避雷线分流对杆塔接地电阻测量的影响

张博成，胡志坚，张凯军

(武汉大学电气工程学院，武汉市 430072)

避雷线分流对杆塔接地电阻测量的影响

张博成，胡志坚，张凯军

(武汉大学电气工程学院，武汉市 430072)

采用电流-电压三极法测量架空线路杆塔的工频接地电阻时，架空避雷线对注入杆塔地网的测量电流具有分流作用，从而影响接地电阻的测量精度。建立了架空避雷线对注入杆塔地网的测量电流的分流模型，分析了避雷线分流的程度和影响分流效果的因素及其影响规律。结果表明：(1)避雷线分流所占比重可以达到60%以上，当测量杆塔接地电阻较大、非测量杆塔接地电阻较小、测量杆塔为变电站出线上的前2座杆塔时，避雷线分流效果更明显；(2)仅考虑分流电流大小对杆塔接地电阻测量的影响是不够的，忽略分流电流与测量电流的相角差同样会造成较大的测量误差，导致接地电阻的测量值偏高。

杆塔；接地电阻；架空避雷线；分流；相角差

0 引 言

杆塔接地网的维护管理是输电线路防雷以及电力系统安全稳定运行最基础的工作之一，对其接地电阻的定期测量是非常必要的[1-2]。目前，杆塔工频接地电阻的测量方法主要是电流-电压三极法和钳表法。由于钳表法在原理上具有很大的局限性，国家标准DL/T 475—2006《接地装置特性参数测量导则》以及DL/T 887—2004《杆塔工频接地电阻测量》中规定，杆塔工频接地电阻的测量宜采用电流-电压三极法[3-4]。

用电流-电压三极法测量运行中的杆塔地网接地电阻时，注入杆塔接地网的测量电流有一部分经架空避雷线分流。以往，在分流测量手段不完善时，一般认为避雷线分流并不多，对地网接地电阻测量影响不大，但很多实测案例表明，避雷线分流部分的比重往往很大[5]。

如果忽略分流部分，直接用测量电流进行接地电阻计算，会使得测量电阻值小于真实接地电阻值；而忽略分流电流与测量电流的相角差，通过用分流系数修正接地电阻测量值，来消除分流影响的做法并不准确，同样会造成较大的测量误差。目前市面上的杆塔接地电阻测试仪器基本没有同步采集分流电流与测量电流相量数据的功能。

本文在分析避雷线分流原理的基础上，建立架空避雷线对注入杆塔地网的测量电流的分流模型；在此基础上，通过对模型的仿真分析，指出避雷线分流大小的主要影响因素及其影响规律；此外，对测量计算接地电阻时是否考虑分流作用以及是否考虑分流电流的相位进行对比分析，指出用分流系数修正接地电阻值而忽略分流电流与测量电流之间的相角差的弊端。

1 避雷线分流原理

图1给出了采用电流-电压三极法测量杆塔地网接地电阻时避雷线分流的情况。对于实际运行中的线路杆塔，塔基通过接地引下线与接地网相连，而塔身与架空避雷线也存在物理连接。因此，注入杆塔接地网的测量电流只有一部分经接地网散流进入大地，流回测量电源负极。另一部分由接地线、杆塔塔身流入架空避雷线，经与避雷线相连的其他杆塔接地网、两端变电站接地网流入大地。实际的分流等效电路如图2所示。

图1 杆塔接地电阻测量时的分流示意图Fig.1 Shunting schematic diagram of measuring tower grounding resistance

图2 杆塔接地电阻测量时的分流等效电路图Fig.2 Shunting equivalent circuit of measuring tower grounding resistance

图2中，Rj为被测杆塔的接地电阻，Ri(i=1，2，3，…，n,i≠j)为与避雷线相连的非测量杆塔接地电阻，RG1、RG2为两端变电站接地电阻，ZLj为第j档避雷线阻抗，Xtj为第j根杆塔的电抗。

(1)

