大型接地网工频测量仪器抗干扰能力评估研究

王 森,李志忠，胡晓晖，谭 波，时卫东

(1.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西 西安 710100；2.武汉市康达电气有限公司，湖北 武汉 430070；3.中国电力科学研究院，北京 100085)

电力系统中，接地网是保障电力系统安全运行的重要设备，为系统发生短路故障或遭受雷击故障时提供电流泄放通道。因此，对接地网的安全性能评估显得非常重要[1-4]。目前，接地网的安全性能评估需要基于接地网工频特性参数的测量数据，包括工频接地阻抗、分流系数、跨步电位差、接触电位差、电位梯度分布等[5-7]。

DL/T 475—2017《接地装置特性参数测量导则》对接地网工频测量仪器的抗干扰能力提出了新的要求[8]，但是现行测量仪器的示值误差和抗干扰能力的评估缺乏有效方法及依据[9-11]。本文通过分析现场测量工况，并考虑不同测试仪的原理及结构的差异性，基于黑盒原理[12]，提出了一种在试验室条件下，定量评估接地电阻、分流向量、地表电位差等参数的干扰抑制能力检测方法。

1 工频干扰的影响以及干扰抑制能力

1.1 工频干扰抑制能力的总体要求

测量现场影响结果的干扰分为工频分量干扰以及高频分量干扰。由于大型接地网测量仪器测量的信号频率范围主要为45～55 Hz，对高频干扰具有较强的抑制能力，因此影响测量结果的主要因素为现场工频干扰。

假设被测参数的真实值为X，工频干扰为Y，仪器测量值为Xm。通常测试仪器对工频干扰进行衰减抑制，但在测量信号中仍有工频干扰残余量y。此测量误差用绝对改变量表示为Δ测，如式(1)所示；测量误差的相对改变量为δ，如式(2)所示。

Δ测=Xm-X

(1)

(2)

当测量值为接地电阻时，测量误差Δ测与工频地电压残余量y、试验电流Im的关系为：

(3)

当测量值为分流向量或地表电位差时，测量误差Δ测与工频干扰电流/电压残余量y的关系为：

Δ测=Xm-X=y

(4)

测量仪器对工频干扰抑制倍数k可定义为工频干扰Y与其参与量y之比，如式(5)所示：

(5)

干扰抑制能力的分贝数K可定义为：

(6)

在接地网工频特性参数的现场测试中，干扰引起的改变量不超过真实值的5%～10%是可以接受的。则有：

(7)

因此，测量仪器的干扰抑制能力k必须满足：

(8)

基于干扰等效电路模型，在设定被测参数真实值为X的情况下，施加模拟工频干扰，使被测仪器误差改变值δ达到5%，记录干扰幅值Y。由于Y、X、δ都是已知量，可以通过计算测量仪器实际干扰抑制倍数k以及分贝数K，实现对测量仪器抗干扰能力的定量评估。

1.2 接地电阻测量地干扰电压抑制能力

测量工频接地电阻时，工频干扰主要是大地中的不平衡零序干扰电流Id。其与试验电流Im叠加，造成测量误差。地干扰电流Id流过被测接地电阻R，并在电压极上形成工频地干扰电压Ud：

Ud=R×Id

(9)

如果测试仪对地干扰电压抑制能力为kE，那么被衰减后的干扰电压ΔU为：

(10)

则引起的电阻改变量ΔR为：

(11)

相对改变量δE为：

(12)

由式(12)可知，测试仪工频地干扰抑制能力kE越强，试验电流Im越大，干扰引起的误差越小。

由于接地电阻测量原理不同，测试仪输出的试验电流也不同。通过施加模拟干扰电压Vd，测量测试仪的实际输出电流Im和干扰引起的电阻改变量ΔR，并采用式(13)计算测试仪的标称干扰抑制比kE：

(13)

测试仪标称干扰抑制比的分贝数KE可表示为：

KE=20×lgkE

(14)

