（电气工程专业论文）大型地网接地技术的研究.pdf

浙江人学顺i 。论文 郜矬1 9 摘要 摘要 伴随着接地技术在各个领域得到更为广泛的应用，愈来愈显示出接地技术的重要性。 但是如何简便、准确地测量大型接地网的真实接地电阻是长期困扰电力工作者的一大难 题。本文对国内外现有或正在研究的测量方法进行了分类，分析了测量地网接地电阻干扰 的主要来源，并首次全面地对各种方法的原理、特点、测试电流、消除干扰能力和测试结 果进行了比较分析、总结归纳，方便后来者研究应用。 通过数学推导和实例，围绕消除地网不平衡电流、电压极电流极引线问互感电压、高 频干扰等问题，分析了三极法、四极法结合倒相法测量接地电阻的抗干扰能力和测量过程， 并总结了实际测试经验。研究论证了被一些研究者错误理解的关于大型地网接地电阻是阻 抗、四极法及其倒相法测量结果为阻抗等问题。 结合理论和实践经验，着重讨论了四极法辅助极距离、大电流电源、地网测量点、测 量线的选择等问题。比较分析了电流电压极反向布置、在水平双层和垂直分层或三层土壤 结构中接地电阻测量的误差和解决办法。通过理论和实践证明了四极法适用于电流、电压 极按三角布置测量接地电阻，并纠正了其他文献关于四极法存在固有误差的问题，得出四 极法的固有误差和三极法一致的结论。 关键词：地网接地电阻测鼙三极法四极法倒相法不平衡电流 高频干扰互感电乐 兰坠坚三f _ 。 一 墅垡型 塑至叁堂堡土堡芝 a b s t r a c t w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o no fg r o u n d i n gt e c h n i q u e ，i t s i m p o r t a n c ei sg r a d u a l l ys h o w e du p b u th o wt om e a s u r eg r o u n d i n gr e s i s t a n c eo fl a r g e g r o u n d i n gg r i ds i m p l ya n de x a c t l yi s a d i f f i c u l tp r o b l e mt oe l e c t r i cp o w e rs t a f fa l lt h et i m e t h i s p a p e r h a sc l a s s i f i e dm e a s u r i n gm e t h o d s o fg r o u n d i n gr e s i s t a n c ea th o m ea n da b r o a d ，a n dh a s a n a l y z e d i n t e r f e r e n c ef a c t o r s d u r i n g m e a s u r e m e n t ，a n dh a ss u m m a r i z e dp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i ca n dm e a s u r i n gc u r r e n ta n ds oo n o fv a r i o u sm e a s u r i n gm e t h o d s r e c u r r i n gt om a t h e m a t i cf i g u r ea n de x a m p l e sa n da i m i n ga ts u c hq u e s t i o n sa su n b a l a n c e d c u r r e n ta n di n d u c e dv o l t a g ea n dh i g hf r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e ，t h i sp a p e rh a sn o to n l yr e s e a r c h e d a n t i - j a m m i n ga b i l i t ya n dm e a s u r i n gp r o c e s so fb o t ht h r e e e l e c t r o d em e t h o da n df o u r e l e c t r o d e m e t h o dw h i c ha r ec o m b i n e dw i t hr e v e r s ep h a s em e t h o d ，b u ta l s os u m m a r i z e da c t u a lm e a s u r i n g e x p e r i e n c e s f u r t h e r m o r e p r o b l e m se a s y t om a k em i s t a k ea r ed e m o n s t r a t e d ，f o r i n s t a n c e ， g r o u n d i n gr e s i s t a n c eo fl a r g eg r o u