存在线间互感等因素，造成了此次试验结果的偏差较大。因此，本文采用算数修正，对其进行校正处理。1.2实测结果修正考虑其他因素和试验条件不变，如果将电流极和电压极的导线间互感纳入考量，式（1）将变为式（2）的形式。Z=()R+RM2+()X+XM2，（2）式中：R为消除互感后接地阻抗的阻性分量；RM为互感阻抗的阻性分量；X为消除互感后接地阻抗的感性分量；XM为互感阻抗的感性分量。因线间互感无法直观测量，依据两平行导体单位长度互感计算模型及 电力系统接地技术15-19中关于引线互感的计算公式（3）和（4）推导计算相关数值。ZM=RM+XM=2f10-7+j2fM，（3）图1直线法测接地网接地阻抗接线示意图Fig.1 Connection diagram of testing grounding impedanceby straightline methodAV试验电源GDdPGdCGPC表1直线法实测接地阻抗数据1）Tab.1 Measured grounding impedance data bystraight line method测点123试验频率/Hz475347534753测试电压U/V1.2881.3841.2551.3411.3151.390测试电流I/A3.0093.0283.0193.0053.0613.012阻性分量R/0.2850.2930.2800.2880.2840.292感性分量X/0.3160.3510.3070.3410.3220.358平均值Zave/0.438图中：G地网；D地网对角线的长度。702023年第41卷第2期张耀文，等：基于修正直线法的大型接地网接地阻抗测试及误差分析其中：M=2ln|D2L+D2eDL10-72lnDeDL10-7，（4）式中：ZM线间互感阻抗；M单位长度引线间互感，H/m；f试验频率；De导体在地中镜像距离，De=80，为土壤电阻率，此处取698.02 m20；DL电压线和电流线之间的距离。已知考虑线间互感的计算模型和互感的计算方式，将式（3）、（4）带入式（2）进行代数计算，即可得修正后接地阻抗的阻性分量和感性分量的计算公式如式（5）、（6）。R=R-2fdPG10-7，（5）X=X-4fln|80DLdPG10-7。（6）经计算，修正后的数据如表2所示。2修正结果及误差分析2.1直线法修正前后结果对比经过修正后的接地阻抗值变为0.193，修正比例为|()0.193-0.438/0.438 100%=56.04%。进一步计算分析可以得到修正法对接地阻抗值阻性分量和感性分量的影响，如表3所示。修正后，同频率下，互感阻性分量受修正影响较小，平均修正比例为33.13%；同时，互感感性分量受修正影响较大，平均修正比例为96.35%。2.2修正结果误差分析（1）直线法修正后的接地阻抗值变化超过50%，消除的线间互感阻性分量和感性分量都较大，分析结果表明，线间互感确实直接影响直线法测量结果，造成较大偏差。（2）修正后数值与远离夹角法所测数据相比，其误差=|()0.193-0.184/0.184 100%=5.132%，从工程计算角度考虑，此误差在可接受范围内，可见该方法在实际试验过程中可很好地消除线间互感带来的数据偏差，得到大型接地网较为真实准确的接地阻抗值。（3）结合公式（3）、（4），计算出本次测试在相同线间距离和相同土壤电阻率情况下，线间互感阻抗的变化数据如表4所示，其中同频率每千米线间互感阻抗变化ZM与dCG的关系为ZM10003%dCG。理论上，当前导线距离（线间距离）和土壤电阻率都为定值时，即试验设置距离条件和环境因素未发生改变，每千米互感阻抗的变化值也是恒定值，不存在相对误差。但是，假设在移动电压极的过程中，出现多种地质情况或者线间距离的较大改变，应分别对每段做修正计算，保证最终结果的准确性。3结语本文结合现场试验，对直线法测量结果进行了修正运算，通过对修正前后的数据进行分析可知，表2修正后的接地阻抗值Tab.2 Modified grounding impedance value测点123试验频率f/Hz475347534753阻性分量R/0.2000.1970.1910.1870.1910.186感性分量X/0.0300.0290.0060.0010.0060.001接地阻抗Z/0.2020.1990.1910.1870.1910.186平均值Zave/0.2000.1890.1880.193表3修正法对不同频率下阻性分量和感性分量的影响Tab.3 Influence of the modified method on the resistiveand inductive components at different frequencies测点123平均值试验频率/Hz475347534753阻性分量变化/0.298 40.327 20.319 10.350 70.330 10.362 60.331 3感性分量变化/0.905 10.918 30.981 60.996 20.982 40.997 50.963 5表4相同线间距离和相同土壤电阻率情况下线间互感变化情况Tab.4 Changes of mutual inductance between linesunder the same distance between lines andsame soil resistivity试验频率/Hz4753测点123123线间互感阻抗ZM/0.2980.3140.3300.3370.3540.372同频率每千米阻抗变化/km-10.1630.184712023年第41卷第2期内 蒙 古 电 力 技 术此方法可以有效消除线间互感对于直线法的影响，从而获得较为准确的接地阻抗值。