式中Ze为回路中各杆塔电抗、非测量杆塔接地电阻、两端变电站地网接地电阻以及各档架空避雷线的阻抗经串并联后的等效阻抗。

显然，|Z|

2 避雷线分流的程度与影响因素

IEEE标准给出了变电站发生短路故障时地线分流系数的定义[6]。与之类似，用电流-电压三级法测量杆塔接地电阻时，可定义避雷线分流系数为K，其表达式为[7-13]

(2)

分流系数K可用来衡量架空避雷线对测量电流的分流能力，K的值越大，表明分流越严重，用电流-电压三极法测量杆塔地网接地电阻的测量误差也就越大。

为了分析杆塔接地电阻测量时避雷线分流的情况，揭示分流大小的影响因素及其影响规律，本文使用PSCAD搭建杆塔分流模型，进行仿真分析。

测量电流采用有效值为10 A、频率为47 Hz的正弦异频交流电流[14]。被测杆塔与变电站G1之间共有9档线路，与变电站G2之间相距16档，架空避雷线为2条平行布置的铝包钢绞线[15]，总长为 8.75 km，采用集中电感的杆塔模型[16]。其他具体的仿真参数如表1、2所示。

表1 杆塔分流模型的仿真参数
Table 1 Simulation parameters of tower shunting model

表2 架空避雷线的仿真参数Table 2 Simulation parameters of overhead ground wire

2.1 被测杆塔的接地电阻对分流的影响

其他参数不变，仅改变被测杆塔的接地电阻，将其阻值分别设置为5.0，7.0，9.0，11.0，13.0和 15.0 Ω，仿真结果如表3所示。从表3可以看出，随着被测杆塔接地电阻的增大，分流电流增加，避雷线的分流效果显著提高。

表3 被测杆塔接地电阻变化时的仿真计算结果
Table 3 Simulation results when measured tower grounding resistance changing

2.2 非测量杆塔接地电阻对分流的影响

仿真模型中共有(16+9)档=25档架空线路，除去被测杆塔，共有23座非测量杆塔。仅改变模型中非测量杆塔的接地电阻值进行分析，得到阻值分别为5.0，7.0，9.0，11.0，13.0和15.0 Ω时的分流情况，结果如表4所示。从表4可以看出，随着非测量杆塔接地电阻的增大，避雷线分流电流减小，分流效果明显降低。

表4 非测量杆塔接地电阻变化时的仿真计算结果
Table 4 Simulation results when grounding resistance changing of non-measurement towers

2.3 架空避雷线的型号对分流的影响

普通架空避雷线采用机械强度较大的铝包钢绞线，选用6种不同型号的避雷线(电阻率依次降低)进行分析，结果如表5所示。从表5可以看出，随着避雷线直径增大，电阻率减小，分流效果有所降低，但影响相当小。

表5 架空避雷线型号改变时的仿真计算结果
Table 5 Simulation results when overhead ground wire type changing

2.4 两端变电站地网接地电阻对分流的影响

两端变电站地网接地电阻分别为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5和0.6 Ω时，仿真结果如表6所示。由表6可知，随着两端变电站接地电阻的增大，避雷线分流电流略微增大，对分流效果影响不大。这是因为变电站地网规模较大，接地电阻远小于杆塔接地网的电阻，对分流的影响可以忽略。

表6 两端变电站接地电阻变化时的仿真计算结果
Table 6 Simulation results when grounding resistance changing of substations located at two ends of ground wire

2.5 测量杆塔所在位置对分流的影响

仿真模型中，两端变电站G1和G2之间共有24座杆塔，将变电站接地电阻值均设为0.4 Ω,所有杆塔接地电阻值均设为8.0 Ω。改变测量杆塔位置，避雷线分流情况如图3所示。

图3 改变测量杆塔位置的分流情况Fig.3 Shunting situation when tower’s measurement position changing

从图3可以看出，当被测杆塔为与变电站相距最近的杆塔时，分流系数超过0.84，注入杆塔地网的绝大部分测量电流都流入避雷线，经变电站G1的接地网散流入地。随着被测杆塔与变电站之间杆塔座数的增多，避雷线分流电流急剧减小，当被测杆塔与变电站相距2座杆塔以上时，避雷线分流效果趋于平稳。