n d i n gg r i di si m p e d a n c e b a s e do nt h e o r ya n de x p e r i e n c e s ，t h i sp a p e rh a sd i s c u s s e dh o wt oc h o o s ea s s i s t a n te l e c t r o d e d i s t a n c e ，l a r g e c u r r e n tp o w e r ，m e a s u r i n gp o i n t s ，m e a s u r i n gl i n e s ，e t c 、i nd e t a i l o nt h eo t h e rs i d e ， m e a s u r i n g e r r o r so f g r o u n d i n gr e s i s t a n c ea n ds o l u t i o no f c u r r e n tv o l t a g ee l e c t r o d e sr e v e r s i n gh a s b e e nc o m p a r e dw i t hh o r i z o n t a lt w o l a y e r sa n dv e r t i c a ld e l a m i n a t i n g ( t h r e el a y e r ss o i l ) b e s i d e s ， i th a sb e e n p r o v e d t h a tf o u r e l e c t r o d em e t h o di ss u i t a b l ef o rm e a s u r e m e n to f g r o u n d i n g r e s i s t a n c e ，w h i c hd i s p o s e sc u r r e n te l e c t r o d ea n dv o l t a g ee l e c t r o d ea c c o r d i n gt ot r i a n g l e f i n a l l y t h i sp a p e rh a sc o r r e c t e do n e w r o n gp a r l a n c et h a ti n h e r e n te r r o r e x i s t si nf o u r e l e c t r o d em e t h o d k e yw o r d s ：g r o u n d i n gg r i d ，g r o u n d i n gr e s i s t a n c e ，m e a s u r e m e n t ，t h r e e e l e c t r o d em e t h o d ，f o u r e l e c t r o d e m e t h o d ，r e v e r s ep h a s em e t h o d ，u n b a l a n c e dck l r r e n t ，h i g hf r e q u e n c yi n t e r f e r e n c e ，i n d u c e dv o l t a g e 敏谢 邹建州 浙江大学颁l 论文 致谢 y5 8 1 13 9 写好这篇论文的最后一个字时，已是寒冬的深夜，外面很静、很冷，麻木的双腿和冻 僵的双手已不听使唤，却没有一点睡意。几年来艰难的求学过程，历历在目。从考试的准 备、休息f 1 的上课，一直到论文的写作，要兼顾好繁重的工作和学业，其中的艰辛，只有 亲历者彳能体昧。在这个过程中，承蒙许多人的帮助和鼓励，借此一偶，特表谢意。 首先感谢我的导师蒋静坪教授，他在繁忙的工作之余专门抽出时间对我这个“编外 人员”悉心指导，不仅仅是“授业解惑”，他丌朗的个性、严谨的学者风范更是深深地感 染了我。感谢给予我知识的所有老师，在此恕不一一列出。 感谢公司领导钟耀坤高级工程师的多次勉励。感谢李阳春博士、蒋晓明硕士、陈媚小 姐等同事的鼎力相助。 还要感谢我的妻子林芳女士和其他亲友，对我精神上的鼓励和生活上无微不至的照 顾，使得我能全身心地投入到工作和学习中去。 邹建明 2 0 0 3 年2 月于长兴项目生活区 束经妒一、写：灞弼意 勿笪义公布 第一章接地挫术综述 邹建叫 浙江人学坝十论文 第一章接地技术综述 1 1 概述 伴随着高度信息化社会的到来，工矿企业、楼堂馆所，甚至家庭住宅都f 在开始或即 将丌始进入自动化、智能化的时代。为了保证和提高这些现代化设施与设备工作的可靠性、 安全性，接地技术的利用是必不可少的。接地技术早就被广泛应用在电力、微波通讯、建 筑、气象以及家居等领域【2 ”叫6 1 。尤其是随着电力系统的发展，电网规模的不断扩大， 接地短路电流越来越大，各种微机监控设备的普遍应用，对接地的要求越来越高。对接地 装置不仅仅对工频接地电阻，而且对冲击接地电阻、热稳定、设备接触电位差、跨步电位 差、地电流干扰也有一系列的要求。从全国来看，由于接地装置的问题而引起的主设备损 坏、变电所发电厂停运等事故已有多次事例【2 7 9 】，极大地危害了电网的安全稳定运 行。 