一种不断开接地引线杆塔接地电阻测量注入电流频率范围的确定方法

摘要

本发明涉及一种不断开接地引线杆塔接地电阻测量注入电流频率范围的确定方法，针对高频并联法在不断开接地引线条件下测量杆塔接地电阻时，当注入电流信号频率较大时接地体感性效应较明显，增大测量误差。且该方法测量所得杆塔接地阻抗值与入地测量电流频率和杆塔周围土壤相对磁导率都有很大关系，高频并联法未考虑周围实际情况，适应性较差。本发明建立了不断开接地引线杆塔接地电阻测量模型，综合考虑不断开接地引线条件下测量时各影响因素，提出不断开接地引线准确测量杆塔接地电阻时注入电流频率范围的方法，结合数学分析方法确定准确测量杆塔接地电阻时注入信号频率范围。针对上述理论分析构建测量装置，完成对杆塔接地电阻高效、准确的测量。

说明书

技术领域

本发明涉及杆塔接地电阻测量技术领域，特别涉及一种不断开接地引线条 件下测量杆塔接地电阻注入电流频率范围的确定方法。

背景技术

杆塔接地电阻是杆塔接地系统的主要衡量参数，直接影响输电线路的跳闸 次数，对电网运行有至关重要的作用，因此准确、高效地测量杆塔接地电阻值 具有重要的工程意义。

目前常用的测量杆塔接地电阻的方法中，电位降法测量接地电阻时需反复 测量，工作量大，且不易绘制电位降曲线，现场操作困难；钳表法测量采用电 磁感应原理，操作简单，测量快捷，但是易受干扰，测量误差比较大，不能满 足精度测量要求；三极法测量杆塔接地电阻，准确性较高，性能稳定，但测量 时需拆开所有的接地引线，工作量大，效率低下。

在三极法准确测量的基础上，又提出了高频并联法，该方法通过向被测杆 塔接地体中注入单一恒定高频电流，增大避雷线感抗，使避雷线感抗很大而近 似认为断路，实现不断开接地引线的测量。但该方法当注入电流频率为恒定高 频10kHz，此时，小型接地网感性相对阻性部分已不能忽略，且接地阻抗值随入 地测量电流频率与土壤相对磁导率增大而增大。因此，高频并联法没有根据现 场土壤性质、测量电流频率等因素综合考虑接地体电感效应对测量结果的影响， 不能很好地适应现场情况。

针对高频并联法存在的缺陷，建立相对完整的杆塔接地电阻测量系统模型， 在不断开接地引线条件下理论分析完整的杆塔接地电阻测量系统模型，得出在 不断开接地引线及考虑接地体电感效应时准确测量杆塔接地电阻的简化等效模 型。基于此简化等效模型提出合理的优化算法(尽可能的减小接地体电感效应 对测量准确性的影响)，最后得出在考虑接地体感性效应基础上的合理测量电流 信号频率范围，注入此频率范围内的测量信号，可以方便、准确的测量杆塔接 地电阻，区别于高频并联法单一恒定高频。这样便在不断开接地引线的条件下 充分考虑接地体电感效应，弥补高频并联法测量误差大和应用受限的缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种在不断开接地引线的条件下杆塔接地电阻测量注 入电流频率范围的确定方法，基于高频并联法在输入单一恒定高频测量信号时 的测量缺陷，本发明通过建立不断开接地引线杆塔接地电阻测量模型，充分考 虑接地体电感，杆塔自身电阻，避雷线电阻、电感等影响测量的因素，经过理 论分析得出准确测量杆塔接地电阻的等效简化模型，并在此基础上进一步分析 考虑接地体电感时注入信号频率范围，达到准确测量杆塔接地电阻的目的。

