DL∕T 2553-2022 电力接地系统土壤电阻率、接地阻抗和地表电位测量技术导则

2022-11-04发布2023-05-04实施国家能源局发布IDL/T2553—2022 Ⅱ 1 13术语和定义 14测试目的 35土壤电阻率 36接地阻抗 77电流分流 8地表电位 169电气完整性 2 23 25 28附录A(资料性)土壤的电阻率参考值 附录B(资料性)深度变化法土壤模型分析实例 30附录C(资料性)非均匀土壤的地电参数 32附录D(资料性)分层土壤模型参数的确定 34附录E(资料性)通过仿真软件建立分层土壤模型的方法 36附录F(资料性)电位降法原理 附录G(资料性)钳形接地阻抗测试仪 40附录H(资料性)地面表层材料电阻率 43附录I(资料性)本文件与ANSI/IEEEStd81-2012的主要技术差异及其原因 本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》1接地极(3.4)与接地线(3.3)的总和。2由水平和垂直接地极(3.4)组成的，供发电厂、变电站使用的，兼有泄流和均压作用的水平网状接地系统groundingsystem接地装置(3.5)对远方电位零点的阻抗。数值上为接地装置与远方电位零点间的电位差，与通过根据通过接地极(3.4)流入地中冲击电流求得的接地阻抗(3.8)。数值上等于在冲击入地电流的电流经接地装置(3.5)的接地极(3.4)流入大地时，接地装置与参考地之间的电位差。当接地短路故障电流流过接地装置(3.5)时，被试接地装置所在的场区地表面形成的电位梯度分当接地(3.2)短路故障电流流过接地装置(3.5)时，地面与接地结构(如设备外壳、架构或围栏)之间的电位差。接触电位差(3.14)的一种特殊情况，当接地(3.2)短路电流流过接地装置(3.5)时，将接地装置高电位引出站外的导体与附近地面的电位差，或将站外低电位引入站内的导体与附近地面的电经接地网(3.6)散流的故障电流与总的接地(3.2)短路故障电流之间的比值。3耦合coupling在两个或两个以上的电路或系统间，可进行一电路(系统)到另一电路(系接地极互阻mutualresistancea)含盐量4有限时，可酌情减少，但至少应达到最大对角线的2/3。极5a)等距法或温纳(Wenner)法。采用此种方法时，电极按p——视在土壤电阻率，Q·m;间距为a的直线上，入地深度不超过0.1a。因而可假定b=0,则公式(1)简化为：通过公式(2)可得出深度为a的视在土壤电阻率近似值。6可按公式(3)计算：p=πc(c+d)R/d……(3)第E.0.4条。7四极法的测试数据分析与深度变化法相似。四极法所测的土壤电阻率与电极间距的关系曲3)视在土壤电阻率发生最大变化时的电极间距应大于实际土壤电阻率发生相应变化时的89有故障记录仪中的备用采集通道。由于被测电压和电流的量级通常较高，可使用衰减电路(电流互感器、电压互感器、分压器等)进行测量。可能出现的最大电压值以及由此所需的电压互感器变比，可电位降法(FOP)是在被测接地极G和电流极C之间施加试验电流，然后测量G与电位极P之间的电压，如图4所示。为减小电流极被测接地极间互阻的影响，电流极通常布置于距离被测接地极很P——电位极接地阻抗测试值(Q)接地阻抗测试值(Q)于电流极的引入导致地电位畸变而产生的测量误差进行了修正。补偿法虽然可以缩短测量引线的长度，但测量结果受土壤不均匀性的影响较大，因此在条件允许的情况下尽量采用电位降法或远离夹角法。对于具有多级并联接地回路的输电和配电线路杆塔接地极，可采用钳表法或者回路阻抗法测量接y高压输电线路钳表图7采用钳表法测量接地阻抗示意图钳表读数接近接地极的真实接地阻抗需要有一个前提，即在多重接地系统中，除被测接地极之外部分的阻抗值与被测接地极自身的阻抗值相比非常小，甚至可以假设其为零(Z=0)。