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上海交通大学工程硕士论文 摘要 变电站接地网研究及故障诊断分析 变电站接地网研究及故障诊断分析 摘 要 电力系统的接地网是维护电力系统安全可靠运行、保障运行人员和电 气设备安全的重要措施。构成接地网的导体埋在地下，常因施工时焊接不 良及漏焊、土壤的腐蚀、接地短路电流电动力作用等原因，导致地网导体 及接地引线的腐蚀，甚至断裂，使地网的电气连接性能变坏、接地电阻增 高。为了保证和提高电网设备工作的可靠性、安全性，电网接地技术的应 用是必不可少的。电力系统接地网的一个非常重要的指标就是接地电阻， 对接地电阻的测量将是判别接地网好坏的一个重要标准。显然接地网的测 量手段和方法也是十分重要的。本文结合工作实际，对接地网测量技术进 行了较系统的研究。论文首先对接地网测量所采用的方法进行了分析和归 纳，对每种不同的方法进行了比较分析，也对接地的几个常用概念做了说 明，对测量接地电阻的基本原理进行了阐述。 电力系统接地网接地电阻这个指标是反映了地网总体水平，但是如果 某一个支路电阻增大或支路导体腐蚀断裂，接地电阻将很难反映出来。现 有判断地网腐蚀及断点的常用方法就是“停电抽样开挖”的办法，往往带 有很大的盲目和实际操作上的困难，并且在接地工程竣工后对施工中的地 网漏焊和虚焊也缺少有效的检查验收手段。本文将在电力系统正常运行的 情况下，对如何确定变电站接地网的故障（包括断点及腐蚀）位置的准确、 上海交通大学工程硕士论文 摘要 变电站接地网研究及故障诊断分析 可靠和简单的诊断进行理论分析。通过接地网各引线间电气参数的测量值 来确定地网的断点及腐蚀情况。本文建立了一个能准确反映地网各段导体 电阻值和地网接地引线间电气参数之间关系的数学模型。地网各段导体电 阻值和地网接地引线间电气参数之间的数学关系是一个非线性关系，必需 采用迭代方法进行求解，模拟系统仿真结果表明了方法的有效性。 关键字： 接地网 接地电阻 测量 故障诊断 上海交通大学工程硕士论文 abstract 变电站接地网研究及故障诊断分析 research on the substation grounding system and analysis of the fault diagnosis abstract grounding systems used in electric power systems are important means to keep a secure and reliable operation of the power systems, and ensure safety of operating personnel and electrical equipments. conductors that form a grounding system are buried underground. the poor quality welding work or failure to conduct welding work in the course of construction, soil corrosion, electrodynamics effects of ground short- circuit current, etc. may lead to corrosion, or even break, of grounding system conductors and grounding wires, resulting in bad electrical interconnection of the grounding systems, and increasing of electrical resistance to ground. in order to secure and enhance reliability and safety of work related to power system equipment, grounding technology for the power system are quite necessary. electrical resistance to ground is a very important indicator for grounding systems in the power systems, and measurement of resistance to ground is an important criterion adopted to determine whether a grounding system is good or bad. as a result, means and methodologies for resistance measurement of grounding systems are important 上海交通大学工程硕士论文 abstract 变电站接地网研究及故障诊断分析 research topics. this paper