为实现上述目的，采用的技术方案为，本发明提供的一种不断开接地 引线杆塔接地电阻测量注入电流频率范围的确定方法，包括如下步骤：

1)建立测量模型

埋设于土壤中有限长的杆塔接地体等效阻抗为Z＝R+jX＝R+jωL，随着测量 频率f的提高，接地阻抗中电感效应会越来越明显，当注入高频电流时，测量的 杆塔接地电阻值表现为杆塔接地阻抗值；若注入电流信号大小达到kHz以上时， 则认为被测杆塔与周围其它杆塔没有形成回路，便忽略周围其它杆塔的接地电 阻R_n及周围其它杆塔的电感L_n，避雷线电阻R_Ln和被测杆塔自身电阻R_Tn都是由电 阻率很小的钢性材料制成，其阻值相对被测杆塔接地电阻值可忽略，从而得到 测量杆塔接地电阻的等效简化模型，即测量模型。当注入电流信号为kHz以上时， 杆塔接地体感性效应完全不能被忽略，所以在不断开接地引线高频测量信号下， 测量所得杆塔接地电阻值表现为一阻抗值。本发明根据电力行业标准DL/T 596-1996《电力设备预防性实验规程》及《工业与民用电力装置的接地设计规 范GBJ65-83》，选择规程范围内接地电阻值及影响不断开接地引线测量杆塔接地 电阻各因素(避雷线电阻、电感，杆塔自身电阻等)参数构建电路分析模型， 经过严格的理论分析计算，从而确定出不断开接地引线测量杆塔接地电阻的等 效电路模型，即简化等效测量模型。依据此模型，分析得出合理的测量杆塔接 地电阻频率范围，使不断开接地引线测量时的接地阻抗值尽可能接近接地电阻 值。

2)确定注入电流频率

很据步骤1)建立的测量模型，采用三极布极原理测量杆塔接地电阻，在不 断开接地引线时，使得测量误差尽可能小的条件为：

$\left(\begin{array}{c}2\mathrm{\pi F}{l}_X<<R_x\\ R_x<<2\mathrm{\pi f}{L}_{\mathrm{eq}}\end{array}\right)---\left(4\right)$

式中f表示注入电流频率，L_x表示被测杆塔接地体电感，R_x表示被测杆塔接 地体电阻，L_eq表示与被测杆塔邻近的两杆塔的避雷线等效感抗值；

将式(4)转换为注入电流频率f的不等式为：

$\left(\begin{array}{c}\frac{R_x}{2\pi L_{\mathrm{eq}}}<<f\\ f<<\frac{R_x}{2\pi L_x}\end{array}\right)---\left(5\right)$

①注入电流频率下限值的确定

为满足(4)式，则需使

$\left(\begin{array}{c}\frac{2\pi {\mathrm{fL}}_x}{R_x}\to 0\\ \frac{R_x}{2\pi {\mathrm{fL}}_{\mathrm{eq}}}\to 0\end{array}\right)---\left(6\right)$

令注入电流频率下限函数△(f)为：

$\Delta \left(f\right)=\frac{2\pi {\mathrm{fL}}_x}{R_x}-\frac{R_x}{2\pi {\mathrm{fL}}_{\mathrm{eq}}}---\left(7\right)$

当△(f)→0时，可最大程度上同时满足(6)式中两式条件，描绘△(f)随频 率f的变化曲线，确定注入电流频率的下限值；

②注入电流频率上限值的确定

根据步骤1)所建的测量模型，实测结果为R_x+2πfL_x与2πfL_eq的并联值，要 使结果更加准确，需满足

R_x+2πfL_x<<2πfL_eq   (8)

令注入电流频率上限函数δ(f)为：

$\delta \left(f\right)=\frac{R_x+2\pi {\mathrm{fL}}_x}{2\pi {\mathrm{fL}0}_{\mathrm{eq}}}---\left(9\right)$

当δ(f)→0时，则可最大程度上满足(8)式的条件，绘制出δ(f)随频率f变 化的曲线图，根据曲线关系确定注入电流频率的上限值；

3)根据注入电流频率的下限值和上限值确定注入电流频率范围，在该频率 范围内调节可调激励电流源进行测量。

具体地，上述可调激励电流源包括电源电路模块、中央控制单元模块、信 号发生器模块和功率放大模块，电源电路模块分别给中央控制单元模块、信号 发生器模块和功率放大模块供电，中央控制单元模块控制信号发生器模块产生 测量所需的电流波形信号，信号发生器模块产生的电流波形信号由功率放大模 块进行功率放大。