以上仿真结果表明，采用三极法测量杆塔接地电阻时，避雷线分流效果明显。分流大小主要与杆塔接地电阻值有关，与被测杆塔的接地电阻呈正相关，而与非测量杆塔的接地电阻呈负相关。此外，被测杆塔与变电站的相对位置也会影响分流效果，当测量变电站出线上的第1、2座(特别是第1座)杆塔的接地电阻时，避雷线分流作用尤其严重。

3 分流对杆塔接地电阻测量的影响

3.1 不考虑分流的情况

选用2条平行双避雷线，距地面高度为40 m，型号为LBGJ-150-30AC，所有杆塔的接地电阻设为8.0 Ω，变电站地网接地电阻设为0.4 Ω，测量杆塔为变电站G1出线上的第8座杆塔的接地电阻，各电流波形如图4所示。

图4 各电流的波形Fig.4 Waveforms of current

根据接地电阻的定义：接地电阻在数值上等于接地网对地电压与通过接地极流入地中电流的比值。考虑架空避雷线的分流作用，杆塔地网接地电阻的准确测量表达式为

(3)

将表7的数据代入式(3)，得到接地电阻值为7.99 Ω，与接地电阻的设定值相符。然而，如果不考虑分流的影响，认为全部测量电流都经被测杆塔地网散流入地，则测量值为Rj1，表达式为

(4)

此时，将表7的数据代入得到接地电阻值为3.25 Ω，测量值小于真实值。

表7 各电压和电流的相量值
Table 7 Vectors of current and voltage

由第2节中的分析可知，采用三级法测量杆塔接地电阻时，架空避雷线对测量电流的分流往往能达到60%以上，即注入接地网的电流只有小部分通过接地网散流进入大地。如果不考虑避雷线分流，无疑使得测量值远小于真实值，测量变得毫无意义。

3.2 仅考虑分流大小的情况

目前，采用三极法测量地网接地电阻时，一般使用接地电阻测试仪采集测量电流、电压的相量数据。为了消除避雷线分流作用对接地电阻测量的影响，所采用的主要方法是：使用罗哥夫斯基线圈对测量杆塔基脚接地引下线进行分流测量，根据式(2)计算得到分流系数，用分流系数来修正接地电阻的测量值，如式(5)所示：

(5)

式中Rj2为接地电阻的修正值。

联立式(2)、(4)、(5)，可得式(6)：

(6)

可以看出，由于没有对测量电流与分流电流进行同步测量，这种方法仅考虑了分流电流的大小对接地电阻测量的影响，忽略了分流电流与测量电流之间的相位差造成的测量误差。而杆塔、避雷线电感参数的存在，导致避雷线的分流电流与注入的测量电流必然存在相位差，如图5所示。

图5 避雷线分流的向量示意图Fig.5 Vector diagram of ground wire shunting

从图5容易得出，Rj2>Rj。即当仅考虑分流电流大小，而忽略分流电流与测量电流的相角差时，会使得杆塔接地电阻的测量值大于实际值。

3.3 仿真分析

测量杆塔为变电站G1出线上的第8座杆塔，将模型中非测量杆塔接地电阻Rf设为8.0 Ω，而将被测杆塔接地电阻值Rj分别设为5.0，7.0，9.0，11.0，13.0和15.0 Ω，对3种情况进行分析：(1)不考虑避雷线分流电流，直接用测量电流参与计算；(2)忽略分流电流与测量电流的相角差，仅考虑分流电流的大小，用测量电流的有效值减去分流电流的有效值参与计算；(3)考虑分流电流的大小和与测量电流的相角差，用测量电流与分流电流的相量差参与接地电阻的计算。仿真计算结果如表8所示。