这种方法适用于输电和配电线路，但其原理决定了这种方法存在如下应用限制；b)只适用于与被测接地极连接的接地系统接地阻抗值相对较低的情况。c)多重接地系统屏蔽线(或中性线)中存在被腐蚀的接头或连接会影响读数。这种情况下，钳表通常会显示开路状态。e)测量回路中的工频和高频干扰信号会影响钳表读数，尤其对高阻抗接地系统进行测量时，信噪比会较高，导致测试失败。有关钳表应用的限制条件和准确度见附录G。回路阻抗法测量原理本质上和钳表法相同，其同样存在钳表法存在的限制条件，但是其测试电流更大，可达数百毫安或更大，解决了钳表法的信噪比问题。采用回路阻抗法测量接地阻抗示意图如图8所示，将被测杆塔与被测接地极的电气连接全部拆除，使杆塔塔身与其接地极之间没有电气连接，将被测杆塔的所有接地引下线金属短接在一起。接地A高压输电线路000接地阻抗，如图10所示。0测试仪Tr,参考电压极变电站接地网通常与远方接地网、架空地线、配电系统中性点、高压和通信电缆护套、金属管DL/T2553—2022□言由于不同分流导体之间的相位角有很大差异，需要测量分流电流向量(幅分流系数K通过公式(6)进行计算：…差、接触电位差和转移电位差幅值，并据此判断：c)确认新变电站的跨步电压和接触电压设计计算书。由于计算建模取用的都是近似值，因此，计算值可能不同于测量值。地表电位测试应包含地表电位梯度、跨步电位差、接触电位差和转移电位差等内容。8.2测试范围从一已知参考点沿着选取的测量路径，测量接地电气设备周围的电位U,并画在位置图上，形成U-x曲线。各路径的U-x曲线形成场区地表电位梯度分布曲线，测试示意图见图12。xP设备图12场区地表电位梯度分布测试示意图根据下述重点区域测试跨步电位差和接触电位差。a)跨步电位差应根据所关注的区域，如场区边缘、重要通道处进行测试。图13给出了跨步电位差的示意图。b)接触电位差应重点测量场区边缘和运行人员常接触的设备，如隔离开关、构架等。测试时应重点测试以下位置：1)结构接触电位差。在接地结构(或变电站内的金属物体)与1.0m(约为一只手臂的长度)距离内的土壤表面之间测量结构接触电位差。最大值一般出现在距离接地网边缘最近的结构上。图14给出了结构接触电位差的示意图。图13跨步电位差示意图Rk——人体等效电阻；图14结构接触电位差示意图地线地线四地面图15网孔接触电位差示意图3)围栏接触电位差。在金属围栏与1.0m(臂展长度)内的土壤表面之间测量围栏接触电位差。网不相连的围栏，最大值可能位于围栏拐角外侧，也可能位于围栏拐角内侧。图16给出了围地线图16围栏接触电位差示意图4)门接触电位差。门接触电位差是金属门与任何门摆位置1.0m(臂展长度)内的土壤表面之间门图17门接触电位差示意图a)变电站转移电位差。变电站转移电位差又称高电位引外，是接地网A点高电位通过连接于接BAB¥ADL/T2553—2022f)局部电位差往往很小，因此，测试仪应有足够高的分辨率(小于1mV)和良好的工频干扰消除性能。由于与接地阻抗测试使用同一个电流源，其抗干扰措施可见第11章中接地阻抗测试测试时，将不小于50A的恒定工频电流通过接地网流向远方电流极，并经绝缘导线流回。可将输电线路或配电线路断电，用相导线从电源输送测试电流，如图20所示。电源可位于远方接地极变电站。电源通常由移动变电站或临时安装的变压器组成，也可以使用汽油驱动式发电机，对调速控制器进行调节后，在咯微偏离工频的频率下产生几3号图20典型的工频电流注入回路示意图还可以用电源输出侧的1号～4号开关让测试电流反向，通过倒相的方法来消除c)施加与干扰电流反向的测试电流(“b”极性)。