本发明中所建立的杆塔接地电阻测量模型是在充分考虑影响杆塔接地电阻 测量各个因素基础上建立的，具有较高的可靠性和准确性，基于此模型进行分 析并确定测量杆塔接地电阻时的频率范围，这样测量得到的接地电阻值能够准 确反映在高频测量信号下杆塔接地电阻的准确值。在本发明方法所确定的注入 电流频率范围内，可以准确测量出杆塔接地电阻，而不会忽略感性阻抗部分。

附图说明

图1是杆塔接地体等效电路；

图2是不断开接地引线测量杆塔接地电阻时的等效测量电路；

图3是不断开接地引线测量杆塔接地电阻的简化等效电路1；

图4是不断开接地引线测量杆塔接地电阻的简化等效电路2；

图5是不断开接地引线测量杆塔接地电阻的简化等效电路3；

图6是△(f)与注入电流频率f关系曲线；

图7是δ(f)与注入电流频率f关系曲线；

图8是可调信号激励原的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步描述：

本发明公开一种不断开接地引线测量杆塔接地电阻注入信电流率范 围的确定方法，因此，本发明具体的实施方式都是在不断开接地引线条件下杆 塔接地电阻测量基础上的。下面对本发明的方法进行详细分析与描述。

1、测量模型建立及分析

埋设于土壤中有限长杆塔接地体可等效于一个LR集总参数电路(电容 效应在一般情况下不明显)，呈现为一个阻抗Z＝R+jX＝R+jωL，电路模型如图 1所示。当注入直流或工频电流时，接地体近似等于电阻R。但随着测量频率的 提高，接地阻抗中电感效应会越来越明显。本发明中，通过严格的理论分析， 将使被测杆塔在高频不断开接地引线条件下的接地阻抗值近似等于被测杆塔的 接地电阻值。

基于一个完整的杆塔接地电阻测量系统出发，本发明建立了一个等效物理 测量模型，如图2所示。其中R_Ln是避雷线电阻，R_Tn是杆塔自身电阻，L是避雷线 电感(假设相邻两杆塔之间的电感值相等)L_n被测杆塔周围其他杆塔接地体电感， R_x是被测杆塔接地体电阻，L_x是被测杆塔接地体电感，R_n是被测杆塔周围其他杆 塔接地电阻。

根据《GB50169电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》以及《DL/T 621》可知，在土壤电阻率不高于500Ω/m的情况下，杆塔接地电阻值需在4Ω至 10Ω之间。另外，依据《工业与民用电力装置的接地设计规范GBJ65-83》，输电 系统中常采用的避雷线型号为LGJ—185钢绞线，其电感值为1.28μH/m，档距为 几百米时，其避雷线等效电感为mH级，当注入测量信号为kHz以上时，避雷线 感抗值将达到几十甚至几百欧姆，当测量信号是工频信号时，避雷线感抗值将 小于0.01Ω。同时，避雷线电阻R_Ln和杆塔自身电阻R_Tn，因其都是由电阻率很小的 材料构成的，故其值都小于0.1Ω，接地体电感值L_n的大小在μH级。

在图2中，注入电流(以下所有计算符号均为标量值)，其中经 由杆塔接地体及土壤流回电流极，而通过接地引线流向杆塔、避雷线与周围 相邻杆塔形成回路流回电流极。此时，如果注入直流或者工频电流，根据上文 描述，并与被测杆塔接地电阻值大小比较，R_Tn、R_Ln、L_n、L可以被忽略，则 求得的杆塔接地电阻值R_loop为：

$R_{\mathrm{loop}}=\frac{1}{\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}...+\frac{1}{R_x}+...+\frac{1}{R_{n-1}}+\frac{1}{R_n}}---\left(1\right)$