且修正值与远离夹角法获得的数据误差在允许范围内。在研究过程中也发现，线间距离和土壤电阻率也会影响互感阻抗的计算，进而直接影响修正运算结果。至于影响的大小，还缺乏有效的数据支撑，之后考虑通过进一步的现场实测来分析探究。综上所述，在环境条件不允许进行远离夹角法的情况下，选取修正直线法作为接地网接地阻抗测试是行之有效的，但应当提前尽可能测量不同地质情况下的土壤电阻率，且试验时，应将电流线和电压线尽可能拉开距离铺设，减小线间互感的影响。参考文献：1 薛雯娟.大型接地网安全性及接地阻抗测量案例分析J.电气时代，2022（1）：8182，86.XUE Wenjuan.Case analysis of large grounding grid safetyand grounding impedance measurementJ.Electric Age,2022(1):8182,86.2 李伟，王伟，孙永春，等.应用CDEGS进行变电站接地网设计流程的研究J.电瓷避雷器，2022（5）：113118.LI Wei,WANG Wei,SUN Yongchun,et al.Application ofCDEGS to study the design process of substation groundinggridJ.Insulators and Surge Arresters,2022(5):13118.3 王斯琪，胡晓晖，王强.JJG 11802021 大型接地网工频接地阻抗测试仪检定规程 解读J.中国计量，2022（10）：145149.WANGSiqi,HUXiaohui,WANGQiang.InterpretationofJJG1180-2021 Verification Regulation of Grounding ImpedanceTester for Large Grounding Grid J.China Metrology,2022(10):145149.4 李永晨，李传东.一起6 kV系统高阻接地故障的查找及分析J.电世界，2022，63（4）：1517.LI Yongchen,LI Chuandong.Finding and Analysis of a HighResistance Grounding Fault in 6 kV SystemJ.Electric World,2022,63(4):1517.5 熊舟，杨烽，何强.基于异频法的大型水电站接地网接地阻抗测量实践J.水电站机电技术，2022，45（7）：7881.XIONG Zhou,YANG Feng,HE Qiang.Grounding impedancemeasurementpracticeoflargehydropowerstationgroundinggridbasedondifferentfrequencymethodJ.Mechanical&Electrical Technique of Hydropower Station,2022,45(7):7881.6 何智强，张宣，严雅琳，等.利用架空线测量接地阻抗时的互感问题分析J.电瓷避雷器，2022（3）：116122.HE Zhiqiang,ZHANG Xuan,YAN Yalin,et al.Analysis ofmutual inductance problem when measuring grounding impedanceby overhead lineJ.Insulators and Surge Arresters,2022(3):116122.7 李国胜，郑雪，罗福玲.大型钢接地网的接地阻抗计算与测量分析J.电瓷避雷器，2022（2）：109114.LI Guosheng,ZHENG Xue,LUO Fuling.Grounding impedancecalculation and measurement analysis of large steel groundingGridJ.Insulators and Surge Arresters,2022(2):109114.8 侯苏洋，郝婷婷，于洋，等.引线间互感对接地阻抗测量结果的影响分析J.电瓷避雷器，2019（3）：5256，62.HOU Suyang,HAO Tingting,YU Yang,et al.Analysis of theinfluence of mutual inductance between leads on the measurementresults of grounding impedanceJ.Insulators and Surge Arresters,2019(3):5256,62.9 段长君，格日勒图，李智辉，等.基于分流相移法的大型接地网接地阻抗测试分析J.内蒙古电力技术，2018，36（5）：3538，42.DUANChangjun,Geriletu,LIZhihui,etal.Analysisofgrounding impedance test of large grounding grid based onshunt phase shift methodJ.Inner Mongolia Electric Power,2018,36(5):3538,42.10 杨坤.220 kV变电站接地电阻计算及接触电压和跨步电压校验J.