测试仪在现场实际的干扰抑制能力为标称干扰抑制能力与实际输出试验电流的乘积。

1.3 分流向量测量干扰电流抑制能力

测量分流向量In时，流过柔性罗氏线圈的工频干扰电流I0会引起测量误差。如果测试仪的工频电流抑制能力为kC，则工频干扰电流ΔI及测量误差δI分别为：

(15)

(16)

测试仪工频地干扰抑制能力kC越强，试验电流Im越大，则干扰引起的误差越小。测试仪的分流向量测量值及工频电流抑制能力kC和分贝数KC分别为：

(17)

KC=20×lgkC

(18)

1.4 地表电位差测量干扰电压抑制能力

测量地表电位差u时，测量误差δu是由测量电极之间的工频干扰电压u0引起的。则残余工频干扰电压Δu及测量误差δu可表示为：

(19)

(20)

同理，测试仪的地表电位差测量及工频电流抑制能力kP和分贝数KP可表示为：

(21)

KP=20×lgkP

(22)

2 干扰抑制能力试验室检测方案

2.1 接地电阻地干扰抑制能力检测方案

接地电阻地干扰电压抑制能力试验接线如图1所示。

图1 接地电阻地干扰电压抑制能力试验接线图 Fig.1 Wiring diagram of voltage suppression capability test for grounding resistance

图1中:RE为地网等效接地电阻；RC、RP分别为电流极和电压辅助接地电阻。通过隔离可调工频电压源，可以模拟地干扰电压。

此检测方案与JJG 366—2004的检测方案存在以下差异。

①RE需要使用大功率标准电阻，能够承受被检测试仪3～50 A的额定电流，且准确度等级不低于0.2级，以满足被检测试仪精度为1%的要求。②在进行干扰抑制能力试验时，RE的检测点取值为0.1 Ω、0.2 Ω、0.5 Ω等，施加模拟干扰为5 V、10 V、20 V的电压。只有采用以上电阻、电压的组合，而非仪器量程的上限进行干扰抑制能力试验，才能模拟现场测量的真实工况。③考虑在不同土壤电阻率情况下辅助电极可达到的接地电阻值，辅助接地电阻RC取值为50 Ω，RP取值为100 Ω，而非500 Ω～5 kΩ。

首先，设定等效接地电阻值RS，并记录无干扰情况下仪器示值RX，按式(23)计算示值误差ΔR。

ΔR=RX-RS

(23)

然后，通过50 Hz交流隔离可调恒压源在EC、EP之间施加模拟干扰地电压Ud；逐渐增大Ud，直至RX的改变量达到RE×5%，或达到Ud的最大值，记录对应的UX、ΔR及Im，按式(13)、式(14)分别计算被检仪器的kE及其分贝数KE。

2.2 分流向量干扰抑制能力检测方案

分流向量测量系统电流抑制能力检测方案包括标准三相功率源以及被检总电流测量装置和分流向量测量装置。分流向量干扰电流抑制能力试验接线如图2所示。

图2 分流向量干扰电流抑制能力试验接线图 Fig.2 Wiring diagram of shunt vector interference current suppression capability test

标准三相功率源用于输出试验电流，并可独立调节电流极的各相角。三相电流输出分别为总电流I1、分流向量电流I2和工频干扰电流I3。被检总电流测量装置与分流向量测量装置分别为主机和从机，需要通过无线通信交换数据或指令进行工作，同时需要卫星授时信号或者无线信号作为测量时的时间同步信号。主机与从机通过无线通信，将分流支路的电流幅值和相对时差返回至主机，通过计算获得分流向量的幅值和相位，以完成分流向量的测量。分流向量测量范围应涵盖20 mA～20 A，精度不低于2%。从现场实际工况来看，分流向量测量值不超过1 A，角度涵盖0°～360°四个象限，常见的工频干扰电流为1～20 A。因此，从工况要求考虑，检测方案选取的分流向量干扰电流抑制能力试验功电流设定值如表1所示。