由式(1)可知，不断开接地引线时，三极法注入工频电流或者直流时测量得 到的为所有杆塔接地电阻并联值，远小于待测杆塔接地电阻值R_x。

根据图2不断开接地引线测量模型，当是高频测量信号时，避雷线感抗值 将增大。此时，基于上文描述，与被测杆塔接地电阻值大小相比，R_Tn、R_L可以 被忽略。然而，L、L_n却不能被忽略，图2电路可以被演化为图3所示电路。

基于电路分析，根据《工业与民用电力装置的接地设计规范GBJ65-83》，取 图3电路中各参数典型值：两杆塔之间的距离选为350m，R_x、R_n都设定为5Ω， L_n、L_x设定为20μH，依据图3所示电路，I₁、I₂可以被近似计算为：

$\left(\begin{array}{c}{I}_1\approx \frac{\sqrt{{R_{x+1}}^2{(\mathrm{\omega L}+\omega L_{x+1})}^2}/2}{\sqrt{{R_x}^2+{\left(\omega L_x\right)}^2}+\sqrt{{R_{x+1}}^2+{(\mathrm{\omega L}+\omega L_{x+1})}^2}/2}I\\ I_2\approx \frac{\sqrt{{R_x}^2+{\left(\omega L_x\right)}^2}}{\sqrt{{R_x}^2+{\left(\omega L_x\right)}^2}+\sqrt{{R_{x+1}}^2+{(\mathrm{\omega L}+\omega L_{x+1})}^2}/2}I\end{array}\right)---\left(2\right)$

将R_x＝5Ω,R_x+1＝5Ω,L_x＝20μH,L_x+1＝20μH,L＝12.8μH/m*350m＝4.48mH带入方程(2)， 当I是高频信号时(取f＝3kHz)，

$\left(\begin{array}{c}{I}_1\approx \frac{\sqrt{{R_{x+1}}^2{(\mathrm{\omega L}+\omega L_{x+1})}^2}/2}{\sqrt{{R_x}^2+{\left(\omega L_x\right)}^2}+\sqrt{{R_{x+1}}^2+{(\mathrm{\omega L}+\omega L_{x+1})}^2}/2}I\approx \frac{9}{10}I\\ I_2\approx \frac{\sqrt{{R_x}^2+{\left(\omega L_x\right)}^2}}{\sqrt{{R_x}^2+{\left(\omega L_x\right)}^2}+\sqrt{{R_{x+1}}^2+{(\mathrm{\omega L}+\omega L_{x+1})}^2}/2}I\approx \frac{1}{10}I\end{array}\right)---\left(3\right)$

根据上述计算规律，I₂₁,I₂₂,I₂₁₁,I₂₁₂,可以被近似计算， 当注入电流不是很大时，流入被测杆塔周围 杆塔的电流会越来越小，几乎为零。所以，充分认为不断开接地引线测量杆塔 接地电阻只与被测杆塔邻近的两基杆塔有关，图3电路可以转化为图4所示电 路。

当注入电流的频率较高时，jωL_eq与R_x+1+jωL_x+1相比，数值大小相差较大， 所以，图4所示的测量电路可以被演化为图5所示的简化等效电路。图5中L_eq为 与被测杆塔邻近的两杆塔的避雷线等效感抗值。

至此，不断开接地引线测量杆塔接地电阻简化等效电路如图5所示，基于 此模型进行电路分析，确定不断开接地引线杆塔接地电阻测量注入电流频率范 围。

2、注入电流频率范围的确定

本发明中提出的杆塔接地电阻测量方法布极原理采用受到电力行业标准 DL475-92《接地装置工频特性参数的测量导则》和DL887-2004《输电线路杆塔 工频接地电阻测量》推荐的三极布极原理，在不断开接地引线的条件下注入一 定频率范围内的高频测量信号，通过测取电压极、电流极上的电压、电流信号 换算被测杆塔接地电阻值。本发明中提出的确定测量杆塔接地电阻频率范围的 方法可以合理的确定测量信号频率范围，减小杆塔接地体感性对测量结果的影 响。根据图5所示，在不断开接地引线时，使得测量误差尽可能小的条件为：