智能建筑电气技术，2022，16（5）：4549.YANG Kun.220 kV substation grounding resistance calculationand contact voltage and step voltage calibrationJ.ElectricalTechnology of Intelligent Buildings,2022,16(5):4549.11 李冠华，徐凯，董雪晴，等.变电站接地阻抗降阻措施评估方法J.沈阳工业大学学报，2022，44（1）：1419.LI Guanhua,XU Kai,DONG Xueqing,et al.Evaluation methodofsubstationgroundingimpedanceresistancereductionmeasuresJ.JournalofShenyangUniversityofTechnology,2022,44(1):1419.12 王业斌，朱浩，孙浩，等.发电厂接地装置接地阻抗测量方法对比和分析J.电工技术，2021（21）：128131，135.WANG Yebin,ZHU Hao,SUN Hao,et al.Comparison andanalysisofgroundingimpedancemeasurementmethodsforgroundingdevicesinpowerplantsJ.ElectricEngineering,2021(21):128131,135.13 何智杰，傅炜婷，林燕桢，等.基于CDEGS频响参数计算的电网谐波对变电站接地网接地阻抗研究和应用C/福建省电机工程学会.福建省电机工程学会2020 年学术年会获奖论文集（上册）.福州：福建科学技术出版社，2021：208212.14 余炜，余云光，沈映，等.基于CDEGS探讨分层土壤结构下大型接地网埋深对接地阻抗值的影响J.电力设备管理，2021（8）：6768.YUWei,YUYunguang,SHENYing,etal.BasedonCDEGS,theinfluenceofburieddepthoflargegroundinggrid on grounding impedance value under layered soil structureis discussedJ.Electric Power Equipment Management,2021(8):6768.15 旦乙画.水平分层土壤中腐蚀接地网接地参数计算方法研究D.重庆：重庆大学，2021.16 余炜，余云光，王允光，等.基于CDEGS变电站大型接地网安全722023年第41卷第2期张耀文，等：基于修正直线法的大型接地网接地阻抗测试及误差分析性状态诊断及分析J.电力设备管理，2021（4）：6769.YU Wei,YU Yunguang,WANG Yunguang,et al.Based onthe safety status diagnosis and analysis of large groundinggridinCDEGSsubstationJ.ElectricPowerEquipmentManagement,2021(4):6769.17 国家能源局.接地装置特性参数测量导则：DL/T 4752017S.北京：中国电力出版社，2017.18 郭博文，李松原，张锡喆.基于直线法的大型变电站接地阻抗测量修正法J.电瓷避雷器，2021（3）：105111.GUO Bowen,LI Songyuan,ZHANG Xizhe.Correction methodofgroundingimpedancemeasurementforlargesubstationbased on straight line methodJ.Insulators and Surge Arresters,2021(3):105111.19 申巍，樊镒铖，王森，等.分层土壤短距离放线下接地电阻测试方法研究J.智慧电力，2022，50（12）：1318，93.SHEN Wei,FAN Yicheng,WANG Sen,et al.Measuring Methodof Grounding Resistance under Short Distance Laying out inLayered SoilJ.Smart Power,2022,50(12):1318,93.20 LIMA,ANTONIO C.S.,MOURA,et al.A ComputationalImprovementinGroundingSystemsTransientAnalysisJ.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,2020,62(3):765773.21 YUAN Haobo,ZHOU Hongguang,LIU Hongwei,et al.ComputingMutualImpedanceofAntennasbySphericalHarmonicTransformJ.IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2019,67(7):43774384.22 MA Junjie.Fast and highprecision calculation of earth returnmutual impedance between conductors over a multilayered soilJ.COMPEL:The international journal for computation andmathematics in electrical and electronic engineering,2018,37(3):12141227.23 王琰.