接地技术含有很多新的概念，具有综合性的学问。但是，还有不少人员甚至专业人员 仍然认为：接地只不过是将接地体埋入地下而已。的确，孤立地讨论保护用接地，或许i t j 以这样理解。但在当今高科技发展迅速、计算机、无线电使用非常普及的信息化时代，对 接地应该重新进行认识。特别应该充分注意到接地在电力、通信、无线电、气象及情报各 个领域的功能性作用，并将接地作为一门学科，系统地进行研究。接地研究的课题多，也 较为复杂。可喜的是，接地技术己得到国内外的重视，越来越多的研究成果得以发表。可 以预见，一个与电气、通信学科一样重要的“接地学科”时代即将到来1 7 】。 究其本质，接地的目的是为了在f 常和事故以及雷击的情况下，利用大地作为接地电 流回路的一个元件，从而将设备接地处限止为所允许的地电位升。地电位升的大小除与电 流的幅度和波形有关外，还和接地体的几何尺寸以及大地的电性参数有关。 应该说，接地技术不是一门“j 莆密”的科学口j 。这是因为：一是接地体的几何形状比 较复杂。二是地面下的地层结构非常复杂，且各地都不一致。如在使用“导线一大地”回 路测量接地电阻时，交流电在地中的分布范围可能相当大在这种情况下，磁场的作用达 到不可忽视的程度，影响地中电流的分布，地中电流受到的阻力，需加上一个与频率等有 关的阻抗分量：由于地的层状或剖面结构，都会影响地中电流的分布，即使被测接地体和 电流极间的距离为有限值，对于以不同的距离、不同的方向测量出的接地电阻亦不相同； 倘若存在一个可被极化的矿体，地的视电阻率就不是常数，而是一个随电流频率而变化的 浙江大学 i | j ：l 论文 邹建io 筘一章接地技术综述 值。这些测量中的异常现象，常常造成测量结果和理论计算不相完全符合。 发变电站按地系统一方面将故障电流流散到土壤中，另一方面使跨步电位差和接触电 位差限制在人体容许的安全范围，以确保设备与人身安全。接地电阻值是发变电站接地系 统的重要技术指标，它是衡量接地系统的有效性、安全性以及鉴定接地系统是否符合设计 要求的重要参数。出于土壤电阻率的各向异性与土壤电阻率测量值的误差，以及其他在规 程和计算中无法考虑的复杂地形因素，接地系统的接地电阻计算值虽然对设计有一定的指 导作用，但是施工完成后，还必须通过实测来确定其真实值【5 “】。目前，设计接地系统时， 经常采用等值电阻率来等效实际复杂的土壤结构，进行地网接地电阻的估算，其结果往往 是设计值与实际值相差甚远，在这种情况下更有必要对接地系统完成施工后的接地电阻进 行测量。接地电阻的测量是接地系统验收和运行过程中检查其合格与否的重要手段，也是 检验接地系统在电力系统发生故障时能否发挥作用的重要措施。如何简便、准确地测量发 变电站接地系统，特别是大型接地系统的真实接地电阻是长期困扰电力工作者的一大难题 7 _ 8 1 。 1 2 接地的重要性 由于地中自然电场和人工电场的影响，设备接地处的电位常常不是等于零。但通常不 会超过1 0 伏 3 】0 当有电流通过接地体流入地中时，设备接地处的电位会相当高。在大地短 路电流系统中，接地电位可能达2 0 0 0 伏及以上。在雷击时，接地体的电位可能达到数十 万伏，电流可达数十至数百万千安，时间却很短( 一般为数十微秒) 。由于接地体的电 位升高，会使设备受到反击过电压的作用，设备有可能因此而被击穿或引起误动作。电流 离于r 接地体在地中流散时，还会在地面上出现电位梯度。人体站在这样的地面上，有可能 受到接触电位差和跨步电位差引起的电击伤害。 “接地”是通过接地装置实现的。接地装置是接地线和接地极的总和。埋入地中并直 线与大地接触的金属导体，称为接地极。接地线是指电气装置、设施的接地端子与接地极 连接用的金属导电部分。 。接地”分为保护接地和功能接地。保护接地包括系统接地( 在电气装置中，为运行 需要所设的接地，如中性点直接接地等) 、设备接地、防雷接地( 为雷电保护装置，如避 雷针、避雷线，向地泄放雷电流而设的接地) 等。功能接地包括防噪音接地，防静电接地 ( 为防止静电对易燃油、天然气贮罐和管道等的危险作用而设的接地) ，标准电位接地、 第一章接地投术综述邹建l w浙江大学坝i 一论文 电气化铁路接地、广播通信接地等。由此可见，保护接地和功能接地的目的是不同的。 将发电、送电、配电、通信等设备接地，其主要目的是：防止故障电流危害人身和 设备；防止雷电流危害人身和设备：防止感应电流危害人身和设备；防止开关设备 操作过电压损坏设备：保证施工、运行人员和设备的安全等等。 1 2 1 保护接地 所谓保护接地，指电气装置的会属外壳、配电装置的构架和线路杆塔等，由于绝缘损 坏有可能带电，为防止其危及人身和设备的安全而设的接地。利用图卜1 可说明保护接地 的作用原理。 ( a ) 没有保护接地 ( b ) 相保护接地 图1 1 保护接地的作用原理 若电气设备外壳没有保护接地，如图1 一l ( a ) 所示。当发生单相碰壳时，外壳就带有相 电压。此时如人体触及外壳，就会有单相接地电流，d 通过人体，使人遭受触电的危险。 如果电气设备外壳装有蜾护接地，如图二l ( h l 虫口当发生同样的堕相碰壳故障时，外壳上 所带电压就不再是相电压，而是对地电压，即接地外壳、接地线、接地体等与“地”之间 的电位差，记为【，d 。