makes an analysis and summary of the methodologies used in the measurement of grounding systems. the different methodologies are compared. the commonly used definitions as well as the rationale for measurement of resistance to ground are illustrated. resistance to ground for grounding systems in the power systems, as an indicator, reflects an overall level of grounding systems. however, in case of increasing in resistance in a sub- circuit, or of corrosion or break of conductors in a sub- circuit, resistance to ground could hardly give reflection. today, the methodology commonly used in the power systems to detect grounding system corrosion and break points is by performing sample excavations with the electricity turned off. obviously, such methodology is often carried out with much blindness and great difficulty in practice, and during the inspection and acceptance conducted after a grounding project is completed, effective means are lacking to detect failure to conduct welding work and poor quality welding work on grounding systems in the course of construction. this paper presents a theoretical analysis on an accurate, reliable and simple diagnosis method of locations of failure diagnosis (including break points and corrosion) of substation grounding systems with the normal operation of the power systems. measurement values of electrical parameters between grounding system wires can be used to determine break points and corrosion status of grounding systems. this paper establishes a mathematical model that can accurately reflect the relationship between resistance values of grounding system conductor segments 上海交通大学工程硕士论文 abstract 变电站接地网研究及故障诊断分析 and grounding system wires. the mathematical relationship between resistance values of grounding system conductor segments and grounding wires is non- linear, so the iterative method is adopted to find the solution. key words: grounding system resistance to ground measurement failure diagnosis 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学工程硕士论文 第一章 变电站接地网研究及故障诊断分析 第 1 页 第一章 变电站接地总体综述 1 . 1 变电站接地的意义 电力系统的接地网是维护电力系统安全可靠运行、保障运行人员和电气设备安全的重 要措施。随着电网的发展、电网规模的不断扩大，接地短路电流越来越大，特别是变电站 内微机保护、综合自动化装置的大量应用，这样弱电元件对接地网的要求也越来越高。