晋北-南京±800kV特高压直流输电工程接地极阻抗监视系统测量环节干扰问题分析

张青伟 宗万里 李 然 陈大鹏

（1. 许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000；2. 国网浙江省电力公司检修分公司，浙江 义乌 310018；3. 国网江苏省电力公司检修分公司，南京 211100）

随着我国经济社会高度发展，电力需求有了持续稳定的增长，特高压直流输电工程已经成为解决电力资源配置的高效环保方式。晋北到南京±800kV特高压直流输电系统工程即为国家电力系统重点规划的实现“晋电下江南”的重要输电通道，特高压直流输电工程中接地极阻抗监视系统为保证接地极线路可靠持续监测的重要子系统，对于大地回线方式下的系统运行有决定性的影响。通过查阅国内相关特高压直流输电工程资料，目前国内针对接地极阻抗监视系统研究较少，对于引起接地极阻抗监视系统测量环节干扰的专项研究更少。本文主要对接地极阻抗监视系统测量环节干扰问题进行了分析，指出导致这一问题的几种因素，并针对性的提出工程解决措施，为今后中国特高压直流输电工程接地极阻抗监视系统的施工提供参考。本文提出的方案和措施已经在晋北到南京特高压直流输电工程中实施，效果明显[1-2]。

1 接地极阻抗监视系统原理及工程现场系统试验情况

1.1 接地极阻抗监视系统原理

接地极线路阻抗监视系统的原理是通过向接地极注入高频交流电流，测量注入点的对地电压。通过电流和电压计算接地极线路上的阻抗，以此衡量接地极线路的工况。一个突然数量级的阻抗变化表明接地极线路处于开路或者接地故障，然后接地极线路监视系统进行告警，如图1所示[3-5]。

晋南特高压直流输电工程现场实施时，按照原理图进行接线，其中图1中的信号电缆即为测量电流传输电缆，HCM3000系统作为采样主机，根据测量到的电流变化判断接地极线路故障情况。尤其需要注意的是，本系统采用高频交流信号，一般为13.95kHz，注入交流小电流幅值一般为100～200mA左右，因此测量环节干扰对接地极阻抗监视系统影响巨大，必须采取一系列措施消除或者降低测量环节的干扰。

图1 接地极阻抗监视系统原理图

工程实际中接地极阻抗就地柜放置在直流场中，包括图1中的匹配变压器部分及相关除湿传感器加热器等，实物接线如图2所示。

图2 接地极阻抗监视系统就地柜

1.2 工程现场系统试验问题

2017年4月，晋南特高压直流输电系统工程进行现场系统试验。现场记录接地极阻抗监视系统测到的不同工况下接地极的阻抗数据见表1。

由表1数据可以看出，在系统闭锁条件下，接地极阻抗监视系统测量的接地极阻抗实部和虚部波动范围很小，能够准确测出接地极入地点预先串接的标准电阻。但是在系统解锁运行后，测到的电阻数据实部虚部都有较大的抖动，接地极阻抗监视系统的设计原则告警判据如图3所示。

表1 接地极阻抗数据

图3 接地极阻抗异常判据

式中，R标准一般默认为接地极线路入地点串联的标准电阻；I标准一般提前会被调校为0；Z死区一般小于50Ω。

接地极阻抗监视系统测到的接地极线路阻抗在解锁条件下波动幅度过大，导致其告警判据动作结果不能正确反应接地极线路的故障工况，这对特高压直流输电系统的正常运行存在重大隐患[6-9]。

2 接地极阻抗监视系统测量环节干扰因素分析

2.1 信号电缆接线方式

图1中信号电缆从主控楼经过换流变广场到直流场，与强电电缆都在同样电缆沟内，距离大概280m，其中传输的高频电流信号只有100～200mA，非常容易受到沿线强电信号干扰。

一般要求采用双绞双屏蔽线，其中要求外屏蔽层双端接地，内屏蔽层单端接地，保证对于高频外部干扰和低频外部干扰都有较好的防护效果。屏蔽层剥开一定要在信号电缆两侧屏柜内，否则过早剥开会导致剥开外漏的部分引入外部感应干扰[10]。