表1 分流向量干扰电流抑制能力试验功电流设定值 Tab.1 Shunt vector interference current suppression capability test power current setting value

将分流向量测量系统与标准三相功率源按图2示例接线，按表1设置三相标准校准源或被检功率源输出电流I1、I2。以I1为基准相位，设定I2的相角为θI2-I1，I3输出为0。分别记录被检测试仪与分流向量测量装置的电流示值和相位示值，按式(24)、式(25)计算相关示值误差。

ΔI=IX-IS

(24)

Δθ=θX-θS

(25)

在分流向量示值误差试验的基础上，选择合适的I3，记录被检分流向量测量装置的电流示值改变量ΔI，并按式(17)、式(18)分别计算分流向量干扰电流抑制比kC及其分贝数KC。

2.3 地表电位差干扰抑制能力检测方案

地表电位差测试仪的干扰电压抑制能力试验室检测方案中，需要使用的标准装置有标准功率源和标准分压器。其中，标准分压器模拟地表电位差，工频隔离电压源产生模拟的干扰电压。地表电位差干扰电压抑制能力试验接线如图3所示。

图3 地表电位差干扰电压抑制能力试验接线图 Fig.3 Wiring diagram of ground potential difference interference voltage suppression test

本检测方案选取的模拟地表电位差和干扰电压设定值如表2所示。将被检地表电位差测试仪、标准功率源、分压器以及工频隔离电压源按图3接线。首先，设定工频隔离电压源输出电压为0，按表2设定模拟地表电位差US，记录测试仪的示值UX，按式(26)计算示值误差。

表2 地表电位差干扰电压抑制能力试验电压设定值 Tab.2 Test voltage setting value of ground potential difference interference voltage suppression ability test

ΔU=UX-US

(26)

在地表电位差示值误差试验的基础上，选择合适的U0，记录被检地表电位差测试仪的ΔU，按式(21)、式(22)分别计算kP及KP。

3 干扰抑制能力试验及分析

3.1 检测方法、设备及标准装置

按相应的检测方案，对不同测量原理、不同结构形式的大型接地网测量仪器，进行了示值误差及干扰抑制能力的试验室检测。

本研究选取了不同厂家的三套大型接地网测量仪器。设备一是基于异频法测量原理的集成一体式测试仪，可以测量接地电阻和阻抗，但无法测量分流向量和地表电位差；具有自动测试流程，测试频率为固定的45 Hz和55 Hz。设备二是基于异频测量原理的分体式测试仪，由变频恒流源，异频电压电流表及分流向量测试仪组成，可以独立设定变频恒流源及测量设备的工作频率，并自动完成接地电阻、阻抗、分流向量、地表电位差等参数的测量。设备三是基于工频倒相增量法的测试仪，由工频接地阻抗测试仪、分流向量测试仪、地网电压测试仪等设备组成。其中，工频接地阻抗测试仪既可以直接测量接地电阻、阻抗，又可以作为独立工作的程控恒流源，配合完成分流向量、地表电位差等参数的测量。本文采用的试验室标准装置设备信息如表3所示。

表3 试验室标准装置设备信息 Tab.3 Laboratory standard equipment information

3.2 接地电阻地干扰抑制能力试验

首先，对不同设备进行接地电阻的示值误差试验，将三种设备按照图1接线。在不施加工频模拟干扰的情况下，首先将大功率标准电阻分别设置为0.1 Ω、0.2 Ω和0.5 Ω，开启测试仪并设定其额定电流为3 A，进行相关测试并记录测量数据。对不同设备进行地干扰电压抑制能力试验。接地电阻地干扰电压抑制能力试验数据详见表4。在示值误差试验的基础上，将接地电阻和模拟地干扰的电压组合分别置为0.1 Ω/5 V、0.2 Ω/10 V和0.5 Ω/20 V，开启测试仪并设定额定电流为3 A，进行相关测试并记录测量数据，并根据公式计算干扰电压引起的示值改变量。按照相关公式，基于3 A电流计算干扰抑制比及其分贝数。