以测试电流和接触电位差参数为例，其准确值可通过公式(7)和公式(8)来确定。进行比较判断。场区地表电位梯度折算后应满足DL/T475—2017中6.3.3的要求。9电气完整性变电站控制室中敏感的电子设备的接地引下线与接地网的接触不良是雷击或故障冲击时造成其损坏的重要原因之一。为了判断变电站中各种电气设备在运行过程中是否存在接地不良的状况，通常需要对其定期开展电气完整性测试，即测试接地网上的两个接地点之间的连接质量。有时对于大型接地网系统，如发电厂的接地系统，也将完整性测试作为基建后的质量控制手段来实施。9.2测试方法电气完整性测试通常也称为导通性测试。其基本原理为，通过试验电源在接地网的两根接地引下线之间注入一个测试电流I,测试该电流在流经这两根引下线之间的接地网导体上产生的压降U,然后利用欧姆定律R=UII换算得到这两根引下线之间所有接地网导体的综合等效导通阻抗(以下简称“导通阻抗”),通过该阻抗来表征接地网的导通状态。一个典型的接地网电气完整性测试回路如图22所示，包括试验电源(一般10A～300A)、电压、电流测试仪表以及电压、电流测试引线。如有条件，也可采用专门的集成式的接地网导通测试仪，仪器的分辨率不大于1mΩ,准确度不低于1.0级。图22接地网电气完整性测试回路示意图测试时，首先选定一个很可能与接地网连接良好的设备或构架的接地引下线作为测试参考点(通常可选主变压器中性点),然后逐次测试周围其他电气设备或构架的接地引下线与该参考点之间的导通阻抗，直至完成整个变电站的测试。如果开始即有很多设备测试结果不良，宜考虑更换参考点。在整个测试回路的总阻抗中，除了接地网的导通阻抗外，有时还包括测试引线的阻抗。为了消除其影响，通常可采取以下两种方法：一种方法是将电流测试引线与接地网断开并将其短接，通过注入电流测试获得该测试引线的阻抗，并从总回路阻抗中扣除该阻抗，便可得到接地网的导通阻抗。如果在不同测点的导通性测试过程中不更换测试引线，那么测试引线的阻抗只需要测量一次即可。测试引线的阻抗测试一般在所有测点的导通性测试完成之后再进行，以便保证测试引线的温度和阻抗与导通性测试过程中相近。另外，如果采用交流电源进行测量，应注意避免将多余的引线绕成线圈，否则将会显著增加测量引线的感抗，另一种更为实用和简易的方法是采用四极法布线，如图22所示。引出2根测试引线。其中一对作为电流线，连接试验电源，另一对作为电压线，连接电压测试仪表。在该布线方式下，由于电压测试回路中未包含电流线上的压降，因此所测得的阻虽然电气完整性测试判断接地网的状态简易实用，但其测量结果往往仅适用于进行定性分析，而非定量判断。一个有效的评估方法是，通过横向比较不同测点之间的导通阻抗测试值，如果某个测点的导通阻抗值较其他测点异常增大，则该测点可能存在接地不良的安全隐患，应立即进行详细在接地网完整性的测试回路中，由于接地网为网状结构，其支路繁多，导通阻的单根导体支路的状态变化。因此，接地网完整性测试通常只是用于判断接地引下线的导通情况接地系统雷电冲击特性对确保雷电防护系统的有效性很重要。确认接地系统提阻而是低接地阻抗，是雷电防护的核心设计原则。因雷击引起的电压上升(地电位升)不仅与接地系统电阻有关，还与接地系统电抗有关。雷击产生的冲击电流由高频分波形的特点是开始时电压和电流急剧上升，随后是一个多余能量的长波尾。首值。冲击波形中的高频分量与快速上升波头相关，低频分量则存在于高能长波尾包括高频电抗分量。用于评估接地极高频电抗的测试仪应能施加几十千赫兹的高陡波冲击电流。这类测试仪通常采用三极法或电位降法布置测试电极。测试时，需要断开架空地线，击阻抗就成了主要参数。