考虑接地回路影响的回路电阻测量仿真

刘 赛，陈 昊，郭昊旻，张远航，李 正，蒋伟毅，周 程，王俊成

（1.国网江苏省电力有限公司检修分公司，江苏 南京211102；2.国网福建省电力有限公司厦门供电公司，福建 厦门361004；3.国网江苏省电力有限公司昆山市供电分公司，江苏 昆山215300）

0 引言

当前，电力系统规模在不断扩大，电网内设备的电压等级也在不断升高，因此对于变电站内设备的稳定可靠运行的要求也越来越高［1-3］。高压断路器和高压隔离开关是变电设备中应用最为广泛的重要变电设备，在改变系统运行方式、隔离电源、停电检修中均起着重要作用［4-7］。然而，当前逐渐普及应用的气体绝缘金属封闭开关（Gas insulated switchgear，GIS）设备的全封闭特点会导致变电运检人员无法有效发现和处理其部分设备缺陷［8-10］。高压断路器触头的表面被电弧烧蚀损坏、接触压力不够等导致主接触电阻异常增大，进而引发其他故障，并且断路器合闸电阻在多次动作后，会因大电流作用而发生变化甚至损坏［11-12］。隔离开关的导电回路接触电阻会因动静触头表面氧化、触头压力不足等原因逐渐增大，引起触头发热，严重时会发生熔焊产生拉弧，引发事故［13］。另外，当变电站内电气设备导电回路连接件的搭接面接触不良时，其接触电阻将会增大，引起搭接处发热，严重时会引发设备运行异常甚至引发电网停电事故［14-15］。

以上故障隐患一般都由电气设备导电插件或搭接面的电阻偏大引起，而一旦出现上述问题，往往需要限制负荷、必要时还应安排紧急停电进行处理，严重降低系统运行的灵活性和可靠性［16-17］。因此开展变电站内设备导通回路及搭接面的电阻测量具有必要性，而且在电力系统中诸多大电流电气设备的预防性试验、交接试验以及例行试验中均需要准确测量回路阻值［18］。但是，在变电检修现场测量回路电阻过程中，常常会出现测量结果与实际不相符，而且回路电阻值试验重复性较差等情况。文献［19-20］针对回路电阻测试仪在校验、测量过程中出现的故障进行了分析并提出了相应的处理办法。文献［21］通过优化隔离开关回路测量试验接线，解决了变电站中强磁场干扰对测量回路电阻的影响。文献［22］则是对回路电阻测量数据进行验证和分析，从而得出正确的数据诊断结果，解决了测量数据重复性差的问题。文献［23］在对比了常规测量法和GIS 外壳电流回路法的基础上，提出了异相电流回路法并将其应用于GIS 设备主回路电阻测量，以提高GIS回路电阻测量的可靠性。

综上，目前变电检修中的回路电阻测量研究主要集中于故障原因分析、量测数据处理与测量方法改进方面，较少关注待测电阻两侧的接地回路对于测量结果的影响。因此，本文首先论述了回路电阻测量的基本原理及相关影响因素，接着从变电检修生产实际出发，研究变电站内设备间隔停电试验现场待测电阻两侧的接地回路对于测量结果的影响，基于Multisim 14.1对典型停电检修场景搭建了电气模型进行仿真分析，最终总结了接地回路对于测量结果影响的一般性结论。

1 回路电阻测量基本原理及影响因素分析

1.1 回路电阻测试基本工作原理

过去常常采用双臂直流电桥来进行回路电阻测量，然而其测量电流级数较小，同时在测量的过程中还容易受到动、静触点与油膜间氧化层的影响。因此，较难发现导电回路导体截面积减少的现象，而且阻值过大还会导致接触电阻真实值被掩盖。因此在当前的变电检修工作中，一般采用回路电阻测试仪来测量和显示断路器、隔离开关的回路电阻以及电气搭接面的接触电阻。同时，根据《电力设备预防性试验规程》的要求，测量断路器和隔离开关的回路电阻时，采用直流压降法，且电流不小于100 A。

目前，市场上大部分回路电阻测试仪均采用典型的四线制测量方法，图1 为回路电阻测试仪的常规结构［24］。该仪器可以产生100 A 到600 A 电流来实现测量工作，并可进行显示与存储。其能够在长时间避免脉冲式的电流内连续完成大电流的输出，分辨率可达0.01 μΩ。不但能击穿搭接处的氧化膜，而且可以实现电阻的稳定测量。在测试环境干扰严重的情况下，仪器的显示读数依然具有重复性和稳定性，测试结果也较为准确。