它 不仅要满足工频短路电流的要求，还要满足雷电冲击电流、热稳定、设备接触电位差、跨 步电位差、地电流干扰等一系列的要求。 我局就发生过接地不良而引起避雷器损坏的事故， 也发生过接地网接地电阻不合格，现场又无法查找和处理，从而进行了接地网重新敷设的 事情。 从电力系统历年的事故简报中可以看出， 由于接地装置的问题而引起的主设备损坏、 甚至变电所发电厂停运等事故己有多次，极大地危害了电网的安全稳定运行。 为了保证和提高电网设备工作的可靠性、安全性，电网接地技术的应用是必不可少的 1 。电网接地是为了在正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，从而将设备接地处电位限制为所允许的电位。此时的电位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。原因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。变电站接地系统一方面将 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。这几年国电公司新颁布的二十五项重点反事故措施中，对接 地问题也进行了重要的规定，要求重要设备都必须是两电接地，像变压器（特别是变压器 的中性点）的接地必须要从地网的两个不同的接地线分别进行两点接地。从而我们可以看 出，良好的接地装置对于变电站是十分重要的。 1 . 2 变电站接地网运行工况 变电站接地网的导体埋在地下，常因施工时焊接不良及漏焊、土壤的腐蚀、接地短路 电流电动力作用等原因，导致地网导体及接地引线的腐蚀，甚至断裂，使地网的电气连接 性能变坏、接地电阻增高。若遇电力系统发生接地短路故障，将造成地网本身局部电位差 和地网电位异常增加，除给运行人员带来威胁外，还可能因反击或电缆皮环流使得二次设 备的绝缘遭到破坏 2 。高压串入控制室，使监测或控制设备发生误动或拒动而扩大事故， 带来巨大的经济损失和社会影响。 在腐蚀性较强的土壤、特别是在腐蚀性强的盐碱地中的地网，地网腐蚀特别严重。根 上海交通大学工程硕士论文 第一章 变电站接地网研究及故障诊断分析 第 2 页 据国外的调查研究表明 3 ，在腐蚀性较强的土壤中，地网金属的年腐蚀率可达2 . 0 m m ，腐 蚀性强的土壤中可达3 . 4 m m ，腐蚀性极强的土壤中可达8 . 0 m m 。因此在这些地区，地网腐 蚀已构成影响电力系统安全运行的重要因素。在我国，因地网腐蚀或发生断裂而引起的电 力系统的事故时有发生，每次事故都会产生巨大的经济损失。地网事故是变电站的一个心 腹之患，接地网导体的腐蚀或断裂是接地网接地电阻升高从而引起接地网事故的根本原 因。同时，变电站运行中的电气设备经常由于雷电过电压, 操作过电压造成损坏，这种设 备事故损坏是直观的，但对于接地装置来讲，过电压对地网的损伤是不直观的。因此，这 种损坏往往被忽视，如有的过电压故障时间较长，故障电流使接地网多处烧损，变电站地 网内出现高电位，对二次回路造成威胁，对人身安全构成危险，严重时会造成变电站部分 或全站停电、主设备损坏等恶果。 1 . 3 变电站接地的目的和用途 变电站的接地就是将电气装置、建筑和设备中的某些导电部分，经过接地线通过接地 网接至接地极上 4 。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。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 5 。电流离开接地体 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。 总结变电站接地的主要目的 6 是： 1 ）防止故障电流危害人身和设备； 2 ）防止雷电流危害人身和设备； 3 ）防止感应电流危害人身和设备； 4 ）防止开关设备操作过电压损坏设备； 5 ）保证施工人员和设备的安全等等。 变电站的接地种类按用途 7 可以分为以下三种: 1 ）工作接地，即在电力系统电气装置中，为运行需要所设的接地（如中性点直接接 上海交通大学工程硕士论文 第一章 变电站接地网研究及故障诊断分析 第 3 页 地或经其他装置接地等） ； 2 ）保护接地，即电气装置的金属外壳、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安全而设的接地； 3 ）雷电保护接地，即为雷电保护装置（避雷针、避雷线和避雷器等）向大地泄放雷 电流而设的接地； 在电力系统中，变电站的接地主要指是电气设备的保护接地。也就是将电气设备在正 常运行情况下不带电的金属外壳、配电装置的金属构架等和接地体之间作良好的金属连 接。 1 . 4 一些规程中对变电站接地方面的要求 变电站的接地电阻值是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。由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 8 。目前设计接地系统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 9 。 