表8 3种情况的仿真计算结果
Table 8 Simulation results of three cases Ω

表8中的数据充分证明了上文分析的正确性，即采用三极法测量杆塔接地电阻时，如果不考虑避雷线分流电流将导致接地电阻测量值小于实际值，仅考虑分流电流的大小而忽略相角则导致接地电阻测量值大于实际值，只有将分流电流的大小以及与注入测量电流的相位差均考虑在内，才能准确地测量到杆塔地网的实际接地电阻值。

图6给出了非测量杆塔接地电阻Rf不同的几种情况下，忽略避雷线分流作用时，杆塔接地电阻的测量误差随着被测杆塔接地电阻值Rj的变化情况。

图6 忽略分流电流时接地电阻的计算误差Fig.6 Calculation error of grounding resistance when ignoring shunt

从图6可以看出，当被测杆塔接地电阻值为 5.0 Ω，所有的非测量杆塔的接地电阻值为11.0 Ω时，忽略分流作用造成的测量误差在40%以上，且随着被测杆塔接地电阻值的增加、非测量杆塔接地电阻值的减小，避雷线分流电流效果增强，接地电阻测量误差急剧增大。

非测量杆塔的接地电阻Rf不同的几种情况下，考虑分流电流大小而忽略其与测量电流的相位差，用分流电流系数修正接地电阻测量值时，测量误差随被测杆塔接地电阻的设定值Rj的变化趋势如图7所示。

图7 仅考虑分流电流大小时接地电阻的计算误差Fig.7 Calculation error of grounding resistance when only considering shunt size

从图7可以看出，当被测杆塔与所有非测量杆塔的接地电阻值均设为5.0 Ω时，相对测量误差达到30%以上，并且当杆塔(无论被测杆塔还是非测量杆塔)的实际接地电阻值增大时，测量误差也随之增大。

4 结 论

(1)使用电流—电压三极法测量运行中的杆塔工频接地电阻时，架空避雷线对测量电流的分流电流作用对测量结果会产生较大的影响。

(2)架空避雷线的分流电流效果往往能达到60%以上，且当被测杆塔接地电阻较大，而与避雷线相连的非测量杆塔接地电阻值较小时，分流电流效果更明显。

(3)如果不考虑避雷线分流电流，接地电阻的测量值将远小于实际值；而若只关注分流电流的大小，忽略分流电流与测量电流的相角差，将使得接地电阻的测量值偏高。

(4)为了消除避雷线分流电流对杆塔接地电阻测量的影响，应同步采集测量电流与避雷线分流电流的相量数据，使两者相量差参与接地电阻的计算。可用2台测试仪分别采集测量电流和避雷线分流电流，运用GPS的同步功能，实现电流数据的同步采集。

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(编辑 张小飞)

Influence of Ground Wire Shunting on Tower Grounding Resistance Measurement

ZHANG Bocheng，HU Zhijian，ZHANG Kaijun

(School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

When using the method of current-voltage three-electrode method to measure the power frequency grounding resistance of overhead line tower, the ground wire has a role in separating the measuring current into the tower grounding grid, which can affect the measurement accuracy of grounding resistance. This paper establishes a shunting model of measuring current into the tower grounding grid for overhead ground wire, and analyzes the degree of the ground wire shunting, the factors affecting the shunting effect and its influence law. The results show that: (1)the share of the ground wire shunting can reach more than 60%; the effect of shunting is more obvious when the grounding resistance of the measurement tower is greater, the grounding resistance of the non-measurement tower is smaller and the measurement tower is the first two tower from the substation; (2)only considering the effect of shunt size on grounding resistance measurement is not enough, ignoring the phase angle difference between the ground wire shunting and the measuring current can also cause big errors, which will make the measuring value of the grounding resistance higher.

tower; grounding resistance; overhead ground wire; shunt; phase angle difference

TM 754

A

1000-7229(2016)04-0070-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.04.011

2015-11-21

张博成(1991)，男，工学硕士，主要从事输电线路带电测量、电力系统接地等方面的研究工作；

胡志坚(1969)，男，博士、教授、博士研究生导师，研究方向为电力系统稳定分析与控制、新能源接入与分布式发电、输电线路参数带电测量等。