2.2 接地极阻抗监视就地柜接地方式

接地极阻抗监视就地柜被放置于直流场，主要包括匹配变压器及相关除湿传感器和加热装置，是连接一次侧接地极线路和二次侧接地极阻抗检测系统的重要环节。从图2中可以看出，最初设计有两个接地出线，图中左侧蓝色出线一根去了接地极线一次回路路，另一根接到了直流场一次地网；另一个接地出现为图2中的黄绿色细线，为行程开关接地、匹配变压器一次侧接地和屏蔽层接地串联起来，同样引线接到直流场一次地网。

按照上面这样的接地方式，接地极阻抗监视就地柜在直流场一次地网上存在多点接地，不可避免的存在环流，干扰了接地极阻抗监视系统测量环节的准确性[11]。

2.3 注波器参数

由接地极阻抗监视系统原理可知，系统将高频小交流电流通过LC串联注波器注入接地极线路上，要求注波器 LC参数能够通交阻直（主要通过13.95kHz的交流电流），隔绝接地极线路上直流系统对接地极阻抗监视系统的影响。

但实际生产调试过程中，LC参数不可能理想化，接地极线路以及中性线上的直流系统也可能通过注波器对接地极阻抗监视系统测量环节产生干扰。

3 接地极阻抗监视系统测量环节干扰因素解决方法

1）信号电缆

按照设计要求，改进了内外屏蔽层接线方式，按照外屏蔽层双端接地，内屏蔽层单端接地。同时，将屏蔽层剥线处转移到信号电缆两侧屏柜内部，保证信号电缆始终处于良好的屏蔽保护下。

2）接地极阻抗监视就地柜接线方式

接地极阻抗监视就地柜装置一次出线采用双点接地方式，地网中存在的微弱环流会对接地极线监视测量结果造成干扰，故调整接地极在线监测一次侧接线方式为一点接地：调整如图4所示，接地极阻抗监视就地柜装置接地线从一次出线孔引出后，直接引至设备杆段接地端子，保证该引出点仅一点接地。

3）注波器参数校正

一般电容生产后电容固定，现场只能对电感进行调节，使得注波器的 LC参数能够尽可能达到通交阻直并且最优先通过 13.95kHz交流小电流的要求。串联谐振频率计算公式为

图4 接地极阻抗监视就地柜接地方式更改

现场测量电容器实际参数后，调节电感L的参数使其满足谐振频率f在13.95kHz。

4）二次控保程序调节

针对以上3种导致接地极阻抗监视测量环节干扰因素被调整后，仍然会有小幅度的干扰，经系统试验实际测试，此时测到的电阻在标准阻抗附近波动范围明显变小，只有30Ω左右。

考虑到接地极阻抗监视系统告警延时为10s，阻抗死区范围一般几十Ω，相比较于直流系统中其他的控制保护部分，属于慢速非精确系统，此时对一次侧和测量环节再进行进一步的精确改进已经非常困难.在测量结果线路阻抗已经大幅优化情况下，可以考虑在二次控制保护程序中对相关测量数据进行优化处理，其中最有效的一种方法是，对60个执行周期（每周期16ms）采集到的数据进行求平均值，以此数据作为PI控制器的输入，如图5所示。

图5 60个周期平均值处理逻辑

4 结论

在晋南特高压直流输电工程中，系统试验开始时发现接地极阻抗监视测得接地极线路阻抗数据波动较大，影响相关功能使用，严重影响系统正常运行时的接地极线路故障工况监测。针对影响其测量环节的几个干扰因素进行分析，提出有针对性的改进方案，同时改进二次控保程序控制器对相关测量信号量的优化处理，最终实现了在接地极线路短路或者断路时的故障工况的及时准确检测，系统试验时接地极线路短路工况下检测结果如图6所示。接地极线路断路工况下检测结果如图7所示。

图6 接地极线路短路工况检测结果

图7 接地极线路断路工况检测结果

由此可知，经过对接地极线路阻抗监视系统测量环节的干扰进行有效处理，极大地改善了系统监视能力，同时在控保系统对测量信号进行优化处理，系统能够稳定可靠持续的对接地极线路工况进行监视。改进后的接地极阻抗监视系统已经顺利投入运行，为晋北-南京±800kV特高压直流输电工程的稳定可靠商业化运行提供了坚实的保障。

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