1 ）变电站电气装置的接地电阻直接接地的大电流接地系统。 一般情况下，接地装置的接地电阻应符合下式要求 1 0 : r2 0 0 0 /i （1 - 1 ） 式中: r 考虑到季节变化的最大接地电阻，； i 计算用的流经接地装置的接地短路电流，a； 2 ）变电站电气装置的接地电阻不接地或经消弧线圈接地和高电阻接地的小电流接 地系统。 一般情况下，接地装置的接地电阻应符合下式要求: r2 5 0 /i （1 - 2 ） 式中: r 考虑到季节变化的最大接地电阻，； 上海交通大学工程硕士论文 第一章 变电站接地网研究及故障诊断分析 第 4 页 i 计算用的接地故障电流，a； 但不宜大于1 0。 3 ) 变电站独立避雷针（含悬挂独立避雷线的架构的接地电阻一般不应大于 1 0。要符合 d l / t 6 2 0 - 1 9 9 7 交流电气装置的过电压保护和绝缘配合的要求。 1 . 5 接地的几个基本概念 1 ）接地极：埋人地中并直接与大地接触的金属导体，称为接地极。兼作接地极用的 直接与大地接触的各种金属构件、金属井管、钢筋混凝土建( 构) 筑物的基础、金属管道和 设备等称为自然接地极 1 1 。 2 ）接地线：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。 3 ）接地装置：接地线和接地极的总和。 4 ）接地网：由垂直和水平接地极组成的供发电厂、变电所使用的兼有泄流和均压作 用的较大型的水平网状接地装置。 5 ）集中接地装置：为加强对雷电流的散流作用、降低对地电位而敷设的附加接地装 置，一般敷设3 - 5 根垂直接地极在土壤电阻率较高的地区，形成放射形水平接地极。 6 ）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阻与通过接地极流人地中电流的比值。 按通过接地极流人地中工频交流电流求得的电阻，称为工频接地电阻。按通过接地极流人 地中冲击电流求得的接地电阻，称为冲击接地电阻。 7 ）接地装置对地电位：电流经接地装置的接地极流人大地时，接地装置与大地零电 位点之间的电位差。 8 ）跨步电位差：接地短路（故障）电流流过接地装置时，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 1 2 。 1 . 6 变电站接地网的需要面对的几个问题 1 ）接地网的的接地电阻问题。 2 ）接地网均压的问题。 3 ）设备接地的问题。 4 ）接地线的热稳定问题。 5 ）接地网腐蚀的问题。 这是目前变电站接地网需要面对的几个方面 1 3 。其中，接地网的均压和接地线热稳定 上海交通大学工程硕士论文 第一章 变电站接地网研究及故障诊断分析 第 5 页 的问题在变电站的接地设计过程考虑的比较多，而接地电阻、设备接地的可靠性、接地网 腐蚀的问题是变电站实际运行中应重点考虑的问题。接地电阻直接关系到接地短路和雷电 流入地时电位升高问题，设备接地的好坏关系到雷击时产生残压过高和反击过电压是否损 坏设备的问题。接地网的腐蚀会使接地网的电气参数发生变化，甚至造成电气设备的接地 与地网之间、地网的各部分之间形成开路，这是接地装置必须面对而又无法回避的一个现 实问题，这都是本文主要考虑的问题。 上海交通大学工程硕士论文 第二章 变电站接地网研究及故障诊断分析 第 6 页 第二章 变电站接地网接地电阻测量和测量方法的分析 2 . 1 变电站接地电阻测量方法的发展与现状 根据接地电阻的定义：接地电阻应该是从接地极到无穷远处的土壤的总电阻。然而 在实际测量时，测量引线是不可能设置在真正的无穷远处的，而且测量回路的存在必然 导致辅助电极的存在，而辅助电极的引入必然会使地中的电流场发生畸变从而影响到地 面电位的分布 1 4 。所以在测量过程中，必须考虑到辅助电极的影响。显然，辅助电极对 地网外地面电位的影响与其和接地网的距离有直接的关系。为了尽量减小电流极的影 响，要求电流极的距离越远越好。 根据接地电阻的定义，最初人们对接地电阻的测量是使用伏安两点法。就是简单的 在距离地网较远的位置布置一个电极，直接将辅助电极与地网两端电压和电流的比值作 为地网接地电阻值。从使用效果来看，这种方法测量误差很大，测量可靠性和重复性都 非常差。目前已基本不使用这种方法。随着电力技术的不断发展，对接地电阻的理解和 分析也愈加深入，从6 0 年代开始，电位降测量理论逐渐得到了广泛的认可。时至今日， a n s i / i e e e 标准仍然推荐使用电位降法来测量接地电阻 1 5 ，也就是布置电流极和电压极 两个辅助电极，通过不断改变电压极位置测量得到接地体与电压极之间的电位降曲线， 分析测量曲线，得到接地电阻的测量值。但由于电位降测量法需要反复多次测量，工作 量很大，而电位降曲线的绘制相对也比较困难，很不利于现场操作。因此，国内外研究 人员在电位降理论基础上发展了一系列简化测量理论，其中最常采用的是由电位降法衍 生出的三极电位补偿法，包括我国电力系统过去以及目前仍大量使用的0 . 6 1 8 法和3 0 度 夹角法。根据使用的仪器不同，又产生了许多不同的测量方法，如电流表- - 功率表法、 电桥法、电位计法等。 