基于接地模型实测的接地装置阻抗值影响因素分析J.集成电路应用，2021，38（2）：4041.WANG Yan.Analysis of Influencing Factors of Grounding DeviceImpedanceBasedonGroundingModelMeasurementJ.Applications of IC,2021,38(2):4041.24 袁培，何智强，胡晓晖，等.考虑大地影响的直线法测量大型地网的接地阻抗J.中国电力，2018，51（7）：3642.YUAN Pei,HE Zhiqiang,HU Xiaohui,et al.Considering theinfluence of the earth,the linear method is used to measurethe grounding impedance of large grounding gridJ.ElectricPower,2018,51(7):3642.25 马御棠，张博成，周仿荣，等.消除引线互感影响的地网接地阻抗测量方法J.电瓷避雷器，2017（4）：7377.MAYutang,ZHANGBocheng,ZHOUFangrong,etal.Ground network grounding impedance measurement method toeliminatetheinfluenceofleadmutualinductanceJ.InsulatorsandSurgeArresters,2017(4):7377.26 闫旭，杨文良，王振中，等.输变电设备接地装置阻抗值影响因素分析J.电工技术，2021（15）：133134，137.YAN Xu,YANG Wenliang,WANG Zhenzhong,et al.Analysisof Factors Affecting the Ground Impedance Value of Transmissionand Transformation EquipmentJ.Electric Engineering,2021(15):133134，27 徐碧川，万华，龙国华，等.接地网接地阻抗测试方法误差分析J.江西电力，2018（2）：2125.XU Bichuan,WAN Hua,LONG Guohua,et al.Error analysisof grounding grid grounding impedance test methodJ.JiangxiElectric Power,2018(2):2125.28 张凯军，胡志坚，张博成.计及地线耦合的利用架空线路测量接地网接地阻抗的方法J.电测与仪表，2017（12）：713.ZHANG Kaijun,HU Zhijian,ZHANG Bocheng.Method formeasuring grounding impedance of grounding grids using overheadlines considering ground couplingJ.Electrical Measurement&Instrumentation,2017(12):713.29 王森，李伟，李柯，等.分层土壤模型下大型接地网冲击特性研究J.电瓷避雷器，2021（4）：3034.WANG Sen,LI Wei,LI Ke,et al.Impact characteristics oflarge grounding grid under layered soil modelJ.Insulatorsand Surge Arresters,2021(4):3034.30 杨波，陈宇燕，陈明华.基于CDEGS的变电站接地网接地电阻的仿真与研究J.红水河，2021，40（4）：97101.YANG Bo,CHEN Yuyan,CHEN Minghua.Simulation andResearch on Grounding Resistance of SubstationGroundingGrid Based on CDEGSJ.Hongshui River,2021,40(4):97101.31 范贤达，黄琛.电力系统的接地技术分析与展望J.集成电路应用，2021，38（6）：7879.FANXianda,HUANGChen.AnalysisandProspectofGroundingTechnologyinPowerSystemJ.ApplicationsofIC，2021,38(6):7879.32 李雄，陆家榆，曹方圆，等.考虑非线性极化时不同土壤电阻率下直流接地极电流对油气管道的腐蚀影响分析J.电网技术，2022，46（12）：50215028.LI Xiong,LU Jiayu,CAO Fangyuan,et al.Effect of DCgrounding electrode current on corrosion of oil and gas pipelinesunder different soil resistivity considering nonlinear polarizationJ.Power System Technology,2022,46(12):50215028.编辑：王红收稿日期 2022-10-15作者简介 张耀文（1996），男，山西人，硕士，工程师，从事高电压绝缘技术试验工作。Email：白洁（1984），男，内蒙古人，硕士，高级工程师，从事高压试验及高压电气设备故障分析工作。Email：王磊（1994），男，山西人，硕士，工程师，从事高压试验与高压电气设备故障分析工作。Email：73