图1 回路电阻测试仪的常规结构Fig.1 Conventional structure of loop resistance testing instrument

式（1）中：Rx，Ux和Ix分别为待测电阻、待测电阻两端电压以及流经电阻的电流，U+，U-，I+和I-分别为电压线和电流线的正、负端。

回路电阻测试仪采用直流压降法，基本测量原理为直流电路的欧姆定律，如式1 所示。回路电阻测试仪基本原理图如图2所示。在仪器单片机的计算公式中的电压Ux取的是待测电阻两端的压降Ux，除以回路中的电流Ix，得到的Rx即为待测电阻的阻值，且不包括测试导线的电阻。具体地，仪器内高频开关电源输出大于100 A 的测试电流，将采样电路获取的信号通过放大器进行放大后。由A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，然后在微处理器内对数据进行滤波、运算及处理，最后送至液晶屏显示所用的测量电流及测得的阻值。

图2 回路电阻测试仪基本原理图Fig.2 Basic schematic diagram of loop resistance testing instrument

1.2 回路电阻测试的影响因素分析

根据回路电阻测试仪在变电检修中的接线方式可知，其测试回路主要包括导体、固定接触面和活动接触面的电阻。然而在具体测量过程中，其测量结果还会受到接地回路的影响。

1.2.1 导体电阻

一般情况下，回路电阻测试仪测得的电阻主要为导体本身的电阻，而导体电阻主要受到材料、几何特征和导体实时温度的影响［25］。而在实际测量时，其数值仅受温度的影响。导体直流电阻与温度的关系可以表征为式（2）。

式（2）中：RCu，t2，RAl，t2分别为铜导体和铝导体在t2时的电阻，RCu，t1，RAl，t1分别为铜导体和铝导体在t1时的电阻，KCu，KAl分部为铜导体和铝导体的温度系数。

不 妨 取t1= 25，t2= 30，易 得KCu= 1.019，KAl=1.020。可见，尽管导体电阻与温度成正比关系，但是由于测试过程中，温度相对稳定，实际阻值也几乎无变化。

1.2.2 接触面电阻

接触面电阻分为固定接触面电阻和活动接触面电阻两类。具体地，其又可分为集中电阻和表面电阻。集中电阻源于连接体两端导体形状差异导致的电流流线变化，影响因素只有导体形状。表面电阻的影响因素包含导体材质、接触面面积、接触压力、接触面的污染情况等。一般地，运行中设备的上述几个因素几乎不变，因此其固定接触面电阻几乎不会有太大变化。然而，尽管活动接触面的集中电阻相对稳定，但其表面电阻反映了活动面的数值，活动面接触压力的不稳定，也会导致活动接触面表面电阻的不稳定。

1.2.3 接地回路的影响

在变电检修过程中，为了保障人身安全，往往会在检修间隔内的检修设备两侧合上相应的接地刀闸或者挂接地线，以保障检修人员免受感应电的侵害。然而，接地刀闸合上后，接地回路的存在将会对设备导通回路电阻或者搭接面电阻的测量产生一定的影响。

35 kV 母线压变间隔如图3 所示，在对该35 kV 母线压变停电检修时，隔离开关将会打开，两侧接地刀闸合上以保障检修人员安全。此时，若对隔离开关的回路导体电阻或者对部分搭接排的电阻进行测试，接地回路将会对回路电阻仪的测量回路产生直接影响。图4 为隔离开关导通回路电阻测试接线图，此时回路电阻测试仪测量电流的计算方法如式（3）所示。仪器测得的电流不仅包括了流经待测电阻的电流，还包括了流经接地回路的电流。回路电阻测试仪测得的测量值R'x计算公式如式（4）所示，即为Rx与接地回路电阻Re1+ Re2的并联值。

图3 35 kV压变间隔示意图Fig.3 Schematic diagram of voltage transformer interval of 35 kV bus

