隨著電力系統(tǒng)變電站電壓等級(jí)的不斷提高，其接地網(wǎng)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。對(duì)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(huì)產(chǎn)生分流，將直接影響接地阻抗測(cè)量準(zhǔn)確性。因此，在測(cè)量接地阻抗時(shí)，必須同時(shí)測(cè)量出接地網(wǎng)的實(shí)際分流，以確保所測(cè)量的接地阻抗指標(biāo)真實(shí)可靠。

本文采用一種更加便捷有效的接地裝置分流矢量測(cè)量手段，開發(fā)相應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)，以期對(duì)準(zhǔn)確開展大型接地網(wǎng)狀態(tài)檢測(cè)評(píng)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(jì)算，如序分量法、相分量法等，這種方式計(jì)算復(fù)雜，只針對(duì)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(shí)用性不強(qiáng)。

另一種方式是采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，用電流鉗表或者柔性電流線圈，分別測(cè)量出所有架空地線和金屬出線構(gòu)架分流的大小，再以簡(jiǎn)單的標(biāo)量代數(shù)相加減來獲得地網(wǎng)分流大小幅值和地網(wǎng)實(shí)際散流電流大小幅值，但僅考慮了各自的模值，并簡(jiǎn)單地認(rèn)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(cè)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(jiǎn)單標(biāo)量大小的代數(shù)相加減結(jié)果來作為實(shí)際分流狀況的方式，無法實(shí)現(xiàn)被測(cè)接地網(wǎng)接地阻抗的準(zhǔn)確測(cè)量和修正，還有可能使用戶作出錯(cuò)誤的判斷。

對(duì)于分流矢量測(cè)量來說，其所面臨的難點(diǎn)在于需要提供一個(gè)共同的參考基準(zhǔn)。最直接的引線方式在實(shí)際操作中非常麻煩，需要在場(chǎng)區(qū)內(nèi)頻繁進(jìn)行引線，會(huì)大大地增加現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的工作量，特別是對(duì)大型接地網(wǎng)，可能需要幾百米甚至上公里的測(cè)試引線，工作量大，效率低。

目前市場(chǎng)上采用了一種以無線方式將注入點(diǎn)信號(hào)波形實(shí)時(shí)發(fā)射到場(chǎng)區(qū)各分流點(diǎn)、與各分流點(diǎn)測(cè)試得到的分流波形進(jìn)行比較而獲取分流矢量相移的方式，并提供了相應(yīng)的測(cè)量裝置。該裝置的分流矢量測(cè)量是：在信號(hào)源對(duì)接地裝置輸出測(cè)試信號(hào)的同時(shí)，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(chǎng)區(qū)內(nèi)，再由分流測(cè)量點(diǎn)的無線接收裝置接收，并送至選頻萬用表上與測(cè)量得到的分流波形進(jìn)行比較和處理，進(jìn)而獲得分流相移。

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

2 本文研究的測(cè)量方法

本文提出了一種以衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)作為參考基準(zhǔn)的地網(wǎng)分流矢量測(cè)量方法。下面具體說明實(shí)現(xiàn)原理。

測(cè)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(shí)鐘同步信號(hào)，并以時(shí)鐘同步信號(hào)作為信號(hào)輸出和分流矢量測(cè)量的共同時(shí)標(biāo)，首先以衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)上升沿為基準(zhǔn)同步調(diào)制信號(hào)源輸出正弦波信號(hào)的過零點(diǎn)，之后仍以衛(wèi)星時(shí)鐘同步信號(hào)上升沿為基準(zhǔn)，測(cè)量出信號(hào)注入點(diǎn)的入地電流信號(hào)以及各個(gè)構(gòu)架分流值與衛(wèi)星時(shí)鐘同步信號(hào)上升沿之間的相位差，從而獲得同一個(gè)基準(zhǔn)下的入地電流相移和各個(gè)構(gòu)架的分流相移，這樣就可以直接進(jìn)行分流矢量和的計(jì)算，從而獲得準(zhǔn)確的分流狀況。

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

圖1 測(cè)量原理示意圖

3 本文開發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)

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

測(cè)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(cè)量功能的接地裝置特性參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖

3.1 變頻信號(hào)源

變頻信號(hào)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(hào)發(fā)生模塊、穩(wěn)流模塊、濾波模塊、人機(jī)交互模塊以及可為變頻信號(hào)源中異頻信號(hào)輸出提供衛(wèi)星時(shí)鐘同步基準(zhǔn)信號(hào)的衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)接收模塊構(gòu)成。

該衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)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(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GLONASS）等人造衛(wèi)星，微處理器用于驅(qū)動(dòng)并控制變頻信號(hào)發(fā)生模塊、穩(wěn)流模塊、濾波模塊以及人機(jī)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(jí)抽頭繞組，可配合變頻信號(hào)源輸出與測(cè)量回路最佳匹配且最優(yōu)化的異頻測(cè)試電流信號(hào)。

