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大型接地网特性参数测试的技术要求

摘要: 接地装置的状况直接关系到电力系统的安全运行, 科学合理地测试接地装置的各种特性参数, 准确评估其状况十分重要。当前国内电力系统中接地装置的测试工作比较薄弱, 一些关键的技术观念比较模糊, 技术手段落后, 工作方法上缺乏统一的规范和认识。鉴于新版的DL/T475- 《接地装置特性参数测量导则》所涵盖的新技术、 新观念, 特根据当今接地测试技术发展的观念和趋势, 结合一些实测案例说明接地装置的特性参数测量必要的技术要求。

关键词: 接地装置 特性参数 变频 抗干扰

一、 接地网特性测试概述
接地网是由垂直和水平接地极组成的, 供发电厂、 变电所使用的, 兼有泄流和均压作用的水平网状接地装置。大型接地装置是指110KV以上电压等级变电所或装机容量在200MW以上的火电厂和水电厂的接地装置, 或者等效面积在5000㎡以上的接地装置。大型接地装置特性的测试参数有接地阻抗、 跨步电位差、 接触电位差、 电气完整性、 场区地表电位剃度、 转移电位等六项。除了电气完整性, 其它参数为工频特性参数。
DL/T475- 《接地装置特性参数测量导则》在接地特性参数测试方法上推荐使用三极法和直接测量法; 取消了原导则中接地电阻四极法测试、 避雷线分流的处理, 以及其它一些在实际中较难把握、 很难实现的规定。在输电线路杆塔接地阻抗测试部分中严格规范了钳表法的使用, 对于不满足测试条件而获得的数据不能采信。在土壤电阻率测试中增加了四极非等距法的内容。并给出了各项测试结果的参考界定值;在技术观念上强调对接地装置的各项参数全面考核, 综合判断, 而不是片面强调某一项指标。
在测试仪器技术指标方面也有明确的要求, 例如在接地阻抗测试方面: 工频大电流法试验电流≮50A, 异频法试验电流≮3A, 接地阻抗测量值分辨率≯1mΩ, 测量电压分辨率≯1mV, 测量准确度不低于1.0级, 异频法使用的仪表应具有良好的选频特性等。
二、 大型接地网的复杂性
1、 在大型接地网中, 工频零序电流、 谐波电流、 运行中的输电线路感应等对接地网特性参数测试存在着很大的干扰。另外空间电磁场、 天电辐射、 广播通讯辐射、 杂散干扰等对测量也有较大的影响。在实际现场就能够验证这些干扰的存在, 使用无抗干扰的普通高内阻电压表, 按三极法方式接线, 测试地网与辅助电压极之间的电压, 就会发现表计有一定的电压数值显示, 数值大小与布线方式、 布线长短关系很大, 干扰电压可能是几伏、 几十伏甚至几百伏。
2、 在接地网的接地阻抗测试中, 接地阻抗Z应包括: 电阻分量R、 电抗分量X和角差Ф。特别是大型接地网的接地阻抗中的电抗分量X有可能大于电阻分量R, 因此在DL/T475- 《接地装置特性参数测量导则》中的”术语定义”将”接地电阻”改为”接地阻抗”。传统意义上的”接地电阻”已不能全面反映接地的特性, 因此接地网的参数测试中必须测量接地阻抗Z。
3、 当今电网中的负载复杂, 各种非线性负载给电网带来严重的波形畸变, 也即电网污染; 而波形畸变引起的谐波干扰频率具有不确定性, 因此用45Hz、 55Hz两点异频插值法测量接地阻抗( 特性) 在遇到同频率干扰时就会得到错误的结果。
4、 测试时试验信号源的频率对接地网特性的测量有明显影响, 一般来说在低频范围内接地阻抗随测试频率的升高而增大; 国际大电网会议36.04.01接地工作组和DL/T475- 《导则》都明确指出: 接地网特性的测试频率与工频频率的偏差应△f≤±10Hz。实践证明频率偏差在△f≤±5Hz范围内测量结果较好。
