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1、个人资料整理仅限学习使用变电站接地网讨论及故障诊断分析摘要电力系统的接地网是爱护电力系统安全牢靠运行、保证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缘由，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 的牢靠性、安全性，电网接地技术的应用是必不行少的；电力系统接地网的一个特别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；明显接地网的测量手段和方法也是特别重要的；本文结合工作实际，对接地网测量技术进行了较系统的讨论；论文第一对
2、接地网测量所采纳的方法进行了分 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，但是假如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；现有判定地网腐蚀及断点的常用方法就是“停电抽样开挖” 的方法，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形下，对如何确定变电站接地网的故障 of substation grounding systems with the normal o
3、peration 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
4、of grounding system conductor segments 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 SystemResistance to GroundM
5、easurement Failure Diagnosis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爱护电力系统安全牢靠运行、保证运行人员和电气设备安全的重要措施；随着电网的进展、电网规模的不断扩大，接地短路电流越来越大，特殊是变电站内微机爱护、综合自动扮装置的大量应用，这样弱电元件对接地网的要求也越来越高；它不仅要满意工频短路电流的要求，仍要满意雷电冲击电流、热稳固、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
6、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固运行；为了保证和提高电网设备工作的牢靠性、安全性，电网接地技术的应用是必不行少的；电网接地是为了在正常和事故以及雷击的情形下，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 答应的电位；此时的电位大小除与电流的幅度和波形有关外，仍和接地体的几何尺寸以及大地的电性参数有 关；缘由一是接地体的几何外形比较复杂，二是地面下的地层结构特别复杂，且各地都不一样；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畴，以 确保设备
7、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规定，要求重要设备都必需是两电接地，像变压器；由于接地体的电位上升，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；电流离开接地体在地中流散时，仍会在地面上显现电位梯度；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损害；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
8、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地或经其他装置接地等）；2） 爱护接地，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） 雷电爱护接地，即为雷电爱护装置避雷针、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爱护接地；也就是将电气设备在正常运行情形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.
9、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势因素，接地系统的接地电阻运算值虽然对设计有肯定的指导作用，但是施工完成后， 仍必需通过实测来确定其真实值；目前设计接地系统常常采纳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，在这种情形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
10、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、精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；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；一般情形下，接地装置的接地电阻应符合下式要求:R 2000/I1-1）式中: R考虑到季节变化的最大接地电阻，W； I 运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；一般情形下，接地装置的接地电阻应符合下式要求:R 250/I变电站独立避雷针 筑物的基础、金属管道和设备等称为自然接地极；2） 接
11、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沟通电流求得的电阻，称为工频接地电阻；按通过接地极流人地中冲击电
12、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0.8m的两点间的电位差， 称为跨步电位差；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）接地线的热稳固问题； 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；其中，接地网的均压和接地线热稳固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、设备接地的牢靠性、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
13、；接地电阻直接关系到接地短路和雷电流入地时电位上升问题，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，这是接地装置必需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；其次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进展与现状依据接地电阻的定义：接地电阻应当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，测量引线是不行能设置在真正的无穷远处的，而且测量回路的存在必定导致帮助电极的存在，而帮助电极的引入必定会使地中的电流场发生
14、畸变从而影响到地面电位的分布；所以在测量过程中，必需考虑到帮助电极的影响；明显，帮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；依据接地电阻的定义，最初人们对接地电阻的测量是使用伏安两点法；就是简洁的在距离地网较远的位置布置一个电极，直接将帮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；从使用成效来看，这种方法测量误差很大，测量牢靠性和重复性都特别差；目前已基本不使用这种方法；随着电力技术的不断发展，对接地电阻的懂得和分析也愈加深化，从60 岁月开头，电位降测量理论逐步得到了广泛的认可；时至今日， ANSI/IEEE 标准
15、仍旧举荐使用电位降法来测量接地电阻，也就是布置电流极和电压极两个帮助电极， 通过不断转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，国内外讨论人员在电位降理论基础上进展了一系列简化测量理论，其中最常采纳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0.618 法和 30 度夹角法；依据使用的仪器不同，又产生了很多不同的测量方法，如电流表-功率表法、电桥法、电位计法等；2.2 接地网技术的进展状况1） 牺牲阳极实现地网
16、的主动爱护；在土壤电阻率相对较低的地区，地网接地电阻值简洁满意要求，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峻；依据这一现象中的“微电池”和“宏电池”的机理，提出了以牺牲性阳极，积极爱护以阴极形式存在的地网的观点，并在实践中取得了胜利；据推算，采纳该爱护方法可使地网的使用年限延长到 40 年；2） 深孔或非单层接地的降阻措施；在土壤电阻率相对较高的地区，接地电阻值很难达到要求，通常采纳的计策是将地网外延，由于地网敷设在厂按测试极位置来分，可分为导就法、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
17、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；大电流法包括三极法、四极法、瓦特表法等；小电流法包括外表法、异频法、白噪声功率谱高阶谱 法；4按测试干扰排除方法，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、数值运算法等等； 这些分类方法既相互包含又各有不同，只是看人们用于不同的领域、不同的讨论方向、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）导就法导就法是接地装置工频特性参数的测量导就中举荐使用的方法，在很多书籍里也形象地称这种方法为远离法；对于半