$\left(\begin{array}{c}2\mathrm{\pi F}{l}_X<<R_x\\ R_x<<2\mathrm{\pi f}{L}_{\mathrm{eq}}\end{array}\right)---\left(4\right)$

将式(4)转换为需注入的电流频率f的不等式为：

$\left(\begin{array}{c}\frac{R_x}{2\pi L_{\mathrm{eq}}}<<f\\ f<<\frac{R_x}{2\pi L_x}\end{array}\right)---\left(5\right)$

1)、注入电流频率下限值的确定

依据图5建立的杆塔接地电阻测量模型，在不断开接地引线进行杆塔接地 电阻测量时需满足(4)式确定的不等式组，为满足(4)式条件，则需使

$\left(\begin{array}{c}\frac{2\pi {\mathrm{fL}}_x}{R_x}\to 0\\ \frac{R_x}{2\pi {\mathrm{fL}}_{\mathrm{eq}}}\to 0\end{array}\right)---\left(6\right)$

但实际测量中电流频率f不可能同时使趋近于0，设注入电 流频率下限函数△(f)为：

$\Delta \left(f\right)=\frac{2\pi {\mathrm{fL}}_x}{R_x}-\frac{R_x}{2\pi {\mathrm{fL}}_{\mathrm{eq}}}---\left(7\right)$

当△(f)→0时，可最大程度上同时满足(6)式中两式条件，计算△(f)满足 式(6)要求的尽可能多的频率点的值，并描绘△(f)随频率f的变化曲线，便可 确定注入电流频率的下限值。

2)、注入电流频率上限值的确定

根据图5所建测量杆塔接地电阻模型，在不断开接地引线进行杆塔接地电 阻测量时被测杆塔的接地电阻模型实际为一阻抗值，且实测结果为R_x+2πfL_x与 2πfL_eq的并联值，要使结果更加准确，需满足

R_x+2πfL_x<<2πfL_eq   (8)

设注入电流频率上限函数δ(f)为：

$\delta \left(f\right)=\frac{R_x+2\pi {\mathrm{fL}}_x}{2\pi {\mathrm{fL}0}_{\mathrm{eq}}}---\left(9\right)$

当δ(f)→0时，可最大程度上满足(8)式的条件，计算δ(f)满足(8)式要 求的尽可能多的频率点的值，并绘制出δ(f)随频率f变化的曲线图，根据曲线关 系便可确定注入电流频率的上限值。

3)、注入电流频率精确范围的确定

将图5中的R_x、L_x、L_eq根据《GB50169电气装置安装工程接地装置施工及 验收规范》与《GB50057-94防雷设计规范》分别赋以规程范围内的参考值： R_x＝10Ω，L_x＝10uH，L_eq＝10mH，带入式(4)、(5)中得：

159.2Hz<<f<<159.2kHz   (10)

由式(10)理论上大致得出测量电流所在的频率范围。但结合实际测量需 要，既要提高测量电流频率增大避雷线感抗，避免其与周围杆塔形成测量回路， 增大误差，同时又要避免测量电流频率较高时，接地体电感效应明显，增大测 量误差，综合以上因素，确定一个更为准确的频率测量范围。

依据本发明中提到的注入电流频率上、下限值的确定方法，计算杆塔接地 电阻测量模型各部分阻抗值(R_x＝10Ω、L_x＝10uH，L_eq＝10mH)，然后计算△(f)(％)， δ(f)(％)的值。做出△(f)与注入电流频率f关系曲线和δ(f)与注入电流频率f关 系曲线如图6和图7。

从图6可知，随着频率的增大，当f在3kHz以后取值时，△(f)的值则趋近于 0，且变化量非常小，几乎趋近于零，根据实际测量需要，测量电流的下限频率 设定为为3kHz。