从表4中的数据可以发现，三个设备都具有不同程度的干扰抑制能力，可以满足现场不同干扰条件下接地电阻、阻抗的测试。相比误差改变量，使用干扰抑制倍数或分贝数可以更直观地反映不同测试仪器的干扰抑制能力。

表4 接地电阻地干扰电压抑制能力试验数据 Tab.4 Test data of voltage suppression ability of grounding resistance to ground interference

3.3 分流向量干扰电流抑制能力试验

对具有分流向量测量功能的不同测试设备，本研究进行了分流向量示值误差和干扰电流抑制能力的对比试验。首先，在不施加模拟工频干扰电流的情况下，参照表1选取不同电流幅值及相位组合作为标准值，按照图2接入设备二与设备三，启动测试仪并记录数据，进行相关公式计算误差。分流向量干扰电流抑制能力试验数据如表5所示。在示值误差试验的基础上，分别施加1 A、5 A、10 A的模拟工频干扰电流，开启测试仪对不同测量设备进行测试并记录测量数据；通过相关公式，计算干扰电流引起的示值改变量、干扰抑制比及其分贝数。

表5 分流向量干扰电流抑制能力试验数据 Tab.5 Test data of shunt vector interference current suppression capability

从表5中的数据可以发现，在无干扰情况下，设备二与设备三的测量误差均满足2%的精度要求。由此可知，在工频干扰电流幅值逐渐增大的情况下，设备的测量误差也随之增大。设备二的误差改变量为0.9～4.7 mA，相应的干扰抑制倍数为1 100～2 100倍，分贝数为61～67 dB。设备三的误差改变量为0.7～3.1 mA，相应的干扰抑制倍数为1 400～3 200倍，分贝数为63～70 dB。由此可见，设备二和设备三都具有较强的干扰电流抑制能力。其抑制能力的差异可以通过干扰抑制倍数或其分贝数直观地体现。

3.4 地表电位差干扰电压抑制能力试验

对具有地表电位差测量功能的不同设备，本研究也进行了地表电位差示值误差和干扰电压抑制能力的对比试验。首先，在不施加模拟工频干扰电压的情况下，参照表2选取不同地表电位差作为标准值，按照图3接入设备二与设备三，启动测试仪并记录数据，通过相关公式计算误差。地表电位差干扰电压抑制能力试验数据如表6所示。

表6 地表电位差干扰电压抑制能力试验数据 Tab.6 Test data of ground potential difference interference voltage suppression ability

在示值误差试验的基础上，分别施加10 mV、20 mV、50 mV、100 mV的工频干扰电压，开启测试仪进行测试并记录测量数据。计算干扰电压引起的示值改变量、干扰抑制比及其分贝数。

从表6中的数据可以发现，在无干扰情况下，设备二与设备三的测量误差均满足1%的精度要求。由此可知，在工频干扰电流幅值逐渐增大的情况下，设备的测量误差也随之增大。试验数据显示：设备二和设备三的误差改变量均不超过0.2 mV，相应的干扰抑制倍数为500～1250倍，相应的分贝数在54～62 dB之间。由此可见，设备二和设备三的干扰电压抑制能力相当，可以通过干扰抑制倍数或其分贝数直观地体现。

4 结论

本文通过分析测量现场工况，同时考虑不同测试仪的原理及组成结构的差异，基于黑盒原理提出一种在试验室条件下，定量评估接地电阻、分流向量、地表电位差等参数的干扰抑制能力检测方法。同时，对不同厂家的几种测量仪器的干扰抑制能力进行了试验室检测，用干扰抑制倍数或其分贝数直观描述了不同测量仪器的实际抗干扰能力，验证了该方法的可行性与有效性。