且有 u h ，。，= ， j 1 r ，。， ( 1 1 ) 如果这时人体触及外壳，则人体与接地装置并联，单相接地电流将同时流入人体和接 地装置。通过人体的电流厶为 ，：尘：坠( 1 2 ) j 一 、一 ” r 。“+ r 式中，r 为人体电阻( q ) ，一般取1 5 0 0 q 卜3 1 。 由( 1 2 ) 式可见，接地电阻r 。d 愈小，通过人体的电流就愈小，最理想的就是接地 电阻为零，但实际上是不可能的。通常人体电阻比接地电阻大数百倍甚至更大。只要采取 有效措施使接地电阻足够小，就可使得厶。0 ，从而避免触电的危险。 浙江人学顺l 论文 郜建1 9 第一章接地投术综述 1 2 2 接地电阻 接地极或自然接地极的对地电阻和接地线电阻的总和，称为接地装置的接地电阻。接 地电阻的数值等于接地装置对地电压与通过接地极流入地中电流的比值。按通过接地极流 入地中工频交流电流求得的电阻，称为工频接地电阻；按通过接地极流入地中冲击电流求 得的接地电流，称为冲击接地电阻( 没有特别指明的接地电阻指工频接地电阻) 。接地电 阻包括四部分 ：接地体与设备间联线的电阻；接地体本身的电阻；接地体与土壤 接触部分的接触电阻；当电流由接地体流入土壤中时土壤呈现出来的电阻。 地中有工频电流流散时，工频电流在地中的分布与直流电的分布在原则上是有区别 的。但是，由于地的电阻率相当大，所以在计算接地体附近的电流时，由于感应电势引起 的电压降与电阻电压降比较起来，可以略去不计，故工频电流的接地计算可以用直流的接 地计算来代替。根据静电比拟法，直流电场的接地电阻计算可以用相应条件下静电场的电 容计算来得到。根据高斯定理、欧姆定律的微分形式及电阻、电容的定义可以推导得到口】 r ：丝( 1 3 ) f ? 其中85 s - 4 疗x 9 x 1 0 9 式中：r 接地体的接地电阻( q ) ：卜接地体的电容( f ) ； p 地电阻率( o m ) ；f 地的介电系数( f m ) ： r ，地的相对介电导数。 由式( i - 3 ) 可看出，接地体的接地电阻和它的电容成反比，比例常数p 和r 取决于地 的电学性质。由此提出了一个极为重要的物理概念：增大接地网的面积是减小接地电阻的 主要因素。同时也表明，接地电阻的大小与接地体的形状、布置方式、尺寸大小，尤其是 接地体周围土壤的电阻率有关。土壤电阻率的大小与土壤温度、含水率等因素相关，随着 季节的不同而变化。 1 2 3 接触电位差与跨步电位差 接地短路( 故障) 电流流过接地装置时，大地表面形成分布电位，在地面上离设备水 平距离为0 8 m 处与设备外壳、架构或墙壁离地面的垂直距离1 8m 处两点间的电位差， 称为接触电位差，记为u ；地面上水平距离为0 8 m 的两点间的电位差，称为跨步电位差， 记为以。 实验表明：距单根接地体约2 0m 的地方，散流电阻已接近于零，与之相对应的电 d 第一币接地技术综述 邹矬 浙江大学埘l 睑义 位也接近于零。电位为零的地方称为电气上的“地”。 所示。可得 u ，= u ，。，一u ， 式中，u r 为人脚所在点的电位。 接地体周围的电位分布曲线如图1 2 当人体电阻为如时，则通过人体的电流为 l b = u r 。由于r 6 已知，故厶的安全值取决于“的大小。 同理， u 。= u 1 一u 2 式中、u ，分别为两脚所在点的电位。 握 ( 1 4 ) ( 1 5 ) 图卜2 接地体周围的电位分布 1 2 4 接地电阻对计算机控制保护干扰的影晌“们 目前发电厂、变电所广泛应用d c s 、e c s 和微机保护等。这些都应用数字技术构成的 数字式控制、保护，具有模拟型控制保护所不能实现的一系列优点，且调试和运行维护简 便。但控制保护装置工作的环境干扰相当严重，雷击、系统故障、系统设备的操作以及控 制、保护装置的动作等一系列原因产生的过电压、过电流和浪涌干扰，经电压、电流互感 器的二次电缆或低压控制电缆侵入装置。这些干扰的特点是频率高、幅值大、持续时间短， 能通过各种途径侵入装置的电子电路，干扰计算机的正常工作，而且不能采用通常设备简 单延时电路来防止。 侵入计算机控制保护的有雷击干扰、丌合干扰、接地短路干扰和直流回路干扰四种。 其中直流回路干扰和开合干扰可以通过电路内部采取抗干扰措施得到解决，只有接地短路 电流和雷击电流流在电网上产生的电压降感应到二次回路和控制保护中的干扰受制于接 地网接地电阻的大小。若雷击或接地短路时电网上的电压降超过允许的电位升2 0 0 0 v ，必 然对设备和人身安全带来严重危害，计算机控制保护也会因干扰造成误动作。接地电阻越 郜矬i ! 笫一币接地挫术综述 大，地网压降感应的浪涌干扰越大，控制保护误动的可能性也越大。因此，尽可能使地网 接地电阻达到设计的要求值，实测应尽量准确。 1 3 接地装置的安全判据 对于大型接地网的安全判据、地网参数争论颇多，国内外的意见不尽相同，国内的规 程规定也不一样。归纳起来是三种意见：以跨步电位差和接触电位差作为地网是否合格 的判掘2 5 ，3 4 】；宜采用接地电阻和网格电压作为接地网的安全判掘m3 7 1 ；以接地f g n 、 接触电位差和跨步电位差综合判断接地网是否合格7 2 9 3 1 3 6 1 。 