18、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，即可满意要求；但实际上是很难做到的；由于实际变电站接地网的面积都比较大，那么测量用的导线要特别长，压降和误差都会特别大；假如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 指实际地网的半径），测量用的电流极和被测地网的距离是10 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10%；即测量结果比实际值偏小10%，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Fig2-2 Diagram of Electrode Layout
19、 and Potential Distribution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，变电站的地网外形并不是半球形，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，依据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Fig2-3 Diagram of Wiring
20、 by Using Three-Electrode System图中， E-测量用的工频电源； I -沟通电流表； U-沟通电压表在接地装置工频特性参数的测量导就中举荐使用三极法测量接地电阻；三极即指G、 P、 C，其中， 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；假如想较精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的 5%，然后再测量电压极与接地装置之间的电压；假如电压表的三次指示值之间的相对误差不超过5%，就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R=U/I 中去，得
21、到被测接地装置的工频接地电阻R；3）补偿法 0.618 法）在导就法中所测得的接地电阻仍要比实际值小10%，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；假如把电压极由 50%的零位面右移到 61.8%的负电位处，就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；补偿法通常用在地网尺寸大、用导就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， 仍可推广应用到电压极和电流极按三角布置的情形；在现场实际测试工作中，电流极和电压极成肯定夹角布置，常常取电压极和电流极为相等的距离，它们之间的夹角q=30 度的测试方法 即 30 度夹角测试法，电流
22、极与电压极与被测接地体具有相同的长度，夹角为30 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 以及帮助电极S,由测量到的接地装置和帮助极、接地装置和电压极以及电压极和帮助极之间的电压，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特地的测量电源，因此它的广泛应用受到条件的限制，在一些场合可以采纳接地电阻测量仪法；目前，接地电
23、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，采纳手摇电机作电源；另一种是钳表法；上海交通高校工程硕士论文其次章变电站接地网讨论及故障诊断分析第 11 页ZC-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，外表备有机械整流器或相敏整流器，以便将沟通转化为检流计所需的直流电源，并可排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仍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105-120Hz， ZC-8型测量仪由于其电源容量小，不能供应大的测量电流，很多实践说明其测量值随干扰电流值的加大而明显增大，即抗干扰才能低；
24、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Fig2-4 Diagram of Measurement with Clamp Meter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 ，就个人资料整理仅限学习使用I U R R Z G/ = + ZR 式2-1）简化为I U RG/ =回路电阻，不能简洁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；
25、接地电阻测试仪体积小巧，电源便利，操作简洁，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缘由，接地电阻测试仪不适合1R 2 R GR 1 - n RnR电压线圈电流线圈大地网的测试；因此导就举荐，当接地装置的最大对角线较小，且工频接地电阻值大于0.5W 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23；异频测量法使用变频电源，地网干扰经过选频滤波被排除；即利用频谱技术第一测量地网干扰信号频谱，掌握试验电源频率使之工作在未受干扰或干扰较小的频段上，采纳运算机进行数据处理，可从测量结果中拾取电流电压的
26、同相重量，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、信号发生器和功率放大器复合组成；目前，采纳电力电子技术，利用正弦脉宽调制SPWM）原理已研制出性能优良的异频功率源；讨论说明，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，可以发觉在50Hz 和 150Hz 邻近幅度最大，在35Hz 以下和 60-110Hz 之间趋近于零；为了精确拾取有用信号，信号采集时，依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
27、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邻近二个频率源下的测量值的运算，排除引线间的互感电压 包括接地电阻电抗的电压重量）；其次种是通过工频邻近二个频率电源下测得的接地电阻，利用插值法运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、操作便利，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排除引线间的互感电压，但测得的接地电阻值为纯电阻；其次种方法不能排除引线间的互感，必需借助电压电流极成180或 90）布线或运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重量；如何利
28、用其次种方法，并与其他方法如四极法等）相结合，来排除引线间的互感，是值得讨论的问题；7） 瓦特表法瓦特表法就是采纳三极法的工作原理，通过测量电流和功率求得接地电阻2/I P R G=W） 2-3）式中， P-接地电阻上的有功损耗 W）； I-输入接地装置的沟通电流有效值A） 瓦特表法24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洁明白、试验操作简洁、测量数据少、运算便利；能排除测量引线间互感的影响，结合倒相法，能有效排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 依据干扰的大小），且不受电源波形或非工频干扰成分的影响；因此，水电厂接地设计导就举
29、荐了该测量方法；但瓦特表法的缺点也特别明显，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，也转变了原先电流在地中的电场分另外；误差仍取决于表计 主要是瓦特表）上偏转大小，当瓦特表偏转格数大于5 至 10 格满表75 格）时，其误差将稳固在较小的水平上；这与实际测量也是相符的；仍有，假如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 f 可能很大，存在超过瓦特表标定“功率因数f 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
30、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25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全部频率上都为常数，具有平整的功率谱密度，具有高斯分布的白噪声叫做高斯白噪声；白噪声是一种频率特别宽的信号，可以掩盖全部的干扰频率；双通道频谱分析仪以快速傅立叶变换FFT）为基础，可以得出被测接地网接地电阻的频谱图；假如没有干扰就幅频特性将是一条直线，此时电压和电流的相干系数为1，假如有某一频率的干扰，就在该频率处的幅频特性上将显现尖锋，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来后求 出；假如地中仅存在有限个谐波信号干扰时，可利用以上介绍的方法；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，就会显现很大的误差；这种误差是无法采纳对幅频特性进行线性回来排除的；假如采纳噪声相减的方法，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