大型接地网接地阻抗逆向短距测量的关键技术

大型接地网接地阻抗逆向短距测量的关键技术

雷雨田

（云南电网有限责任公司楚雄供电局675000）

摘要：该技术可将电流引线长度缩短为2D~2.5D，节约工作量一半以上，可用于接地网尤其是大型接地网的接地电阻测量工作，同时也可以应用于裸露土壤较少的城市变电站地网接地电阻测量，以供参考。

关键词：逆向；短距；接地电阻

1前言

现有的接地电阻测量方法主要为长线法，在测量时需要布置接地网等效直径4~5倍长度的测量引线，近几年随着特高压等级输电系统的建设和电网规模的扩大，超大规模变电站的数量越来越多，其接地网的尺寸也变得十分庞大，个别水电站接地网接地电阻测量放线甚至达到了几十公里，在整个测量过程中电压线和电流线放线工作占整个地网接地电阻测量工作量的90%以上，因此，积极开展变电站地网接地电阻的短距离测量技术研究具有重要实际工程应用价值和学术研究意义。

2计算逆向短距测量方法及原理

逆向短距测量方法以电流极近区地面电位作为测量对象，以地网电位为参考电位，通过对测量数据的处理反向得到接地网的接地电阻。由于该测量方法不直接测量接地网的地电位升，测量原理显著区别于传统正向方法，因此称之为逆向测量法。

地面电位分布规律，接地电阻测量时需要建立电流的流通回路。当向接地网注入测量电流时，要在远离接地网处设置辅助电流极，通过电流引线与大地构成回路。根据叠加定理，此时地面上存在两个电流场，流入地网的正电流场和流出电流极的负电流场。采用CDEGS软件建立了计算模型，仿真分析接地电阻测量时的地面电位分布规律。

对接地网和电流极距离l不同时的地面电位分布进行了仿真，仿真中接地网参数设为100×100m的正方形接地网，均压导体间距10m，土壤电阻率100Ω•m，埋深0.8m，中心注入电流10A。其地表电位分布曲线如图1所示，其中实线为接地网和电流极在地面产生的电位分布，分段线为接地网单独散流时的电位分布，虚线为仅电流极存在时的地面电位分布。

图1不同引线长度的地面电位分布曲线

从仿真结果可见，改变l长度从2D到4D（D为正方形地网的对角线长度）。实线和虚线在末段接近重合，这主要因为是靠近电流极处接地网产生的电位平缓，且远小于电流极产生的电位，因此地面电位曲线（实线）变化率与虚线一致。

电流极近区的地面电位梯度见表1所示，当接地网与电流极之间的距离大于2D时，由接地网电场产生的电位分量数值小于0.1V，距离越远，电位梯度越小；与此同时由电流极电场产生的电位分量值达到60V，远大于接地网的电位分量。因此从仿真数据可以看出，靠近电流极区域的电位分量主要是由电流极电场产生的，其数值是接地网分量的数百倍，因此接地网散流对电流极周边电位梯度影响可以忽略不计。

表1电流极近区地面20m电位差

由仿真计算结果可以看出，当电流极距离接地网越远受到接地网电场的影响越小，当距离接地网达到2D时，可以忽略接地网对其电位的影响。从仿真计算的角度来分析，由于接地网中导体布置方式多样，结构复杂因此要进行精确计算接地网近区的电位难度比较大。但是由于电流极为人为现场布置的，因此只要电流极能够做到标准化，根据电流极埋深、半径、结构就可以准确计算其电位分布规律，获得电流极附近地面电位分布的解析函数关系。如果能够获得电流极附近地面电位分布的现场测量数据，结合解析函数，就可以求得电流极附近地面电位分布的解析式及其参数，为接地网电位升的求取提供方便。