图4 隔离开关回路电阻测试接线图Fig.4 Wiring diagram of disconnector loop resistance measurement

式（3）中：I为回路电阻测试仪所测得的电流，Ix为流经隔离开关回路的电流，Ie为流经接地回路的电流。式（4）中：Re1与Re2分别为两侧接地回路的阻值。

在变电检修过程中，由于认为接地回路的电阻较大（mΩ级），相较于所测量的μΩ级，产生的影响有限，往往可以忽略接地回路对于测量结果的影响。然而，此论断是出于定性的现场历史经验判断，而非定量的仿真结果。并且随着对于新建变电站的接地网电阻要求越来越高，在接地回路的电阻极小时，其将对回路电阻测量值产生的影响可能是不可忽视。另外一方面，当采用直流压降法对GIS 在长母线回路电阻测试时，往往需要拆除两侧接地排的一端，以消除并联支路对测量结果的影响。可见接地回路的影响将对长回路的电阻测量产生直接影响，所以学者们提出了分段检测、单/双电压表法结合、不拆解地线法等技术手段来提高测量效率和准确性［26-30］。但是，当前对于接地回路电阻的定量影响分析依旧处于空白阶段。

因此，本文立足于接地回路对回路电阻测试仪测量的影响这一实际问题，针对500 kV变电站内典型停电间隔场景，搭建常见设备的导通回路电阻以及搭接面回路电阻测试模型，并针对接地回路电阻进行灵敏度定量分析，总结归纳出接地回路对回路电阻测试影响的一般性结论。

2 算例仿真分析

2.1 算例描述

图5 为江苏某500 kV 变电站主变35 kV 设备区的电气接线，本文基于Multisim 14.1搭建电气模型，分别对1号低抗、2号电容器、1号站用变和I母PT间隔内设备进行仿真分析。考虑接地回路电阻的影响，测量部分隔离开关、断路器的导通回路电阻以及部分搭接面电阻，并针对接地网电阻进行相应的灵敏度分析。本文忽略导线的电阻，图中部分设备参数如下：断路器导通回路电阻为30 μΩ，隔离开关导通回路电阻为100 μΩ，接地刀闸为120 μΩ，电容器每相111.98 μF，低抗绕组每相50 mΩ，串联电抗器电抗为3.46 Ω，电感28.31 mH，直流电阻为25 mΩ，接地网电阻取100 mΩ。

图5 主变35 kV设备区接线图Fig.5 Wiring diagram of the transformer’s 35 kV equipment area

2.2 算例仿真

本文使用回路电阻测试仪测量隔离开关和断路器导通回路和待测搭接面的回路电阻，在Multisim 14.1软件中采用100 A 的恒流源，再辅以内阻为10 μΩ 的电流表和内阻为1 GΩ的电压表，实现回路电阻测试仪的功能。

2.2.1 1号低抗间隔

图6为1号低抗搭接面回路电阻仿真图，由于断路器导通电阻与搭接面回路电阻相近，因此这里仅对搭接面1在接地刀闸合分两种状态下分别进行回路电阻测量。测量值为Ix=100 A，Ux=2 mV，Rx=20 μΩ，结果表明实测值与测量值一致。尽管此时电流通过接地刀闸回路流经低抗绕组回到恒流源，但是由于低抗绕组直阻远大于20 μΩ，所以无论接地网电阻如何降低，搭接面回路电阻也不会受到接地回路的影响（这里将接地网电阻设置为0 mΩ 时，合上接地刀闸后，结果无变化）。

2.2.2 2号电容器间隔

图7为2号电容器间隔的回路电阻仿真图，这里分别对搭接面1与搭接面2分别进行回路电阻测试，结果表明：

1）搭接面1的回路电阻测试同1号电抗器间隔类似，由于串抗直阻（25 mΩ）的影响，无论接地回路的阻值如何降低，接地刀闸的合分状态均不会影响到回路电阻的测量值变化。

图6 1号低抗间隔搭接面回路电阻仿真Fig.6 Loop resistance simulation of the lap surface in No.1 low voltage reactor interval

图7 2号电容器间隔的回路电阻仿真Fig.7 Loop resistance simulation in No.2 capacitor interval

2）搭接面2 由于恒流源的一侧存在接地回路，其另一侧是电容器，电容的隔直作用使得接地回路电流无法导通，因此接地刀闸的合分状态也不会影响到回路电阻的测量值变化。

2.2.3 1号站用变间隔

图8为1号站用变间隔的断路器回路电阻仿真图，这里对断路器A 相的导通回路电阻进行测试。结果表明：

1）断路器A 相的回路电阻变换仅会受到接地刀闸A1 与A2 的分合状态影响，B、C 相的接地刀闸对其无影响。

图8 1号站用变间隔的断路器回路电阻仿真Fig.8 Loop resistance simulation of circuit breaker in No.1 station transformer interval