以标有阻抗75Ω的电视同轴电缆为例，如果用直流伏特-欧姆表或其他低频阻抗仪测量同轴电缆两端的阻抗，其读数接近0Ω而不是75Ω。但是，如果采用高频信号测量，端到端的阻抗就是75Q,也称为同轴电缆的冲击阻抗。因此，在测量高频参数时，需要使用高频测量当记录到了电压和电流波形后，电流波形上di/dt(斜率)=0的时间点(峰值)(并且，此后介质的冲击阻抗。有时，这个过程会因为波形的反射而变得十分复杂，但对于简将电压峰值和电流峰值定义为同时出现(因为冲击阻抗呈现纯电阻性)。图23给出了长2.4m,直径为引线必须与地隔离，以避免干扰。将引线悬挂在聚氯乙烯(PVC)管道上，可以很容易实现试验引线电流和电压波形。冲击电流波头时间通常设为0.5μs,利用这种高陡度波头冲击电流波，可在大无反射冲击接地阻抗测量(接地棒长2.4m,直径16mm)s00dd冲击电压分压器接地回路TA电压极电流极组20个频率点进行测量。图25给出了使用宽带阻抗测量仪测试2.4m(长)×16mm(直径)接地棒冲击接地阻抗测试实低频接地阻抗和电阻在300Ω范围内，如图25所示。当频率达到100kHz左右时，电抗向下穿过接近零线，此时阻抗和电阻为100Ω左右0—Z-----R—X火花间隙充电电阻波头电阻火花间隙充电电阻冲击电容充电电阻火花间隙充电电阻波尾电阻冲击电容冲击电容架空地线、地下水管、电缆外护套、相邻的铁路轨道等都可能对被测于实际值。其中架空地线(包括普通地线和OPGW光纤地线)、双端接地的电缆外护套对分流系数贡为提高测量的准确性，使接地阻抗测试值尽可能接近计算(设计)值，可在屏蔽线、金属管线以及其他外部干扰与待测接地装置连接之前进行测试，或对电流分流进行测试并对行修正，具体测试方法见第7章，修正方法按DL/T475—2017中6.2的要求。接地阻抗测试需要用到电流极和电位极，该试验电极的阻抗可能会对接地阻抗两点法或三点法在测试原理上，导致试验电极的接地阻抗对测试结果影响很大，其中两点法要求，试验电极与待测接地极的接地阻抗值相比可忽略；三点法要求，试验电接地阻抗应属同一数量级，否则测量结果可能不正确。对于FOP制，否则将导致流过测试回路的电流不足。为提高测试的准确性，测试设备的对于第一种情况，在测试现场应提高测试电流，为此可升高电源容量，或降低电流极的接地阻抗。增加测试电流最有效的方法是降低电流极的接地阻抗，可通过增加电流极埋增加湿度来降低接地阻抗。如电流极是由多个极棒并联组成，则极棒间应留有足够的距离(不应小于对于第二种情况，在使用直流电流测试时，测试电流应显著高于地中直流杂散电流来降低干在用交流或周期性换向直流电流测试时，可通过将测试信号的频率设置为杂散电电位极的接地阻抗如果与测试设备的输入阻抗数量级相同，则测量电压为被测接地装置电压与电位极分压之和。在土壤电阻率较低时，这种影响带来的误差可忽略不计，但在砂在进行土壤电阻率、接地阻抗测试时，可能存在杂散电流的干扰，降低测量准b)交流杂散电流土壤、待测接地装置以及试验电极中的交流杂散电流是影响测量结果的主要因流不宜小于50A。如果采用异频电流，对于大型接地装置，试验电流幅值通常不宜小于3A;使用回倒相法或倒相增量法来排除干扰，倒相法和倒相增量法应按照DL/T475—2017中6.2.1.4规定的方大型接地系统的接地阻抗通常很低(小于1Q),但可能含有较大的感性分量。在测量大型接地装接地阻抗为10Ω或以上的接地装置，其试验引线间的耦合通常可忽咯。接地阻抗为1Ω或以下的接地DL/T2553—2022统故障或雷击时，可导致被测接地装置与试验电极(远方零电位点)之间产生高达几千伏的转移电远方电位超过50V,应设专人看护，并与测试操作人员保持无线通信联络。