计算机辅助电位降法测试变电站接地电阻方法浅析

宋高博



计算机辅助电位降法测试变电站接地电阻方法浅析

宋高博

郑州市技师学院

摘 要：本文主要针对运用计算机辅助电位降法，对变电站接地网测试进行了分析和研究

关键词：接地电阻；网络拓扑结构；电位降法；电流极短电流极引线

1概述

变电站接地网是保证变电站电气设备在正常和故障情况下，都能可靠和安全运行的主要保护措施之一，是变电站接地系统的重要技术指标，是衡量接地系统有效性、安全性以及鉴定该系统是否符合要求的重要参数。在每个变电站投入运行前，都要对其进行电网测试，以保证此地网的接地电阻满足设计要求，而且，还要在其投入运行后对其地网的接地电阻进行定期检查。然而，接地电阻的测量是一个相当复杂的问题，受到多方面因素的影响，它不仅与接地体的大小、形状、地电阻率有关，受到周围电磁场、土壤中的金属物质、地电阻率均匀程度的影响，而且还受到测量方法和电极布置的影响。

近年来，国内多处变电站因雷击形成扩大事故，大多与地网接地电阻不合格有关。接地网起着工作接地和保护接地的作用。若接地电阻过大，发生接地故障时，会导致中性点电压偏移增大，可能造成健全相和中性点电压过高，超过绝缘要求而造成设备损坏。因此，必须大力加强对地网接地电阻的定期监测；如果对地网接地电阻测试不准确，不仅损坏设备，而且会造成诸如地网误改造等不必要的损失。

电位降法是根据接地网完工图纸建立地网网络拓扑结构完整性检测模型。运用了敞开式变电站接地参数测试新方法，以适应目前变电站复杂多变的地理环境，使得接地参数测试工作的限制条件得以放宽，或减轻接地电阻测试工作的劳动强度，提高接地电阻测试精度。

2 接地网拓扑结构检测技术

图1接地网网络拓扑结构检测流程图

任何一个接地网，在保留目标端口节点的前提下，用电网络等效理论削去接地网中其它节点，得到目标端口节点间最多只有一条支路的网络就是该接地网所对应的端口网络。借助网络拓扑的端口等效转换理论，根据测试端口的数目可以将接地网等效为纯电阻二端口网络或三、四端口网。

当接地网施工完成后，我们可以对照接地网的设计或完工图纸，建立接地网的纯电阻等效网络，通过计算得到该网络所对应任意多个端口网络的等效电阻。

通过仿真计算得到假定某两个端口加载一定直流电流情况下对应某两个端口间的电压。然后通过对施工完成的接地网进行直流电流激励，同时测量仿真计算所对应某两个端口间的电压情况。

根据电路理论的基本知识可知，能够通过MATLAB软件直接进行大网络激励与响应的仿真计算。下面给出接地网网络拓扑结构检测方法流程图，以指导接地网检测工作的实施，如图1所示。

3电位降法测量接地电阻的基本原理

目前接地电阻测量采用国家标准GB/T17949.1-2000《接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则第1部分：常规测量》推荐的电位降法进行测量。测量路线分为电流极和电压极同向布置（图2中电极P的位置）和电压极与电流极反方向布置（图2中电极P1的位置）。

图2接地电阻测量的测量引线路径布置

电流极引线和电压极引线同方向布置，电流极引线长度取某一长度时，电流极引线和电压极引线之间的距离取5m以消除引线间互感对测量结果的影响。测量时电压极从靠近电流极开始，每隔50m 或100m测量一个视在接地电阻，测量时为了确保电压极和电流极与接地网之间的距离采用GPS进行定位，以确保测量结果的准确性。

在实际采用电位降法测量中，为了准确测量得到接地电阻，一般都将电流极置于5D以外的地方，这时为了布置测量引线而带来巨大的工作量，有时为了测量一个较大的变电站，甚至需要几十个人测量一整天。因此工程实际中迫切需要能够尽量缩短电流极引线的长度，以减轻测量时的劳动强度。

4电流极引线长度的选取规律

在实际采用电位降法测量中，一般是以视在接地电阻曲线上平坦段作为电压极位置的选取标准，存在一定的系统误差。为了消除该系统误差，则应尽量拉长电流极引线的长度。如何确定电流级引线长度，同时考虑辅助电流极的影响，下面对其进行讨论。

当电流极的位置距离待测接地系统较远时，不仅可以使辅助电流极的影响减小，而且可以使接地系统与电流极之间的电位分布曲线比较平坦，因此可以使测量点的选取相对容易，误差可以较小：然而长接地引线不仅使布线比较困难，而且由于两电流极之间电阻值的增大，也使要达到相同测试电流的测试电压变大，电源容量增大，测量人员的安全问题加剧。

当电流极引线太短时，测量得到的视在电阻曲线不存在平坦段，无法从测量曲线上直接找到接地电阻的真实值：而利用计算机辅助分析，在得到土壤电阻率分层情况的基础上，通过计算找到不同电流极引线长度时的对应于接地系统真实接地电阻的电压极位置。