2）当接地网电阻为100 mΩ时，测量值为Ix=100 A，Ux=2.999 mV，Rx=29.99 μΩ，实测值误差几乎为0，即实际测量中，若接地网电阻较大时，回路电阻测量并不会受到接地回路较大影响。

3）为进行断路器回路电阻对接地网电阻的灵敏度分析，定义接地网电阻削减系数λe，如式（5）所示。λe表征了接地网电阻减小的尺度，采用该参数是为了能够更加直观地揭示回路电阻误差百分比与接地网电阻之间的关系。根据仿真结果所示，随着λe的增大，回路电阻的误差也在逐步增加，以致回路电阻测量的准确度难以保证。图9为1号站用变间隔的断路器回路电阻灵敏度分析图，可知在λe≤20 dB 时，断路器回路电阻误差不足0.20%，但是当λe＞30 dB后，回路电阻误差迅速上升，并且在λe=56 dB时，误差已经大于5%，此时对断路器的回路电阻的影响已经不可忽略。因此，当接地网电阻足够小的时候，接地网电阻必将对变电设备的回路电阻测量产生一定的影响。

图9 1号站用变间隔的断路器回路电阻灵敏度分析Fig.9 Loop resistance sensitivity analysis of circuit breaker in No.1 station transformer interval

式（5）中：λe为接地网电阻削减系数，Re为接地网电阻原始值，R'e为用于灵敏度分析的接地网电阻修改值。

2.2.4 I母压变间隔

图10 为I 母压变间隔的隔离开关回路电阻仿真图，对隔离开关A 相的导通回路电阻进行测试。结果表明：

图10 I母压变间隔的隔离开关回路电阻仿真Fig.10 Loop resistance simulation of isolation switch in voltage transformer interval of the bus I

1）隔离开关A 相的回路电阻变换仅会受到接地刀闸A1 与A2 的分合状态影响，B、C 相的接地刀闸对其无影响。

2）当接地网电阻为100 mΩ时，测量值为Ix=100 A，Ux=9.995 mV，Rx=99.95 μΩ，实测值误差为0.05%，即在实际测量中，若接地网电阻较大时，回路电阻测量并不会受到接地回路较大影响。

3）图11为I母压变间隔的隔离开关回路电阻灵敏度分析图，可知在λe≤20 dB时，隔离开关的回路电阻误差小于0.27%，但是当λe＞20 dB后，回路电阻误差迅速上升，并且上升速率比断路器回路电阻误差快，这是由于隔离开关的导通电阻远大于断路器的导通电阻。在λe=40 dB时，误差即达到了4.31%，而当λe≥50 dB时，误差超过了9%。因此，对于隔离开关的导通回路电阻而言，接地刀闸分合状态和接地网电阻的影响远大于对断路器的影响。

图11 I母压变间隔的隔离开关回路电阻灵敏度分析Fig.11 Loop resistance sensitivity analysis of isolation switch in voltage transformer interval of the bus I

3 结语

本文从变电检修工程实际出发，定量地研究设备停电间隔接地回路对设备导通回路电阻和搭接面回路电阻测量结果的影响，并对典型停电间隔搭建电气模型进行了仿真分析，得到以下结论：

1）待测回路电阻两侧均需存在能让接地回路电流流通的回路，接地回路才能够对测量产生直接影响。单侧接地回路时，电流在回路电阻测试仪的另一侧导通回路无法流通，此时回路电阻的测量准确度将不受影响。

2）当待测回路电阻的两侧存在直流电阻较大的电感型设备（串抗、低抗）或者电容型设备时，由于接地回路电流极小以及电容隔直作用，此时接地刀闸的分合状态将不会对回路电阻测量准确度产生明显影响。

3）若待测回路电阻两侧接地刀闸范围内无其他大电阻设备，那么接地回路将会对测量结果产生较明显的影响，并且随着接地网电阻的降低（新投变电站或者更为严苛的接地网电阻要求），其产生的测量误差将不可忽略。因此，需要在工程实践中予以关注，采取一端接地测量法、分段检测、不拆解地线法等改进的测量方法均能降低接地回路对测量结果的影响。