2 . 2 接地网技术的发展状况 1 ）牺牲阳极实现地网的主动保护 1 6 。在土壤电阻率相对较低的地区，地网接地电 阻值容易满足要求，但腐蚀问题比较突出。金属腐蚀一般可分为：电化学腐蚀、杂散电 流腐蚀和细菌（微生物）腐蚀。对地网来说，以电化学腐蚀现象最为严重。根据这一现 象中的“微电池”和“宏电池”的机理，提出了以牺牲性阳极，积极保护以阴极形式存 在的地网的观点，并在实践中取得了成功。据推算，采用该保护方法可使地网的使用年 上海交通大学工程硕士论文 第二章 变电站接地网研究及故障诊断分析 第 7 页 限延长到4 0 年。 2 ）深孔或非单层接地的降阻措施 1 7 。在土壤电阻率相对较高的地区，接地电阻值 很难达到要求，通常采用的对策是将地网外延，由于地网敷设在厂（站）外，必然导致 高电位外引，形成安全隐患，同时也需要附带经济赔偿条件。平面布置的接地极之间， 在近距离内会产生屏蔽作用。深孔接地却利用了三维空间，而且还将高电位引向大地深 层。 3 ）降阻剂的使用问题。尽管围绕降阻剂的使用问题有许多争论，但也不乏使用降 阻剂比较成功的实例 1 8 。这一方面是因为降阻剂的效果不是十分明确，不能保证使用的 可靠性和长时间性，另外一方面对周围土壤的环境也存在一定的破坏。所以很多人对它 的使用保持缄默，但是同时它在实际应用中也确实解决了一些现场的难题，所以会产生 比较大的分歧。 4 ）地网的优化设计。等间距布置存在地位分布不均匀的问题，如果采用不等间距 布置，即从地网边缘到中心，导体间距按一定规律增加，确定合理的导体根数，使导体 上的泄漏电流密度更均匀，并由此显著地减小地网接地电阻及地表面的电位梯度和最大 接触、跨步电位差 1 9 。近几年来，利用建筑物基础中的钢筋作为接地体，形成立体接地 网，由于具有耐腐蚀、耐用、阻值较稳定、可节约钢材等优点，越来越受人关注。 2 . 3 变电站测量接地电阻的基本原理 2 . 3 . 1 接地电阻的基本概念 接地装置工频接地电阻的数值， 等于接地装置的对地电压u与通过接地装置流入地 中的工频电流i的比值。接地装置的对地电压是指接地装置与地中电流场的实际零位区 之间的电位差。实际零电位区是指沿被侧接地装置与测量用的电流极之间连接线方向上 电位梯度接近于零的区域。实际零电位区范围的大小，与测量用的电流极离被测接地装 置的距离的大小、通过被测接地装置流人地中测试电流的大小以及测量用的电压表的分 辨率等因素有关。 用电压表和电流表分别测量接地装置与电压极之间的电位差u和通过 接地装置流人地中的测试电流i，由u和i得到接地装置的工频接地电阻iur/= 2 0 。 上海交通大学工程硕士论文 第二章 变电站接地网研究及故障诊断分析 第 8 页 图2 - 1 半球形接地极示意图 f i g 2 - 1 d i a g r a m o f h e m i s p h e r i c a l g r o u n d i n g e l e c t r o d e 2 . 3 . 2 测量方法的基本分类 接地电阻的测量方法到目前为止尚没有明确的分类。但按所处角度的不同，大致可 分为: 1 ) 按测试极位置来分，可分为导则法、补偿法和电位降法。补偿法又分为直线、三 角布置。 2 ) 按测试极数量，可分为三极法、四极法、多极法。 3 ) 按测试电流，可分为大电流法和小电流法。大电流法 2 1 包括三极法、四极法、瓦 特表法等。小电流法包括仪表法、异频法、白噪声( 功率谱高阶谱) 法。 4 ) 按测试干扰消除方法，可直接分为四极法、倒相法、异频法、瓦特表法、基于白 噪声( 功率谱高阶谱) 法、附加串接电阻法、双电位极引线法、电位极引线中点接地法、 相位差法、直流法、数值计算法等等。 这些分类方法既互相包含又各有不同，只是看人们用于不同的领域、不同的研究方 向、不同的使用方式作为参考而用。 2 . 3 . 3 变电站测量接地电阻常用方法介绍 1 ）导则法 导则法是接地装置工频特性参数的测量导则中推荐使用的方法，在很多书籍里也形 象地称这种方法为远离法。 对于半球形接地电极来说，要使得测量的接地电阻r符合实际接地电阻，那么就要 是测量用的电流极和电压极与被测地网的距离趋向无穷大，即可满足要求。但实际上是 很难做到的。因为实际变电站接地网的面积都比较大，那么测量用的导线要非常长，压 降和误差都会非常大。如果取测量用的电压极和被测地网的距离是5 倍被测地网的大小 i u 上海交通大学工程硕士论文 第二章 变电站接地网研究及故障诊断分析 第 9 页 （指实际地网的半径），测量用的电流极和被测地网的距离是1 0 倍被测地网的大小，那 么实际上所测量的接地电阻r与实际地网的接地电阻相差1 0 % 。即测量结果比实际值偏 小1 0 % ，这在工程上是可以接受的。 图2 - 2 电极布置和电位分布示意图 f i g 2 - 2 d i a g r a m o f e l e c t r o d e l a y o u t a n d p o t e n t i a l d i s t r i b u t i o n 上图中，g一被测接地网；p- 测量用的电压极；c- 测量用的电流极 但在实际应用中，变电站的地网形状并不是半球形，而介乎圆盘电极和圆环电极之 间。