但是电流极引线的长度又不可以无限制地缩短，因为当电流极与待测接地系统之间的距离过短时，就会使两极之间的电位降梯度急剧增大，电压极位置很小的位置偏差就可能带来较大的测试误差。下面就如何选取合适的电流极位置进行讨论。

为了对电流极的位置选取可能给测量结果带来的误差进行量化的分析，把在能够得到真实接地电阻值所要求的测量位置附近的电压极位置变动10m，接地电阻测量结果的变化量与真实接地电阻值的比值ω定义如下：

ω = 电压极变10m接地电阻的变化量/真实接地电阻值

对于两层水平分层的土壤结构，不同的k值情况下的随测量电流极引线长度变化的曲线如图3所示。

图3不同k值下ω 随电流极引线长度变化曲线

由图中7条曲线可以看出，当电流极间距增大时，因为电压极选取位置误差所带来的测试误差也相应减小。这是由于极间距增大则电位降曲线中的平坦段也相应增加的缘故。对比不同曲线不难看出，k值大的曲线在相同电流极间距情况下的ω 值也较大。

从图中各曲线可以看出，ω 值在曲线的开始阶段下降非常快，而当电流极间距超过3D以后就趋于平缓。因此利用短极间距方式进行测量是可能的。在大多数情况下可以利用较短的电流极引线进行比较准确的测量。

测量接地系统的接地电阻时，电流极间距的选取与土壤结构和测量所允许的误差限有着密切的关系。上面的讨论是基于电压极位置误差为10m时的情况。如果测量时使电流极与电压极位置比较准确，则可以将电流极引线长度缩短至1.5D。

5短电流极引线接地电阻测试系统设计

通过前面的讨论，这里提出计算机辅助智能接地电阻测试方案。该方案主要是将计算机数值计算的最新技术与现场测量数据有机结合起来，充分利用人机交互与已有知识的优势，力求简单、准确地得到待测系统的接地电阻值。

从前面的分析可以看出，不管电流极引线多长，在接地系统和电流极之间都会存在一个电压极的补偿点的位置，该点对应的接地电阻即为该接地系统的真实接地电阻值。实际地网所处的土壤结构都是不均匀的，可以通过电阻率测量数据分析得到实际的土壤分层结构，对于给定距离的电流极，可以通过分析计算得到电压极的补偿点，作为电压极的布置点，测量得到正确的接地电阻。并且对于任意距离的电流极，即使是距离很短的电流极，在地网和电流极之间都存在一个对应真实接地电阻的补偿点，可以通过分析得到，这样就能在短距离的电流极下，测量得到真实接地电阻值。测量仪器采用目前国际上比较常用的变频测量技术，消除干扰电流的影响。

根据前面的讨论提出的计算机辅助短电流极引线接地电阻测试该方案的实施框图如图4所示。

通过接地网的参数可以模拟出对当对接地网施加单点电流源一定幅值I下接地网对无穷远处的地电位升（假设为V），然后继续模拟当用电流线进行近距离放线时（这时施加的是一正一负两点输入的电流源，幅值也模拟为I），找出与接地网间电位也为V的等电位线l，记下此时的电流极位置，作为实际测试时的电流负极放置位置，并在等电位线l上选择一个便于测量的位置作为实际测试时电压极放置位置。

图4计算机辅助短电流极引线测试方案

为了使模拟仿真与实际测试偏差更小，在模拟仿真中可以考虑到多层土壤环境下的情况。这里使用多电流注入点的接地系统分析程序精确仿真多层土壤中大型接地网接地电阻值由此可以获得短距离测量时电压极的精确位置，分析计算步骤如下：

（1）计算接地网在两层土壤中的实际接地电阻和地电位升，此时没有电流回流极，只在接地网上注入电流。也就是说，此时得到的接地电阻值不应受电流回流极的影响。

（2）计算有电流回流极，且在接地网注入电流的同时在电流回流极反向抽出电流时，接地网电流入地点与回流极之间连线上的地表电位。

（3）接地网电流入地点与回流极之间连线上的地表电位中，寻找其电位与地网电流入地点电位之间的电位差等于（1）中的地电位升的点，该点即为相应电流回流极位置所对应的电压极位置。

6 结论

综上所述，在测量变电站接地网接地电阻时，应尽量在了解接地系统附近土壤分层结构的基础上，综合考虑各方面的影响因素，选择合理的电流极的引线及电压极的布置位置及其相应的测量方法，并采取适当的措施来减少各个环节的误差，以获得较准确的测量结果。本文针对变电站地网验收和测试中存在的问题，采用电位降法进行了变电站接地网拓扑结构完整性分析，提出了计算机辅助短电流极引线接地电阻测试方案。

参考文献：

［1］陈蕾，陈家斌.接地技术与接地装置（第二版）［M］.中国电力出版社，2014年.

［2］李谦.电力系统接地网特性参数测量与应用［M］.中国电力出版社，2013年.

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［5］中国电力企业联合会.交流电气装置的接地设计规范（GBT50065-2011）［J］.中国计划出版社，2012年.