测量方法原理，将接地网等效为半球接地极，将电流极等效为点电流源，在此前提下对逆向测量方法进行推导。借助半球接地极的电位计算公式（1）：

（1）

其中ρ为土壤电阻率，I为注入电流，x为计算点到半球接地极中心的距离。

逆向短距测量时的地面电位分布如图2所示。电位分布曲线1由曲线2、3叠加产生。由于辅助电流极所在区域的曲线2幅值远小于曲线3，且变化平缓，因此将曲线2的末段的电流极近区地面电位等效为常值Uc。

图2半球接地极和电流极在地面产生的电位分布示意图

1-电流极存在时的电位分布；2-无电流极时的电位分布；3-仅电流极存在时的电位分布

图3逆向短距测量的布线图

为了测量电流极附近的地面电位分布，需要选择合适的电位参考点。由于测量区域土壤均处在接地网和电流极所形成的电场内，且地面零电位点未知，因此选择接地网电流注入点作为电压参考点（其电位为U10）测量电流极附近的地面电位。现场测量的布线图如图3所示。将辅助电流极布置在距离接地网合适的位置上（如2D~2.5D），将电压极布置在距离电流极中心的近距离之内（如3~20m）。为了测量电流极附近的电位分布变化，依次移动电压极实施测量，并记录电压极到电流极距离。

辅助电流极近区实际电位如图1曲线1，其电位解析函数为：

（2）

则电压表测量的电位差Δu为辅助电流极近区电压测量点电位ui与接地网电流注入点电位u10之差：

（3）

现场测量时，在辅助电流极附近布置电压极测量点1、2、3、4、5…n，上述测量点对于无穷远处的实际电位为u1、u2、u3、u4、u5、….un测量得到电位差Δu1、Δu2、Δu3、Δu4、Δu5、….Δun即为：

（4）

通过现场测量获得n组测量值（i=1,2,3…n），x为电压极到辅助电流极中心的距离，y为测量电压Δun。同时，每个测量值都满足式（3），因此将测量值带入式（3）中求解解析函数的待定系数。

采用Levenberg-Marquardt算法进行解析函数最优参数求解。在最小二乘法意义下，确定参数k和b使偏差平方和最小：

（5）

令k=k（0）+Δk；b=b（0）+Δb。k（0）、b（0）为k、b的预设初值，设置为0。经过迭代求解，可以求得解析函数的最优参数k、b。

根据解析函数及其参数的物理意义，电流极的电位分布可以用k/x进行计算，由于要求得接地网的接地电阻，必须得到接地网的地电位升U20。根据b参数的物理意义得到U10=b+Uc。

用GPS定位装置测量得到接地网和电流极之间的距离l，则接地网在辅助电流极处的电位Uc，及辅助电流极在接地网电位U30为：

（6）

二者幅值相等，符号相反。根据补偿法原理，接地网的电位U10小于接地网单独散流的电位U20，应对电流极在接地网产生的电位影响进行补偿，补偿电位为k/l（等于-U30）。因此，接地网的实际电位U20为：

（7）

由于接地网的注入电流是可以测量的，因此可以得到接地网的接地电阻

（8）

逆向短距测量方法以电流极近区地面电位分布作为测量和分析对象，以接地网电位为参考电位，通过对电流极近区地面电位测量数据的分析计算，逆向推算得到接地网接地电阻。由于摒弃了正向测量思路，使得在测量引线长度上有了更多的选择，可以采用短引线进行测量2D~2.5D，同时原理也满足更长的测量引线。不需要进行前期的接地网建模，无需计算补偿点的位置，节约了测量时间，测量操作简便。

3结语

针对传统地网接地电阻测量方法放线距离长，工作量大的问题，提出了基于地网和电流极形成的对偶电极电位分布曲线的地网接地电阻逆向短距测量原理，将测量中电流线放线距离缩短到2D-2.5D，极大降低了地网接地电阻测量的工作量，通过对对偶电极电势分布规律研究，突破补偿点定位或平滑段判定的经验限制，提出了基于电流极近区地表电位降曲线的补偿电位的计算方法，解决了接地网接地电阻短距测量中补偿电位难以准确获取问题。

作者简介

雷雨天，工程师，云南电网有限责任公司楚雄供电局，长期从事高压试验专业技术运维工作。