5、 接地特性测量往往在不停电的情况下进行, 测试时由接地极到辅助电流极、 电压极的放线较长, 感应的工频电压很高, 有时可达几百伏, 再加上地网中有较大的零序电流干扰, 地网越大、 放线越长带来的干扰就越大; 然而接地特性的测量又要求测试仪器具有较高的灵敏度, 例如跨步电位差的测量要求能准确测量几mV的信号, 因此抗干扰能力不强的测试仪很难能胜任接地特性参数的测试任务。
三、 传统的接地网特性测量方法
1、 工频大电流法: 最笨的一种方法, 用增大试验电流来提高信噪比, 由于试验电流大( DL/T475- 《接地参数测量导则》要求＞50A) , 因此必须使用较粗的导线, 实际现场放线困难, 要求电源容量也很大, 试验设备笨重; 即便如此测量结果也不甚理想。
2、 两点异频法: 以PC－19测试仪为代表的国产仪器。在40、 60Hz( 或45、 55Hz) 两点多次测量取平均, 等效计算出工频下的Z50, 由于测试频率不可选择, 只能在两点测试的局限性, 在遇到同( 邻) 频率干扰时就会得到错误的结果。且灵敏度较低对测量的信号损耗较大, 无法测量跨步电压、 接触电压等微弱信号。
3、 小电流异频法: 以意大利产HT异频接地电阻测试仪为代表的进口仪器。这类测试仪的测试频率只有一个固定的128Hz且测试电流只有10mA, 测试频率与工频偏差太大而且测量部分的选频特性不好, 在遇到同频率干扰时无法躲避, 不适合测量大接地网接地特性, 只能用于小型接地体的测试。类似的仪器还有MEGGER公司的DET2/2异频接地电阻测试仪。
4、 小电流阻频分析法: 以奥地利LEM公司GEOXP测试仪为代表的进口仪器。这类测试仪的测试频率范围大都在( 40～280Hz) 左右, 一般取4个测量点做阻频分析, 然后等效计算出工频下的Z50, 由于测试频率不能连续变化且与工频偏差太大, 再加上测量部分的选频特性不够好, 测试电流也只有几mA到几十mA, 在遇到同( 邻) 频率干扰或较大幅值干扰情况下, 其测量结果有很大的偏差, 使用范围有局限。
5、 接地摇表: 以国产ZC8为代表的老式手摇接地电阻测试仪, 只适合单个接地极的测试, 不能用于地网的测试。
四、 大型接地网对接地特性参数测试的技术要求:
1） 小电流、 小功率, 轻便且安全性高; 符合DL/T475- 《接地装置特性参数测量导则》推荐的方式。
2） 采用变频窄带技术实现极强的抗干扰能力。
3） 测量时采用异频法, 避开主源频率干扰。采用数字带通滤波器, 带通特性近似于理想曲线 , 保证测量时选频的准确性, 如果干扰电流或电压的频率与注入信号频率相差1HZ, 保证测量不到干扰电流或电压;
4） 由于注入地网的电流频率可调——因此可测出接地系统的频率响应特性;
5） 采用高保真、 高稳定性的信号源, 确保整个测试过程的准确性;
6） 采用直接测量方式, 能直接读取接地阻抗Z、 电阻分量R、 电抗分量X及角差Ф, 以便对地网状况进行分析。
7） 电压测试回路的输入灵敏度足够高( ≥100KΩ) , 以满足跨步电势、 接触电试等微弱信号的测量工作
8） 测量工作可在变电站正常运行的情况下进行; 以提高供电可靠性, 避免大面积停电带来的经济损失。
9） 能全面测试接地系统特性, 包括接地电阻、 跨步电势、 接触电试、 接地体分流情况、 地网电压分布特性, 引下线导通情况。
10） 且易重复测量, 便于提高测量可信性; 节省时间、 金钱, 且操作简便。

五、 大型接地网的接地特性参数测试案例
以当前在国内比较典型的几款测试仪器的功能做一比较: 徐州金冠电子科技有限公司生产的JG9000变频接地特性测试系统, 澳大利亚红相8000( S) 发电厂、 变电站接地网测试系统, 奥地利LEM公司生产的GEOXP接地电阻测试仪。
功能比较