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(chǔ)模塊、人機(jī)交互模塊以及可為可調(diào)頻率萬用表分流矢量測(cè)量提供衛(wèi)星時(shí)鐘同步基準(zhǔn)信號(hào)的衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)接收模塊構(gòu)成[5]。該衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)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(chǔ)電能，并為各個(gè)模塊提供電源。

本文開發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)采用以衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)作為參考基準(zhǔn)的地網(wǎng)分流矢量測(cè)量方法，在變頻信號(hào)源和可調(diào)頻率萬用表上均配置有衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)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(shí)鐘脈沖信號(hào)作為信號(hào)輸出和分流矢量測(cè)量的共同時(shí)標(biāo)。

相比現(xiàn)有的分流矢量測(cè)量方式，該系統(tǒng)將分流相移測(cè)量功能與設(shè)備集成一體化設(shè)計(jì)，即將分流測(cè)量功能集成到變頻信號(hào)源和可調(diào)頻萬用表上，且無需進(jìn)行波形信號(hào)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(hào)接收模塊等輔助設(shè)備，不需要多個(gè)設(shè)備之間的配合使用，因而現(xiàn)場(chǎng)操作更加簡(jiǎn)單、方便，并具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳輸距離廣、無信號(hào)延遲、現(xiàn)場(chǎng)工作量小的特點(diǎn)。

本文開發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)用高穩(wěn)定度的變頻信號(hào)發(fā)生裝置，能夠保證異頻小電流信號(hào)的持續(xù)穩(wěn)定輸出，方便現(xiàn)場(chǎng)開展接地網(wǎng)分流矢量的測(cè)試，可解決采用恒壓輸出方式面臨注入地網(wǎng)的實(shí)時(shí)電流不恒定的問題，更能滿足現(xiàn)場(chǎng)開展接地網(wǎng)特性參數(shù)測(cè)試評(píng)估的需要。

4 測(cè)試結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室中，對(duì)本文開發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行分流大小和相移的測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果與泰克DPO4104B示波器捕捉到的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，以驗(yàn)證該系統(tǒng)分流測(cè)量的準(zhǔn)確性。電流大小測(cè)量的比對(duì)結(jié)果見表1。

表1 電流大小測(cè)量的比對(duì)結(jié)果

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

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了考量本文開發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)的功能和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)效果，特選取了某1000kV特高壓變電站接地網(wǎng)作為試驗(yàn)對(duì)象，并將接地阻抗測(cè)試結(jié)果及修正結(jié)果分別與國產(chǎn)某不帶分流測(cè)量功能的異頻電阻測(cè)量?jī)x的測(cè)試結(jié)果和兩年前投運(yùn)時(shí)的歷史測(cè)試值進(jìn)行比較，以驗(yàn)證本文開發(fā)系統(tǒng)的有效性和準(zhǔn)確性。

被測(cè)1000kV特高壓變電站接地網(wǎng)的對(duì)角線長(zhǎng)度大約為538m，接地阻抗的設(shè)計(jì)值為0.075◆，該1000kV特高壓變電站的驗(yàn)收投運(yùn)前的歷史測(cè)試值（出線構(gòu)架未連接條件下）為0.065◆?，F(xiàn)場(chǎng)工頻干擾約為13.46V，且有近六十回的架空出線、光纖復(fù)合電纜等構(gòu)架可能存在分流。

根據(jù)中國電力行業(yè)導(dǎo)則[6]規(guī)定的要求并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地網(wǎng)情況和試驗(yàn)條件，采用夾角法布線方式，角度大約為107°，電流注入點(diǎn)為1號(hào)主變構(gòu)架接地引下線，電流線的有效長(zhǎng)度為2.164km，電壓線的有效長(zhǎng)度為2.260km，因而使用夾角法進(jìn)行接地阻抗測(cè)量的修正系數(shù)大約為0.8332。接地阻抗的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果見表2。

表2 接地阻抗的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果

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

表3 現(xiàn)場(chǎng)部分出線構(gòu)架的分流矢量測(cè)試結(jié)果

由表2可知，使用本文開發(fā)的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試所得的接地阻抗值與使用國產(chǎn)某不帶分流測(cè)量功能的異頻電阻測(cè)量?jī)x的接地阻抗測(cè)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(jì)算可知，該被測(cè)接地網(wǎng)的各個(gè)出線構(gòu)架分流矢量和為3.242A∠53.254°，分流系數(shù)為0.268，實(shí)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(cè)試值一致，偏差僅為1.5%，且均滿足當(dāng)初該1000kV特高壓變電站接地網(wǎng)接地阻抗設(shè)計(jì)值的要求。

5 結(jié)論

本文所提出的以衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)作為分流矢量同步基準(zhǔn)的方法以及所開發(fā)的帶分流矢量測(cè)量功能的接地裝置特性參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，功能完善，集成度高，不僅能準(zhǔn)確測(cè)量接地網(wǎng)的接地阻抗，還能有效測(cè)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(duì)分流矢量測(cè)量無需復(fù)雜設(shè)備配合使用，操作上更加簡(jiǎn)單和方便，實(shí)用性強(qiáng)，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)運(yùn)行人員進(jìn)行接地網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)評(píng)估工作的需要。