那么实际地网的最大对角线距离就是代表实际地网的大小，按照上面电压极和电流 极所取的对地网距离，那么所测量的接地电阻值就会比实际接地电阻值小5 % - - 8 % ，这在 实际工程应用中都是可以接受的。 2 ）三极法 图2 - 3 所表示的点p是实际零电位区，实际零电位区是指沿被测接地装置与测量用 的电流极c之间连接线方向上电位梯度接近于零的区域。 图2 - 3 三极法原理接线图 f i g 2 - 3 d i a g r a m o f w i r i n g b y u s i n g t h r e e - e l e c t r o d e s y s t e m 图中，e- - - 测量用的工频电源；i- - - 交流电流表；u- - - 交流电压表 c p g u i e g u c p i 上海交通大学工程硕士论文 第二章 变电站接地网研究及故障诊断分析 第 10 页 在接地装置工频特性参数的测量导则中推荐使用三极法测量接地电阻。三极即指 g、p、c，其中 gc d= （4 5 ）d， gp d= （0 . 5 - - 0 . 6 ） gc d，d是被测接地装置的最 大对角线长度，那么点p可以认为是处在实际的零电位区内。如果想较准确地找到实际 零电位区，可以把电压极沿测量用电流极与被测接地装置之间连接线方向移动三次，每 次移动的距离约为 gc d的5 % ，然后再测量电压极与接地装置之间的电压。如果电压表的 三次指示值之间的相对误差不超过5 % ，则可以把中间位置作为测量用电压极的位置。把 电压表和电流表的指示值代人iur/=中去，得到被测接地装置的工频接地电阻r。 3 ）补偿法（0 . 6 1 8 法） 在导则法中所测得的接地电阻仍要比实际值小1 0 % ，这是由于零位面的移近使接地 装置和零位面间的电位差降低所引起的。如果把电压极由5 0 % gc d的零位面右移到 6 1 . 8 % gc d的负电位处，则电压表的读数即可相应增大，从而补偿了由于零位面移近而带 来的固有误差 2 2 。补偿法通常用在地网尺寸大、用导则法测量对电压和电流引线过长而 造成困难时。补偿法是一种人为的修正方法，还可推广应用到电压极和电流极按三角布 置的情况。在现场实际测试工作中，电流极和电压极成一定夹角布置，经常取电压极和 电流极为相等的距离，它们之间的夹角= 3 0 度的测试方法（即3 0 度夹角测试法，电流 极与电压极与被测接地体具有相同的长度，夹角为3 0 度），此时测得的r即为实际接地 电阻。 4 ）四极法 当被测接地装置的最大对角线较大，或在某些地区（山区或城区）按要求布置电流 极和电压极有困难时，可以利用变电所的一回输电线的两相导线作为电流线和电压线。 四极法的四极是指被测接地装置g，测量用的电流极c和电压极p以及辅助电极s, 由 测量到的接地装置和辅助极、接地装置和电压极以及电压极和辅助极之间的电压，和通 过接地装置流人大地中的电流，求出被测接地装置的工频接地电阻。 5 ）接地电阻测量仪法 电流电压表法需要专门的测量电源，因此它的广泛应用受到条件的限制，在一些场 合可以采用接地电阻测量仪法。目前，接地电阻测量仪法得到广泛的应用，概括起来可 以分为二种：一种是传统的接地摇表法，采用手摇电机作电源；另一种是钳表法。 上海交通大学工程硕士论文 第二章 变电站接地网研究及故障诊断分析 第 11 页 z c - 8 型是目前我国使用最广泛的接地摇表。这种测量仪属电位计型，用磁电系检流 计做指零仪，仪表备有机械整流器或相敏整流器，以便将交流转化为检流计所需的直流 电源，并可消除地中工频杂散电流对测量的影响，此外，在电压出线的回路中还串联了 一个电容以隔断直流。手摇发电机输出电流的频率为1 0 5 - 1 2 0 h z ，z c - 8 型测量仪由于其 电源容量小，不能提供大的测量电流，许多实践表明其测量值随干扰电流值的加大而明 显增大，即抗干扰能力低。 钳口式接地电阻测量仪电源为干电池。主要分为单钳式和双钳式。测试原理是一样 的，都有两个线圈，双钳口式两线圈是分开的，单钳口式把两个线圈合并在一个钳口上。 图2 - 4 钳型表法测量示意图 f i g 2 - 4 d i a g r a m o f m e a s u r e m e n t w i t h c l a m p m e t e r 两个线圈中有一个为电源线圈，它在接地装置回路中感应的电压为u，另一个是测 量线圈，它测得接地装置回路中的电流为i，则 iurr zg /=+ （2 - 1 ） 式中 g r - - 被测接地装置的接地电阻； z r- - 几个接地电阻并联等效电阻。 当 g r z r式（2 - 1 ）简化为 iurg/= （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。同时钳表 法测得的是回路电阻，因此不但可测接地装置接地电阻值，还可以发现整个接地回路的 接触和连接情况。另外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，两者之间是近似关系，需结合现场实情，分析所测接地电阻的 误差特性。 