笫一种意见认为从源本意义上讲，限制接地电阻到一定数值，目的是保障人身和设备 的安全。而且接地系统的总接地电阻与可能遭受的最大冲击电流之间不一定存在简单的 关系：当人体接触设备时，人体可能承受的电压和诸多因素有关；接地网的总接地电 阻不能反映网络中局部的断丌和接触不良；许多事例表明，即使接地电阻达不到标准要 求，但一直来运行安全。 文 3 7 认为，接地电阻符合要求的地网仍发生控制设备因单相接地或两相接地故障而 烧毁的事例，调查表明是接地网内各点电位分布不均匀所致。为保证接地网的安全运行， 应该以控制地电位升高甚至主要以控制网内电位分布为主，充分考虑接地网电位梯度所带 来的危险。在美国变电所安全接地导则中，在对接触电位差、跨步电位差和网格电压进行 比较后，认为网格电压是影响安全运行的主要因素。因此建议，把地网接地电阻( 它决定 着地网的最大电位升) 和网格电压( 是人体站于或靠近接地网格中时，在接地网格内可能 出现的最不利的接触电压) 作为接地网的安全判据。同时介绍了网格电压的计算方法。 电力标准1 7 2 9 1 规定：有效接地和低电阻接地系统中发电厂、变电所电气装置保护接地 的接地电阻应符合 r r z 时，式( 2 - 2 1 ) 简化为 r g2 y ( 2 - 2 2 ) 由此分析，测量仪不需打辅助测量极和断开接地引线，可进行在线监测54 1 。同时钳表 法测得的是回路电阻，因此不但可测按地装置接地电阻值，还可以发现整个接地回路的接 触和连接情况。钳形表和接地摇表的对比情况，见表2 1 。另外需说明钳形表法测得的是 异频( 或高频) 回路电阻，不能简单认为测量得到的就是工频接地电阻，两者之削是近似 关系，需结合现场实情，分析所测接地电阻的误差特，世5 5 , 5 8 】。 表2 1 钳表法和接地摇表法的对比 h t 2 3 4i u 阻仪g e o xi u 阻仪接地摇表 测试j uj 8 0 v ( 正弦波)2 0 v 、4 8 v ( 町j 5 2 定)于摇发i u 机( 5 0 1 0 0 v ) 测试频；杠 1 2 5 h z9 4 、10 5 、i i i 、1 2 8 h z ( 口j 蹬定) 于摇频率( 1 0 5 i2 0 h z ) 十扰i u 胝 抗十扰2 0 v p p 口j 测量光此功能 十扰频半删量尤此功能 测量值精度车盘l 锸，稳定、重复性好稳定忡较好精度低，稳定忡、蓖复他差 多极接地i u m小艘线尤需打测量极小放线无需打测量极断开一j 线，放线，于j 测量饭 抗十扰有此功能何此助能七此功能 智能摊_ ；有此功能存此功能尤此功能 接地电阻测试仪体积小巧，电源方便，操作简单，适用于电线杆塔、微波塔、避雷针 等小型接地装置。研究表明5 5 , 5 8 j ，由于输出功率小或测试原理等方面的原因，接地电阻测 试仪不适合大地网的测试。因此导则推荐扣”，当接地装置的最大对角线较小，且工频接地 电阻值大于0 5o 时，也可以用接地电阻测量仪测量，但其电压极和电流极应按远离法和 补偿法的要求和置。 2 6 异频法 异频法也称变频法 7 3 , 7 5 。异频测量法使用变频电源，地网干扰经过选频滤波被消除。 即利用频谱技术首先测量地网干扰信号频谱，控制试验电源频率使之工作在未受干扰或干 6 第一二章接地j u m 测量方法的比较分析邹建i p浙江大学坝士论文 扰较小的频段上，采用计算机进行数据处理，可从测量结果中拾取电流电压的同相分量 并折算出地网工频接地电阻值。 图2 7 中g 为接地装置，p 、c 为电压、电流极， 变频电源s 向地网注入电流i ，电流互感器变一次 电流为二次电流i ，测量电网电压为u 。 异频法较关键的问题是变频电源和信号提取处 理技术。以往测量往往用三倍频( 1 5 0 h z ，图2 7 异颤法测量接地电阻原理圈 用饱和变压器零序输出) 【引】、信号发生器和功率放大器复合组成 9 8 1 。目前，采用电力电子 技术，利用正弦脉宽调制( s p w m ) 原理已研制出性能优良的异频功率源。 研究表明，地网的干扰信号比较复杂。图2 - 8 是未注入电流时，接地装置与电压极之 间测量到的干扰信号1 7 ”，可以发现5 0 h z 和1 5 0 h z 附近幅度最大，在3 5 h z 以下和 6 0 11 0 h z 之间趋近于零。图2 - 9 实线系地网干扰信号对接地电阻测量结果的影响，可见在 3 5 h z 到6 0 h z 、1 2 0 h z 以上的区域干扰电压影响大，在低频范围内地网接地电阻值随频率 的增加有缓慢上升的趋势。但国际大电网会议3 6 0 40 1 ( 变电站接地) 工作组( 1 9 8 2 年) 指出 i 隔 ，测量电流的频率与工频频率的偏差应丰1 0 h z ( 即测量频率4 0 6 0 h z ) ，偏离太大将产 生显著误差。 1 拿m 重 一o 0 0 图2 8 地网干扰的信号频谱图2 - 9 连续变频测量接地电阻结果 为了准确拾取有用信号，信号采集时，根据变频电源的输出频率确定每周期同定采样 n 点，便长度为n 的序列中包含1 个周期的有用信息。信息处理时，默认有用信号为基波， 用傅立叶变换，求出有用信号的幅值和相位。