隨著電力系統(tǒng)變電站電壓等級的不斷提高，其接地網(wǎng)規(guī)模也在不斷擴大。對于大型接地網(wǎng)基本上都存在著數(shù)十回以上的出線構(gòu)架，而這些構(gòu)架會產(chǎn)生分流，將直接影響接地阻抗測量準確性。因此，在測量接地阻抗時，必須同時測量出接地網(wǎng)的實際分流，以確保所測量的接地阻抗指標真實可靠。

本文采用一種更加便捷有效的接地裝置分流矢量測量手段，開發(fā)相應的測量系統(tǒng)，以期對準確開展大型接地網(wǎng)狀態(tài)檢測評估工作產(chǎn)生積極影響。

1 現(xiàn)有技術(shù)

傳統(tǒng)考慮地網(wǎng)分流狀況主要有兩種方式：一種方式是理論計算，如序分量法、相分量法等，這種方式計算復雜，只針對部分有限的接地系統(tǒng)，并不適用于所有類型的接地系統(tǒng)，因而實用性不強。

另一種方式是采用現(xiàn)場實測，用電流鉗表或者柔性電流線圈，分別測量出所有架空地線和金屬出線構(gòu)架分流的大小，再以簡單的標量代數(shù)相加減來獲得地網(wǎng)分流大小幅值和地網(wǎng)實際散流電流大小幅值，但僅考慮了各自的模值，并簡單地認為相移要么相同要么相反，而忽略了由構(gòu)架本身感性分量作用而呈現(xiàn)出與測試電流之間存在著的不同相移，即該相移不一定是0°或者180°，還有可能存在環(huán)流的影響。

因此，這種以簡單標量大小的代數(shù)相加減結(jié)果來作為實際分流狀況的方式，無法實現(xiàn)被測接地網(wǎng)接地阻抗的準確測量和修正，還有可能使用戶作出錯誤的判斷。

對于分流矢量測量來說，其所面臨的難點在于需要提供一個共同的參考基準。最直接的引線方式在實際操作中非常麻煩，需要在場區(qū)內(nèi)頻繁進行引線，會大大地增加現(xiàn)場測試的工作量，特別是對大型接地網(wǎng)，可能需要幾百米甚至上公里的測試引線，工作量大，效率低。

目前市場上采用了一種以無線方式將注入點信號波形實時發(fā)射到場區(qū)各分流點、與各分流點測試得到的分流波形進行比較而獲取分流矢量相移的方式，并提供了相應的測量裝置。該裝置的分流矢量測量是：在信號源對接地裝置輸出測試信號的同時，同步采樣注入電流波形的相位信息，通過無線發(fā)射裝置發(fā)送該波形信息至場區(qū)內(nèi)，再由分流測量點的無線接收裝置接收，并送至選頻萬用表上與測量得到的分流波形進行比較和處理，進而獲得分流相移。

這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場地網(wǎng)分流矢量的測量，但需要用到專門的選頻通信設(shè)備和無線波形信號接收設(shè)備，且需要多個設(shè)備之間的配合使用，操作較為復雜，工作量大，不利于現(xiàn)場人員的操作使用，也會給測試人員帶來更多的工作負擔。此外，現(xiàn)場變壓器、干式電抗器等產(chǎn)生的強電場干擾還會影響無線信號的傳輸質(zhì)量。

2 本文研究的測量方法

本文提出了一種以衛(wèi)星時鐘信號作為參考基準的地網(wǎng)分流矢量測量方法。下面具體說明實現(xiàn)原理。

測量原理示意圖如圖1所示。本文方法借助于人造地球衛(wèi)星提供的時鐘同步信號，并以時鐘同步信號作為信號輸出和分流矢量測量的共同時標，首先以衛(wèi)星時鐘信號上升沿為基準同步調(diào)制信號源輸出正弦波信號的過零點，之后仍以衛(wèi)星時鐘同步信號上升沿為基準，測量出信號注入點的入地電流信號以及各個構(gòu)架分流值與衛(wèi)星時鐘同步信號上升沿之間的相位差，從而獲得同一個基準下的入地電流相移和各個構(gòu)架的分流相移，這樣就可以直接進行分流矢量和的計算，從而獲得準確的分流狀況。