项目
金冠JG9000
红相8000( S)
LEM-GEOXP
1、 测试原理
调频窄带技术
调频窄带技术
AFC自动频率控制
2、 设备组成
信号源+耦合变压器+调频万用表
信号源+耦合变压器+调频万用表
便携式测试仪
3、 测试参数
U、 I、 Z、 R、 X、 Ф、 f带打印
U、 I、 Z、 R、 X、 、 f
Z、 R
4、 接线方式
三极法 直接测量法
三极法 直接测量法
三极法 直接测量法
5、 频率选择方式
任意多点异频
任意多点异频
4个频率点
6、 频率选择范围
40～70Hz 步进1Hz
40～69Hz 步进1Hz
不可控
7、 试验电流
0～20A可调
0～20A可调
最大350mA
8、 输出电压
0～300V可调
0～180V可调
最大48V
9、 灵敏度( 输入阻抗)
＞1MΩ
＞1MΩ
≤1MΩ
10、 抗干扰系数
60dB/Hz
42dB/Hz
无
11、 信号源功率
2KVA
1.5KVA
6节5号电池
12、 信号源波形失真
＜0.5%
＜0.5%
无
13、 系统测量精度
0.5级
0.5级
2.0级

1、 江苏某220KV变电站接地阻抗测试( 数据单位: Ω)
测试频率
46HZ
47HZ
48HZ
52HZ
53HZ
54HZ
平均值
JG9000
0.112
0.115
0.118
0.126
0.129
0.132
0.122
8000S
0.111
0.115
0.117
0.125
0.128
0.133
0.121
GEOXP
0.165Ω( 不能选频测量)

由以上测试数据可知具有选频测试功能的JG9000和8000S的测量结果很接近, 能够有效的避开50HZ工频干扰, 且重复性较好。GEOXP不能选频测量, 因此只有一个测量结果, 且与其它测量结果比较有较大偏差。

2、 山东某220KV变电站电位降曲线测试
距主网距离m
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
JG9000( mV)
151
232
244
273
279
285
290
292
295
297
8000S( mV)
150
232
243
271
277
284
291
293
296
298
GEOXP
测量结果显示不稳, 不能有效读数
由以上测试数据可知, 由于放线长度几百米至上千米长, 因此测试回路具有很强的干扰信号, 在这种情况下测量变电站电位降必须有很好的抗干扰能力; 具有选频测试功能的JG9000和8000S的测量结果很接近, 能够有效的避开50HZ工频干扰, 且重复性较好。GEOXP不能选频测量, 只能测量干扰电压, 所测干扰电压最高显示198V, 最低显示16.5V且再重复测量时数值变化较大, 因其电压测量分辨率最小为0.1V, 因此根本无法测量mV级的电位降信号。

3、 江苏某500KV变电站接地阻抗测试( 数据单位: Ω)

试验频率试验电流
46HZ
47HZ
48HZ
52HZ
53HZ
54HZ
平均值
JG9000
5A
0.099
0.100
0.102
0.106
0.107
0.108
0.1037
8000S
0.098
0.100
0.101
0.106
0.108
0.109
0.1037
JG9000
3A
0.098
0.099
0.101
0.105
0.107
0.109
0.1032
8000S
0.098
0.098
0.100
0.106
0.106
0.109
0.1028
JG9000
1A
0.096
0.098
0.101
0.104
0.106
0.108
0.1022
8000S
0.096
0.097
0.100
0.105
0.106
0.107
0.1018
由以上测试数据分析可看出, 虽然测试电流的大小不同, 但对接地阻抗测试结果影响不大, 关键是这两种测试系统都具有很好的选频特性, 对信号的衰减系数分别为60dB/Hz( JG9000) 和42dB/Hz( 8000 S) , 因此使用这两种测试系统具有小电流、 小功率, 轻便且安全性高的优势
六、 结束语
由于接地网的复杂性, 干扰信号往往比被测信号大的多, 有时可能要大到几百甚至上千倍, 因此接地特性参数的测试必须使用具有强抗干扰能力的测试仪器, 否则很难得到真实可信的数据, 测试仪器的选型没有必要迷信一些进口仪器, 实践证明有些进口仪器根本不能满足大地网参数的测试要求, 大地网参数测试仪器的技术关键是抗干扰水平, 也即变频窄带技术。大量的现场实践证明, 采用变频窄带技术的仪器其测试数据稳定性、 重复性都很好。