对于如何处理这些信号，产生了二种思路： 第一种是通过电压、电流间相位差或者是工频附近二个频率源下的测量值的计算，消除引 线间的互感电压( 包括接地电阻电抗屁的电压分量) 7 5 , 8 0 o 如j d - i i 型接地电阻测量仪； 第二种是通过工频附近二个频率电源下测得的接地电阻，利用插值法计算出工频下的接地 电阻值( 包括电流、电压引线削的互感) 【7 6 ”j ，如d z y - 5 a 、j d l 6 型测量仪。 异频法的优点是设备轻小、电流引线细、操作方便，且能比较有效消除地网中的工频 浙江人学坝十论文 郜建! i第二章接地f u 阻测量方泣的比较分析 及高频干扰。第一种思路的方法能消除引线间的互感电压，但测得的接地电阻值为纯电阻。 第二种方法不能消除引线问的互感，必须借助电压电流极成】8 0 。( 或9 0 。) 布线或计算引 线互感抗或放置电压、电流极引线，来测量按地装置的电阻和电抗分量。如何利用第二种 方法，并与其他方法( 如四极法等) 相结合，来消除引线f 自的互感，是值得研究的问题。 2 7 瓦特表法 瓦特表法就是采用三极法的工作原理，通过测量电流和功率求得接地电阻 r c ? = 音 ( q ) 式中j p 一接地电阻上的有功损耗( w ) ；卜一输入接地 装置的交流电流有效值( a ) 。 图2 1 0 为测量原理图，r g 一接地装置的接地电 阻； 月f 一电压极的接地电阻i 月，电流极的接地电 阻： 一电流回路与电压回路之间的互感。 通过推导可得【6 9 7 】 p = ( p + p “一2 只) 2 u = ( ( ，甲+ ( u 8 ) 2 2 u , ； 2 ( 2 2 3 ) 图2 1 0 瓦特表法测警接地电阻原理图 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ，= 【( ，) 2 + ( ”) 2 2 1 j 2 ( 2 - 2 6 ) 式中u o 、o 、不加测试电源的于扰电压、电流和功率； u7 、，7 、p7 加测试电源后测得的电压、电流和功率： u ”、，”、p ”反相加测试电源后测得的电压、电流和功率。 将式( 2 - 2 4 ) 、( 2 2 6 ) 代入( 2 - 2 3 ) 式，即可求得接地装置的接地电阻r g 。 所谓的功率因数表法，即在三极法的基础上，加接功率因数表，测量原理与瓦特表法 相似，不再赘述。 瓦特表( 包括功率因数表) 法的优点是测量原理简单明了、试验操作简单、测量数据 少、计算方便。能消除测量引线间互感的影响，结合倒相法，能有效消除地网中各频率成 分( 包括直流) 的干扰电压。同时测量电源容量可适当降低( 根据干扰的大小) ，且不受 电源波形或非工频干扰成分的影响刚。因此，水电厂接地设计导则 2 0 1 推荐了陔测量方法。 但瓦特表法的缺点也非常明显，一是瓦特表的内阻月w 不能比电压极的接地电阻r r 大许多 第二章接地u 阻测量方法的比较分析邹锉f p浙江人学坝= l ：论文 ( 如r h ， 5 0 r r ) ，以致实际需按下式来修i f j d 吲1 + ( 2 - 2 7 ) 实践中r 5 0 r r 的条件非常难满足( 为保证足够的微分力矩，瓦特表电压线圈的r e 流 必须足够大，一般有3 0 、5 0 和l o o m a 三种。若额定电压为1 0 0 v ，则内阻分别为3 3 3 、2 ，0 和1 o k q ) 。同时r wd 、，使得电压回路中有电流流过，也改变了原来电流在地中的电场分 布使测量结果偏小f 】。另外，误差还取决于表计( 主 要是瓦特表) 上偏转大小7 0 1 ，如图2 1 1 ，当瓦特表偏转 格数大于5 至1 0 格( 满表7 5 格) 时，其误差将稳定在 较小的水平上。这与实际测量也是相符的4 1 。还有，如 果电压极引线上的互感电压足够时，瓦特表的电压线圈 ( ) 误 差 5 偏转格数 中电流与f 巳流线圈中的电流之间的相位差v 可能很大， 圄2 - 1 1 测试误差与表计偏转格数的关系 存在超过瓦特表标定“功率因数c o si l r ”的限值而引入额外误差。因此，指针式瓦特表法 的应用受到限制，有文 7 1 建议选用数字式功率计。二是外接电流互感器变换后，带来一 个附加误差，模拟测试可达5 左右【7 0 】。三是瓦特表测量值是纯阻性量，对大型地网来说， 所测数据将偏小。通过以上分析，瓦特表法测量接地电阻值将明显偏小，但许多实例8 7 “4 】 测量结果反而偏大，有待于进一步分析研究。 2 8 基于白噪声、高阶谱的方法 白噪声法是以白噪声发生器为电源，用双通道频谱分析仪对电压信号和电流信号进行 分析处理，从而求出接地电阻的一种方法，图2 - 1 2 为其原理接线图。所谓白噪声就是其功 率谱密度在所有频率上都为常数，具有平坦的功率谱密度。具有高斯分布的白噪声叫做高 斯白噪声。白噪声是一种频率非常宽的信号，可以覆盖所有的干扰频率，双通道频谱分析 仪以快速傅立叶变换( f f t ) 为基础，可以得出被测接地网接地电阻的频谱图。图2 - 1 3 为 经双通道频谱分析仪输出的接地装置接地电阻的幅频特性，如果没有干扰则幅频特性将是 一条直线，此时电压和电流的相干系数为1 ，如果有某一频率的干扰，则在该频率处的幅 频特性上将出现尖锋，此时相应的相干系数就会下降。