变频法测量变电站接地电阻分析
点击数：7409 次 录入时间：03-04 12:00:56 整理：http://www.55dianzi.com 电工文摘
饶 宏1，曾 嵘2
（1. 南方电网技术研究中心，广东省 广州市 510620； 2. 清华大学电机工程与应用电子技术系，北京市 100084） 摘要： 传统的工频大电流法测量接地电阻存在劳动强度大，测量过程复杂，难于消除干扰对测量结果的影响等方面的缺点。文章介绍了变频法测量接地电阻的基本原理，采用变频法能够有效地躲过工频干扰，同时可以采用较小的测量电流比较准确地测量接地电阻。现场测试结果表明，工频干扰对测量结果影响相当严重。 关键词： 变电站；接地电阻；变频法；工频干扰
传统的工频大电流法测量接地电阻存在劳动强度大、测量过程复杂、难于消除干扰对测量结果的影响等方面的缺点。采用变频法测量接地电阻可消除干扰对测量结果的影响，即测量时躲过干扰的频率。变频法有3种：①非工频法［1］。使用该方法时，推荐使用至少与工频相差5Hz的频率，而且测量仪器应是可选频的。该方法可有效地避免工频干扰，但在架空地线和电缆屏蔽层是接地系统重要组成部分的情况下，偏离工频超过10Hz的偏差可能在测量结果中会引入显著的误差。②变频法［2］。它采用的是试验电流是几十毫安至几十安的非工频电流。③频率扫描法。测量很多频率下的接地电阻，然后通过插值得到50Hz工频对应的接地电阻。
与传统的测量方式相比，变频法有明显的优点：注入电流小、电平低、安全性好；可以进行多次重复测量，消除了偶然因素的影响；测量速度快，测量电路连接完毕后，真正的测量过程只需30s。
另外，通过分析干扰信号不难发现，干扰信号的主要能量集中在工频及其奇数倍频处，其他频带的干扰能量较小。可以设想，如果避开工频及其奇次谐波频率处的地中杂散电流，在其他的频率上进行接地电阻的测量，干扰分量必将大大降低。
1 变频法测量接地电阻的原理
在变电站带电运行过程中，对接地电阻测量造成干扰的电压主要是工频电压，这种工频干扰的幅值往往很高（在220kV变电站附近，100m长的接地引线上测量得到的干扰电压达到40V），而其他频带的干扰则小得多。因此接地系统设计的首要任务就是将这部分干扰消除。
为了解决这一问题，首先利用模拟谐波滤波器去除50Hz及其附近频段的干扰信号。其次采用频率扫描法将输入信号频率从30Hz到200Hz变化，变化过程中避开工频频段和它的奇次谐波。这样就可得到较宽频带（覆盖工频）上接地电阻的幅值和相位，而采用变频测量技术测量接地电阻时，由固定频率上的接地电阻测量值通过插值求取工频接地电阻值，以消除在接地电阻值随频率变化不平滑时可能带来的误差。
另外，测量过程中电压引线上所感应的电压可以视不同情况分别进行处理。可采用数字信号处理技术提取出电压信号中与电流同相位分量，而将感性分量的影响消去。
测量设备主要由4部分组成：变频电源、信号采集与处理模块、通信及控制模块与便携式PC。各部分的功能为：①变频电源。变频电源主要为测量接地系统的注入激励源，它能够提供30～200Hz频率范围的正弦交流电源；电源电压在50～200V之间变化，可提供不大于3A的注入电流。由于频率扫描的需要，变频电源的频率步进变化应当是可控的，因此设计它可以手动设置信号频率平滑变化，也可从计算机经I/O模块得到控制信号，并相应地调整输出频率。另外变频电源还具有过流、过载、过压、欠压保护功能。②信号采集与处理模块。这部分的主要功能是将从待测接地系统得到的电流、电压信号进行有源滤波，以抑制测量现场的工频干扰；对滤波后的信号进行调整，以达到A/D模块可以处理的信号范围，进行A/D转换并应用准同步算法预处理信号。③通信及控制模块。该模块完成上位机与下位机之间的通信，将下位机采集到的数据以及工作状态送往上位机，将上位机的控制指令传至下位机。④便携PC。与许多智能测量设备一样，PC机起指挥与处理中枢的作用。PC机在电源信号稳定以后，启动A/D，进行快速采样。在得到几个周期的电压、电流信号以后，先进行数字滤波，然后对信号的幅值与相位进行分析，提取阻性与感性分量，并去掉互感的影响，最后得到接地电阻值。