从图7可知，随着频率的增大，当f在8kHz以后取值时，δ(f)的值的变化量 非常小，几乎接近于零。为使得δ(f)的值更接近于0，且满足高频测量的要求， 结合实际测量情况(测量时能有尽可能多的频率点)，将测量电流频率的上限值 设定为12kHz。

综上所述，可以确定一个更为准确的杆塔接地电阻测量电流信号频率测定 范围：3kHz<f<12kHz。

在确定好测量频率范围后，就可以在这个范围内选择多组频率值进行测量， 然后将测量得到的数据进行数据预处理和多项式拟合，得到一个最准确的测量 值。

多频电流注入的杆塔接地电阻测量方法及装置能够在不断开接地引 线的情况下实现杆塔接地电阻阻值的准确测量。通过可调信号激励源产生一 定频率范围内的测量信号，信号源每隔15秒输出3-12kHz步进为1kHz的电流 信号，测量各个频率下电压极和电流极的测量信号，然后将测量换算得到的接 地电阻值进行一定的优化处理，这样便可在考虑接地体电感效应的基础上准确 反映被测杆塔的接地电阻值。可调激励电流源的结构图如图8。

可调激励电流源主要由电源电路模块1、中央控制单元模块2、信号发 生器模块3和功率放大模块4构成。其中中央控制单元模块2控制信号发生 器模块3产生产生测量所需的电流波形信号(主要是正弦波信号)，信号发生器 模块3产生的电流波形信号由功率放大模块4进行功率放大。

电源电路模块1是整个系统有效运行的基础，而由于系统功能模块较多， 各模块的供电电压不相同，因此需要对供电源锂电池的电压进行转换处理以保 障构建系统正常有效运行。功率放大模块4中的PA05芯片供电电压范围为15V 至45V，因此可采用使用寿命较长的20V锂电池组串联引出±20V电压。而信号 发生器模块3以AD9833为核心，其所需电压范围为+2.3V至+5.2V，所以可采用 高性能的LM2576-5.0芯片实现电压转换并对其供电。另中央控制单元模块2所 需电压为5V，我们仍可采用LM2576-5.0芯片转换输出对其供电。

中央控制单元模块2采用美国Microchip公司生产的高性能微处理器 PIC18F5420，该芯片具有44个端口，编程环境易于操作，性价比较高。通过编 程控制信号发生器模块3产生测量所需的波形信号。

信号发生器模块3采用DDS(Direct Digital Synthesis，直接数字频率合 成)技术实现可变频正弦信号输出。该技术是一种以采样定理为基础的全数字 化波形产生方法，是直接频率合成技术和PLL锁相环频率合成技术之后的第三 代频率合成技术。它以ADI公司的直接数字频率合成芯片AD9833为核心构成， AD9833是一款低功耗、可编程的波形发生器，具有与SPI接口标准兼容的串行 接口线。中央控制单元模块2通过SPI总线与AD9833相连接，实现中央控制 单元模块2控制信号发生器产生正弦波信号，并且调节信号源频率。

功率放大模块4主要用于将信号发生器模块3产生的信号进行功率放大， 由于普通功放模块无法满足测量对信号功率的要求，本发明功率放大模块4采 用军工用品PA05功放芯片，该芯片工作稳定，温度适应范围宽，具有较高的信 噪比等，能很好的将信号发生器模块3产生的信号进行功率放大，以满足测量 时信号功率要求。

电压控电流源VCCS采用Howland电流泵实现信号功率放大，产生测量电流， 克服了电源效率低、电压变化范围小等缺陷，在电路中引入两个电流反馈，放 大电路的输出电流非常稳定，受负载影响很小，并实现了电流源一端接地。

依据AD9833和Howland电流泵实现的可调激励源可以输出满足要求频率范 围的测量信号，在不断开接地引线的条件下快速、准确的完成杆塔接地电阻值 的测量，对提高电力系统供电可靠性和节约人力、物力具有重要的意义。