尖锋处的实际值可利用幅频特性曲 线的平滑性用插值法求得，也可按相干系数对幅频特性进行线性回归后求出。 如果地中仅存在有限个谐波信号干扰时，可利用以上介绍的办法。但当测试回路中存 浙江人学顺i 。论义 郜业1 州 笫二币接地i u 阻测量方法的比较分析 在有高斯分布干扰信号时，将引起测量误差，并且当高斯分布干扰信号较大时，如信噪比 为1 ，即当信号源与干扰功率相等时，则会出现4 1 4 的误差8 2 】。这种误差是无法采用对 幅频特性进行线性回归消除的。倘若采用噪声相减的方法，即先测出不加白噪声测试源时 的干扰电压功率谱，再测出；d r l j ：白噪声测试源时的电压功率谱，两者相减得出接地电阻的 电压功率谱，当干扰比较大时，其功率谱方差也很大，使得测量误差大大增加。 1 白噪声发生嚣i 磊。一习1 r 铲一嗬 图2 一j 2 自噪声法原理接线图图2 1 3 自噪声法接地电阻的幅频特性 鉴于此，文 8 3 1 提出了基于高阶谱的测量方法。即利用非高斯信号的高阶谱非零，而 高斯信号和谐波信号的高阶谱为零来消除高斯噪声的影响。干扰信号一般可以分为高斯干 扰、非高斯干扰和谐波三种，分析认为地中的主要干扰为谐波干扰和高斯分布干扰。为了 使用高阶谱限制这二种干扰，选用非高斯白噪声作为功率源。将三阶累积量一维对角切片 的傅立叶变换定义为i ! d 谱，并作为信号处理的工具。通过理论分析和计算机仿真，认为 基于高阶谱的方法对于高斯噪音和谐波干扰是不敏感的，可以消除高斯噪音和谐波干扰。 从理论分析来看，基于白噪声、高阶谱的方法对于消除地网和外来高频的干扰是比较 有效的，但并没有涉及如何消除测量引线问互感的问题。同时，测量结果为接地装置的纯 阻性分量。至于在实践中还存在什么问题，现有资料尚没有作进一步的探讨。 2 9 双电位极引线法、附加串接电阻法和电位极引线中点接地法 双电位极引线法原理如图2 1 4 ，r 一外接的辅助电阻；e ，、局一引线上感应电势。实 践中易做到双电位极引线是对称而平衡的，即对电流极引线、对大地均对称，那么 e = e ? = 。一般情况下感应电势相位与所注入的测量电流差9 0 ”，也即与地网的电位升、 j r 上的压降衄均差9 0 。可以写出下列关系式 u d = ( 朋) 2 + ( e ，一e ，) ! = ( 肌) 2 ( 2 2 8 ) 第一章接地i 乜阻测量方法的比较分析 邹矬w 浙江人学坝一l 论文 u , i = ( u l2 + u 。+ e 2 ( 2 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) u 2 、j 、明j 可由高内阻电压表测出，通过推导且根掘接地电阻r g = u u i , 不难得到 r ，j = ( 嵋一u 当一u ：) 2 i u ： ( 2 - 3 1 ) 该方法巧妙利用了二根电压引线的对称性，实践证明，方法是可行的 8 7 j 。通过推导分 析，不难发现可以消除电压极引线互感和地网电流的干扰且能消除容性感应误差。不足 之处是该方法只适合地网基本上呈阻性的场合：当引线感应电压或地网干扰电流比较 大时，需提高信噪比，即需要加大测量电流时，既要求辅助电阻的功率要大，又要求它的 阻性稳定，选择比较困难；试验时需布置两根对电流极引线、对大地对称的电位极引线， 且测量点在远离升压电源的电压极处，对通信联络要求高；对外柬高频干扰的敏感情况， 有待进一步研究。 图2 14 双电位极引线法原理图图2 15 电位极引线中点接地法原理图 在双电位极引线法的基础上，又提出了附加串接电阻法【8 9 】和电位极引线中点接地法 8 5 1 。附加串接电阻法的原理与图2 1 4 相似，仅取消了一根电位极引线( 接地装罱直接引 出线) 。计算公式与式( 2 - 3 i ) 一样。通过这种方法可消除测量引线问互感的干扰，但如 地网中有干扰电流，则须结合倒相法来消除。该方法尽管要求简单一些，即不需两根对称、 平衡的电位极引线，但缺点是除了双电位极引线法不足之处的第、点外，倒相法 的引入因测量数据增加、计算复杂，而加大了传递误差。 电位极引线中点接地法不需外接辅助电阻和对称平衡的双电位线。原理图2 一1 5 所示。 将电压引线的中点2 经丌关k 1 和辅助电极f 接地，则电压引线1 、2 段和2 、3 段的感应电 势相等。当k l 合上、k 2 断开时，用高内阻电压表测出卜n p ：当k i 断开、k 2 合上时， 测得蝶，。用矢量关系推导可得 r ：竖三鱼 ( 2 3 2 ) ， 2 ( k i + v 。z ) 一( ，) 2 塑幽墨芝型旦垄型l 一一 ! ! 些l 塑 塑兰至堡些坐坐塑堑立鲨堕些丝坌堑 如果地网存在不平衡干扰电流，可结合倒相法消除。 该方法能消除测量引线互感的影响，结合倒相法可消除地网中不平衡电流的干扰。缺 点是除了辅助电阻外，其他与附加串接电阻值一样。同时浚方法要求， p 知，且相差愈 小，读数误差对式( 2 - 3 2 ) 的计算结果影响愈大。另外，实践中最难的问题是中点“2 ， 如何确定，实际上几何中点并不就是m 2 点，因为各段线路互感并不是完全相等的，5 芝 8 6 提出解决的办法，但相当复杂，不太适合推广应用。 