通过以上测量系统几个模块的协同工作，就可以完成一次接地电阻的自动测量。
2 变频法测量接地电阻的现场应用
采用变频法对某接地网的接地电阻进行了测量。该接地网的面积为60m×60m，现场测量使用的电流极引线长100m。测量过程中，为了观察工频时引入电压极的干扰信号的幅度，特意在每个点上都测量了电源频率f=50Hz时的电压值，表1所示为电压极与地网间的距离d分别为79、69、49m的3点在不同频率下的视在接地电阻，可以明显地看到在50Hz频率附近电压值高于其他频率下的电压值（表中黑体所示），可见工频干扰的影响是相当大的。因此在数据分析时，应该抛开50Hz频率下的测试数据，通过内插得到可靠的接地电阻值。
表1 不同频率下的视在接地电阻测量结果
d=95m处
频率/Hz
30.5
40.2
50.1
80.2
95.1
100.6
视在电阻/Ω
14.5
15.1
25.4
15.4
15.9
16.1
d=60m处
频率/Hz
30.3
40.4
50.1
70.5
85.8
99.8
视在电阻/Ω
0.54
0.59
0.83
0.61
0.60
0.63
d=40m处
频率/Hz
30.7
39.2
50.4
59.2
85.3
99.5
视在电阻/Ω
0.32
0.34
0.53
0.38
0.36
0.39
3 某110kV变电站接地电阻测量
对某110kV变电站的接地电阻进行测量，测量采用电位降法［4,5］，测量仪器为清华大学研究的智能接地电阻测试仪。测量时考虑了2种方案：第1种为长电流极引线测试方案，电流极引线长为340m；第2种为短电流极引线方案，电流引线为60m。第1种方案得到的测量结果如图2所示，接地电阻测量结果为0.8Ω。
第2种方案得到的测量结果如图3所示，该视在接地电阻曲线仍有平坦端，接地电阻测量结果为0.81Ω。2种方案测量结果接近。
4 结论
采用变频法测量接地电阻能够有效地躲过工频干扰对测量结果的影响，同时可以采用较小的测量电流比较准确地测量接地电。现场测试结果表明，工频干扰对测量结果的影响是相当严重的。
图2 长电流极引线方案测得的视在接地电阻曲线
图3 短电流极引线方案测得的视在接地电阻曲线
5 参考文献
［1］ Dick E P, Erven C C ， Harvey S M. Grounding system tests for
analysis of fault - induced voltages on communication cables［J］. IEEE
T - PAS, 1979, 98(6): 2115～2125.
［2］ Zupa F P, Laidig J F. A practical ground potential rise prediction
technique for power stations［J］. IEEE T - PAS, 1980, 99(1): 207～216.
［3］ Reynolds P H, Ironside D S, Silcocks A H, et al. A new instrument
for measuring ground impedance. In: Proceedings of IEEE PES Winter
Meeting, 1979, Paper A79 080 - 3.
［4］ ANSI/IEEE Std. 81—1983 “Guide for measuring earth resistivity,
ground impedance, and earth surface potentials of a ground system”［S］.
［5］ GB/T 17949.1—1999 《接地系统的土壤电阻率, 接地阻抗和地表电位测量导则》［S］.
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