若测试引线可能过程中避雷器存在向地面释放能量极高的短时雷电或操作冲击电流的可能，这种冲击电流可能超对上述在接地引下线测试过程中的安全隐患，应特别注意：在设备带电情况下，严禁断开避雷(资料性)类别电阻率近似值不同情况下电阻率的变化范围(一般地区、多雨区)(少雨区、沙漠区)土陶黏土一黑土、园田土、陶土白垩土、黏土1000以上 煤—多石土壤上层红色风化黏土、下500(30%湿度)一—600(15%湿度)砂一地下水较深的草原1.5m、底层多岩石岩石一多岩山地一一混凝土在水中—一在湿土中——在干土中—在干燥的大气中-矿DL/T2553—2022(资料性)或…与1相比，接地棒的半径r很小，可利用公式(B.3)计算出表B.1中每一个测量值对应的视在电表B.1用于推导两层土壤模型的深度变化法现场测量值m电阻Ω电阻ΩP1=300(Ω·m),p₂=100(Q·m),h=6.1(m)P₁=100(Ω·m),p₂=300(Q·m),h(资料性)……—将公式(D.3)代入公式(D.4),可得：(资料性)E.1在接地装置所在的站址，采用四极法或者大地电磁法，实测得到不同探针距离(深度)的若干组(3组～5组)视在土壤电阻率数据。E.2站址土壤结构模型宜分成表(浅)层、中层和深层，与此对应，视在土壤电阻率实测宜分为短距、中距和长距测试三个步骤，至少进行10个不同探针距离(深度)的测量，最大极间距离(最大深度)不宜小于接地网尺寸(取最大等效对角线),至少应大于接地网尺寸的2/3。析软件，通过对站址土壤分层结构的数值分析，得到土壤电阻率随测量极间距(E.10确定土壤模型后，计算反演得到E.11选择的层数越多，土壤分层结构模型越详细，接地装置电气参数计算精确度提高，但计算时间某水电厂属引水发电型水电站，从厂房后面高坡上水库通过两根管道引水到厂房后进入尾水河尾水接地网构成，接地网总面积约为500m×100m。站址周围不同测量探针距离的视m表E.1(续)m35(资料性)UE为接地极E通过1A电流所引起的电位升高，其值为接地极E的阻抗Re。因此，公式(F.3)……F.3均匀土壤根据公式(F.4),若满足下列条件，测得的阻抗R=UI等于真实阻抗Rg,即：或若电极E和G完全相同，则φ=ψ。假设D足够大以使U⁹=η(D)=0,则公式(F8)变为在均匀土壤中，若电极E和G为半球电极，将电极P布置于EG上与E相距0.618D处，或布置于公式(9)的正根即为电位极的布置地点x₀=0.618D,即0.618法则。若电位极布置地点位于E与G连线的反向延长线上P₂处(见图F.1),则公式(F.9)中D-x的应替换成D+x,此时只有复数根。若电位极布置地点位于E与G连线的延长线上P₁处(见图F.1),则D-x应替换成x-D,公式(资料性)图G1为钳表法的基本原理示意图。钳表钳住Rx,所有测极系统中，电流回路由所有接地极和大地共同组成，单个接地极的电阻值远大于其余所有接地极的图G2给出了一个使用钳表法完成高效测量的实例。输电或配电输电线路杆塔接地极通过中性线Z(10,Lso)=12.12+0.102i=12.124Ω,比实际的接地极的接地电阻10Ω高21.24%;Z(100,Ls₀)=120.12+0.103Z(1,L2403)=2.034+2.856i=3.5058Ω,比实际的接地极的接地电阻1Ω高251%;Z(10,L2403)=13.56+4.827i=14.392Ω,比实际的接地极的接地电阻10Ω高43.92%;Z(100,L240)=120.62+5.733i=120.752,比实际的接地极的接地电阻100Ω高20.75%。Z(1,L₃3)=2.144+3.852i=4.408Ω,比实际的接地极的接地电阻1Ω高341%;Z(10,