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。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 1 r 2 r g r 1n r n r 电压线圈 电流线圈 上海交通大学工程硕士论文 第二章 变电站接地网研究及故障诊断分析 第 12 页 大地网的测试。因此导则推荐，当接地装置的最大对角线较小，且工频接地电阻值大于 0 . 5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 要求布置。 6 ）异频法 异频法也称变频法 2 3 。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。 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 ，用饱和变压器零序输出) 、信号发生器和功率放大器复合组成。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。在未注入电流时，接地装置与电压极之间测 量到的干扰信号，可以发现在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 - 1 1 0 h z 之间 趋近于零。 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固定采 样n点，使长度为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（包括接地电阻电抗的电压分量）；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 引线间的互感）。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间的互感，必须借助电压电流极成1 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，来测量接地装置的电阻和 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，来消除引线间 的互感，是值得研究的问题。 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 2 /iprg= （） （2 - 3 ） 上海交通大学工程硕士论文 第二章 变电站接地网研究及故障诊断分析 第 13 页 式中，p - - 接地电阻上的有功损耗（w）；i - - 输入接地装置的交流电流有效值（a） 瓦特表法 2 4 （包括功率因数表，即在三极法的基础上，加接功率因数表）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。 因此，水电厂接地设计导则推荐了该测量方法。 但瓦特表法的缺点也非常明显，一是瓦特表的内阻不能比电压极的接地电阻大许 多，实际需要来修正压回路中有电流流过，也改变了原来电流在地中的电场分另外。误 差还取决于表计（主要是瓦特表）上偏转大小，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。还有，如果电压 极引线上的互感电压足够时，瓦特表的电压线圈中电流与电流线圈中的电流之间的相位 差可能很大，存在超过瓦特表标定“功率因数cos”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。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。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。 8 ）基于白噪声、高阶谱的方法 2 5 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。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。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，则会出现很大的误差。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 上海交通大学工程硕士论文 第二章 变电站接地网研究及故障诊断分析 第 14 页 源时的干扰电压功率谱，再测出加上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。 鉴于此，有些文章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。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 音和谐波千扰。 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