上述測試方法無需額外的參考基準電壓引線，也不受現(xiàn)場試驗環(huán)境條件的限制，抗電磁干擾能力強，可以在不拆解各種出線構(gòu)架的情況下，準確測量接地網(wǎng)的分流矢量值，現(xiàn)場測試使用更加簡單、方便，能夠?qū)崿F(xiàn)大型接地網(wǎng)分流矢量的有效檢測和接地阻抗參數(shù)的準確測量，便于用戶準確評估被測接地網(wǎng)的運行狀態(tài)，從而保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和可靠運行。

圖1 測量原理示意圖

3 本文開發(fā)的測量系統(tǒng)

本文開發(fā)的這套可測量大型接地網(wǎng)分流矢量的接地裝置特性參數(shù)測量系統(tǒng)主要由變頻信號源、隔離變壓器和可調(diào)頻率萬用表3個部分組成。該系統(tǒng)在不拆解各種進出線的情況下，可實現(xiàn)被測接地網(wǎng)各個出線構(gòu)架分流矢量的準確測量，從而用于被測接地網(wǎng)接地阻抗的測試修正，幫助用戶準確評估接地網(wǎng)的運行狀態(tài)。

測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。下面說明具有帶分流矢量測量功能的接地裝置特性參數(shù)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理。

圖2 測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖

3.1 變頻信號源

變頻信號源的主要結(jié)構(gòu)如圖2的左邊部分所示，其主要由微處理器、供電電源、變頻信號發(fā)生模塊、穩(wěn)流模塊、濾波模塊、人機交互模塊以及可為變頻信號源中異頻信號輸出提供衛(wèi)星時鐘同步基準信號的衛(wèi)星時鐘信號接收模塊構(gòu)成。

該衛(wèi)星時鐘信號接收模塊可兼容北斗、全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）及全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GLONASS）等人造衛(wèi)星，微處理器用于驅(qū)動并控制變頻信號發(fā)生模塊、穩(wěn)流模塊、濾波模塊以及人機交互模塊的正常工作。

3.2 隔離變壓器

隔離變壓器具備多級抽頭繞組，可配合變頻信號源輸出與測量回路最佳匹配且最優(yōu)化的異頻測試電流信號。

3.3 可調(diào)頻率萬用表

可調(diào)頻率萬用表結(jié)構(gòu)如圖2所示的右邊部分，其主要由可充電電池、微處理器、電流采集模塊、電壓采集模塊、隔離濾波模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（analog to digital converter, A/D）、存儲模塊、人機交互模塊以及可為可調(diào)頻率萬用表分流矢量測量提供衛(wèi)星時鐘同步基準信號的衛(wèi)星時鐘信號接收模塊構(gòu)成[5]。該衛(wèi)星時鐘信號接收模塊可兼容北斗、GPS和GLONASS等人造衛(wèi)星，而可充電電池用于存儲電能，并為各個模塊提供電源。

本文開發(fā)的測量系統(tǒng)采用以衛(wèi)星時鐘信號作為參考基準的地網(wǎng)分流矢量測量方法，在變頻信號源和可調(diào)頻率萬用表上均配置有衛(wèi)星時鐘信號接收模塊，從而利用分布于地球表面的各種人造地球衛(wèi)星提供的時鐘脈沖信號作為信號輸出和分流矢量測量的共同時標。

相比現(xiàn)有的分流矢量測量方式，該系統(tǒng)將分流相移測量功能與設(shè)備集成一體化設(shè)計，即將分流測量功能集成到變頻信號源和可調(diào)頻萬用表上，且無需進行波形信號的無線發(fā)射與接收，因而也無需用到專門的無線選頻通信設(shè)備和無線信號接收模塊等輔助設(shè)備，不需要多個設(shè)備之間的配合使用，因而現(xiàn)場操作更加簡單、方便，并具有抗電磁干擾能力強、傳輸距離廣、無信號延遲、現(xiàn)場工作量小的特點。

本文開發(fā)的測量系統(tǒng)運用高穩(wěn)定度的變頻信號發(fā)生裝置，能夠保證異頻小電流信號的持續(xù)穩(wěn)定輸出，方便現(xiàn)場開展接地網(wǎng)分流矢量的測試，可解決采用恒壓輸出方式面臨注入地網(wǎng)的實時電流不恒定的問題，更能滿足現(xiàn)場開展接地網(wǎng)特性參數(shù)測試評估的需要。