2 1 0 多电极法 岛 所谓多电极法指在被测接地装置四周布置多个电流 极。图2 1 6 所示，g 为被测接地装置；c 1 、c 2 、c 3 、c 4 g 为电流极；p 为电压极。采用多电极法的优点有： 1 ) 多电极布置为入地电流提供了多个通道。地中电 流的分布范围更广，与真实的电流场分布更加接近， 因而测量的电阻更接近真实性。 图2 16 多极法布置示意图 2 ) 测量的接地电阻误差更小。假设图2 1 6 布置的四周土壤电阻率p 是均匀的，且总 电流i 均匀流入c 1 一c 4 ，那么测量误差 r ：啦! ：坠：塾立监：坐= 盟二坠! ( 2 - 3 3 ) r f ； 与三极法下的误差式( 2 - 9 ) 进行对比，因d c 2 , 。、d c s p 、d c 4 p 均 班，p ，( r f ，p + r e 2 p + r n p + 尺( i 护j 尉 r c t p ，故多电极法测量误差 x 2 ，即x i + x 2 x l ，则 。2 ；i s2 k 1 2 + 2 r 1 r 2 + r 2 2 + x 12 + x 2 2 + 2 x + 2 枷缸i + 2 m 2 ) 减去式( 3 9 ) ，且将式( 3 8 ) 代入，可得 。：一_ 。2 = ，2 + ，；( 2 x l x ：+ 2 r ，r ：) ：+ 吼x ：) 2 _ 2 - - x 2 + ( r ，+ r 2 ) 2 一r l 2 一r ：2j ：鸲2 【( z 、+ z ：) 2 一( z ，2 + z ：2 i = 2 + 2 2 1 2 2 ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) ( 3 - 1 0 ) ( 3 1 1 ) f 3 1 2 1 浙江火学坝i 论文 邹建l 第三章兰械法和州撒法及儿倒相法的数学分析 由式( 3 - 5 ) 得 z 2 = 3 ，n ( 3 - 1 3 ) 把式( 3 - 1 3 ) 代入式( 3 - 1 2 ) 中，简化得到 z r 2 2 l ! _ _ l v 2 a2 一( 3 - 1 4 ) 因此，地网接地电阻 z ( ，= z l + z 2 。 ( 3 一i5 ) 式( 3 - 1 4 ) 中并没有出现m ，即可以消除电流和电压引线间互感的影响。上述过程表 明，在地网附近( 地网外) 打辅助电极f ，用高内阻电压表进行三次电压测量，可由式( 3 1 3 ) ( 3 - 1 5 ) ，得到地网的接地电阻历。 3 3 2 地网中存在不平衡电流的情况下消除电流和电压引线间的互感 在地网中有不平衡电流情况( 厶0 ) ，即发变电站不停电时测量地网的接地电阻情况 下通过地网电阻( z + z ：) 的电流， ，= ，o + ，。 ( 3 - 1 6 ) 而点2 、点3 和点4 之间的电压分别为 吱。= 忽：= u 。，+ ? 。澎， ( 3 1 7 ) 吃；= ，( z i + z ：) + j 国埘。= ( ，。，+ ，。x z + z ：) + j o m j 。 ( 3 1 8 ) 唬。= 忍+ 枷织= 0 ，。) z l + j c o m j 。 ( 3 1 9 ) 上述三个方程中，有五个未知数z ，、z 2 、m 、j ，及，。平j 。之间的相位差。因此不能 直接由式( 3 - 1 7 ) ( 3 - 1 9 ) 求得五个未知数。 1 ) 在求解以前，先来讨论电压v 。和电流相量的关系 ( m ) ； p 一土壤电阻率( q m ) ：卜水平接地体的直径( m ) ； h 一水平接地体的埋设深度( n 3 ) 。 将以上数据分别代入式( 4 - 1 ) 、式( 4 - 2 ) ，总接地网接地电阻 r户0443!+0159旦ln卫堕型塑：0046(qr 04 4 30 0 4 6 ( n )，= 兰+ 二l n 竺= 二二，二- = ) “4 2 4 4 5 0 0 1 7 3 0 00 8 o 0 1 5 3 5 1 0 4 扩044丝+0，159旦坠坐塑i：0044(f2r 04 40i n 0 4 4 f f 2 )，：= _ ：+ ，二= 二= 三2 - = l ”4 2 4 4 5 0 0 1 7 3 0 00 8 0 0 1 5 3 5 1 0 4 同样可以计算得到升压站、主厂房区域( 包括变压器) 和升压站、变压器区域的接地 电，阻，估算值见表4 3 。 表4 - 3 接地电阻理论估算值 测量区域计算公式按式( 4 i ) 计算0按，( 4 - 2 ) l 十算q i总接地删00 4 60 0 4 4 j 1 h 站、主厂房区域0 0 90 0 8 5 胝站、变托器区域0l0 50 1 0 0 4 2 5 接地电阻的测量 北仑电厂# l 机大地网，由于面积相当大，地网最长对角线距离d 达i 7 k m 。若按直线 第川章三极法和心极泌测量接地f u 耻实例郜避圳 浙江人学坝f 论文 柿置测量，须放巧d ( 6 8 8 5 k i n ) 的电流线和5 k i n 的电压测量线，这样要化费巨大的人 力和物力，显然是不可取的。我们分别利用2 2 0 k v 架空线路、1