4 測試結(jié)果

4.1 實驗室模擬測試

在實驗室中，對本文開發(fā)的測量系統(tǒng)進行分流大小和相移的測量，并將測量結(jié)果與泰克DPO4104B示波器捕捉到的結(jié)果進行比對，以驗證該系統(tǒng)分流測量的準確性。電流大小測量的比對結(jié)果見表1。

表1 電流大小測量的比對結(jié)果

從表1比對結(jié)果可以看出，本文開發(fā)的測量系統(tǒng)的分流大小測量滿足1級精度要求，相移測量誤差不超過0.5°。

4.2 現(xiàn)場試驗

為了考量本文開發(fā)的測量系統(tǒng)的功能和現(xiàn)場實測效果，特選取了某1000kV特高壓變電站接地網(wǎng)作為試驗對象，并將接地阻抗測試結(jié)果及修正結(jié)果分別與國產(chǎn)某不帶分流測量功能的異頻電阻測量儀的測試結(jié)果和兩年前投運時的歷史測試值進行比較，以驗證本文開發(fā)系統(tǒng)的有效性和準確性。

被測1000kV特高壓變電站接地網(wǎng)的對角線長度大約為538m，接地阻抗的設(shè)計值為0.075◆，該1000kV特高壓變電站的驗收投運前的歷史測試值（出線構(gòu)架未連接條件下）為0.065◆。現(xiàn)場工頻干擾約為13.46V，且有近六十回的架空出線、光纖復合電纜等構(gòu)架可能存在分流。

根據(jù)中國電力行業(yè)導則[6]規(guī)定的要求并結(jié)合現(xiàn)場地網(wǎng)情況和試驗條件，采用夾角法布線方式，角度大約為107°，電流注入點為1號主變構(gòu)架接地引下線，電流線的有效長度為2.164km，電壓線的有效長度為2.260km，因而使用夾角法進行接地阻抗測量的修正系數(shù)大約為0.8332。接地阻抗的現(xiàn)場實測結(jié)果見表2。

表2 接地阻抗的現(xiàn)場實測結(jié)果

使用本文開發(fā)的測量系統(tǒng)對接地網(wǎng)持續(xù)注入45Hz、12A的異頻電流，電流的注入點仍然選擇在1號主變構(gòu)架接地引下線，相對于衛(wèi)星時鐘信號上升沿的總?cè)氲仉娏髦禐?2.00A∠◆46.72°。現(xiàn)場部分出線構(gòu)架的分流矢量測試結(jié)果見表3。

表3 現(xiàn)場部分出線構(gòu)架的分流矢量測試結(jié)果

由表2可知，使用本文開發(fā)的測量系統(tǒng)測試所得的接地阻抗值與使用國產(chǎn)某不帶分流測量功能的異頻電阻測量儀的接地阻抗測量結(jié)果一致。經(jīng)夾角法修正后的接地阻抗修正為Z=0.040◆/0.8332=0.048◆。

由表3計算可知，該被測接地網(wǎng)的各個出線構(gòu)架分流矢量和為3.242A∠53.254°，分流系數(shù)為0.268，實際流經(jīng)變電站接地網(wǎng)的散流電流為8.787A∠44.314°，地網(wǎng)散流系數(shù)為0.732，經(jīng)分流矢量修正后接地阻抗值為Z=0.048◆/0.732=0.066◆，與該1000kV特高壓變電站在出線構(gòu)架未連接條件下的歷史測試值一致，偏差僅為1.5%，且均滿足當初該1000kV特高壓變電站接地網(wǎng)接地阻抗設(shè)計值的要求。

5 結(jié)論

本文所提出的以衛(wèi)星時鐘信號作為分流矢量同步基準的方法以及所開發(fā)的帶分流矢量測量功能的接地裝置特性參數(shù)測量系統(tǒng)，功能完善，集成度高，不僅能準確測量接地網(wǎng)的接地阻抗，還能有效測量大型接地網(wǎng)各出線構(gòu)架的分流矢量狀況，并用于接地阻抗修正，且對分流矢量測量無需復雜設(shè)備配合使用，操作上更加簡單和方便，實用性強，能夠滿足現(xiàn)場試驗運行人員進行接地網(wǎng)運行狀態(tài)檢測評估工作的需要。