基于卫星时钟信号的大型接地网分流矢量测量研究
以往在进行大型接地网接地阻抗测试修正时，只能通过测量地网分流大小并简单相加减而无法测量其分流相移，导致接地阻抗修正出错。针对此问题，红相股份有限公司的研究人员林阳坡，在2020年第3期《电气技术》杂志上撰文，提出了一种以卫星时钟信号作为分流矢量同步基准的方法，并开发了相应的测量系统。该系统能够进行大型接地网分流矢量的测量，可有效用于修正接地阻抗。
随着电力系统变电站电压等级的不断提高，其接地网规模也在不断扩大。对于大型接地网基本上都存在着数十回以上的出线构架，而这些构架会产生分流，将直接影响接地阻抗测量准确性。因此，在测量接地阻抗时，必须同时测量出接地网的实际分流，以确保所测量的接地阻抗指标真实可靠。
本文采用一种更加便捷有效的接地装置分流矢量测量手段，开发相应的测量系统，以期对准确开展大型接地网状态检测评估工作产生积极影响。
1 现有技术
传统考虑地网分流状况主要有两种方式：一种方式是理论计算，如序分量法、相分量法等，这种方式计算复杂，只针对部分有限的接地系统，并不适用于所有类型的接地系统，因而实用性不强。
另一种方式是采用现场实测，用电流钳表或者柔性电流线圈，分别测量出所有架空地线和金属出线构架分流的大小，再以简单的标量代数相加减来获得地网分流大小幅值和地网实际散流电流大小幅值，但仅考虑了各自的模值，并简单地认为相移要么相同要么相反，而忽略了由构架本身感性分量作用而呈现出与测试电流之间存在着的不同相移，即该相移不一定是0°或者180°，还有可能存在环流的影响。
因此，这种以简单标量大小的代数相加减结果来作为实际分流状况的方式，无法实现被测接地网接地阻抗的准确测量和修正，还有可能使用户作出错误的判断。
对于分流矢量测量来说，其所面临的难点在于需要提供一个共同的参考基准。最直接的引线方式在实际操作中非常麻烦，需要在场区内频繁进行引线，会大大地增加现场测试的工作量，特别是对大型接地网，可能需要几百米甚至上公里的测试引线，工作量大，效率低。
目前市场上采用了一种以无线方式将注入点信号波形实时发射到场区各分流点、与各分流点测试得到的分流波形进行比较而获取分流矢量相移的方式，并提供了相应的测量装置。该装置的分流矢量测量是：在信号源对接地装置输出测试信号的同时，同步采样注入电流波形的相位信息，通过无线发射装置发送该波形信息至场区内，再由分流测量点的无线接收装置接收，并送至选频万用表上与测量得到的分流波形进行比较和处理，进而获得分流相移。
这种方式能够实现现场地网分流矢量的测量，但需要用到专门的选频通信设备和无线波形信号接收设备，且需要多个设备之间的配合使用，操作较为复杂，工作量大，不利于现场人员的操作使用，也会给测试人员带来更多的工作负担。此外，现场变压器、干式电抗器等产生的强电场干扰还会影响无线信号的传输质量。
2 本文研究的测量方法
本文提出了一种以卫星时钟信号作为参考基准的地网分流矢量测量方法。下面具体说明实现原理。
测量原理示意图如图1所示。本文方法借助于人造地球卫星提供的时钟同步信号，并以时钟同步信号作为信号输出和分流矢量测量的共同时标，首先以卫星时钟信号上升沿为基准同步调制信号源输出正弦波信号的过零点，之后仍以卫星时钟同步信号上升沿为基准，测量出信号注入点的入地电流信号以及各个构架分流值与卫星时钟同步信号上升沿之间的相位差，从而获得同一个基准下的入地电流相移和各个构架的分流相移，这样就可以直接进行分流矢量和的计算，从而获得准确的分流状况。
上述测试方法无需额外的参考基准电压引线，也不受现场试验环境条件的限制，抗电磁干扰能力强，可以在不拆解各种出线构架的情况下，准确测量接地网的分流矢量值，现场测试使用更加简单、方便，能够实现大型接地网分流矢量的有效检测和接地阻抗参数的准确测量，便于用户准确评估被测接地网的运行状态，从而保障电力系统的安全稳定和可靠运行。
图1 测量原理示意图
3 本文开发的测量系统
本文开发的这套可测量大型接地网分流矢量的接地装置特性参数测量系统主要由变频信号源、隔离变压器和可调频率万用表3个部分组成。该系统在不拆解各种进出线的情况下，可实现被测接地网各个出线构架分流矢量的准确测量，从而用于被测接地网接地阻抗的测试修正，帮助用户准确评估接地网的运行状态。
测量系统的结构原理如图2所示。下面说明具有带分流矢量测量功能的接地装置特性参数测量系统的结构原理。
图2 测量系统的结构原理图
3.1 变频信号源
变频信号源的主要结构如图2的左边部分所示，其主要由微处理器、供电电源、变频信号发生模块、稳流模块、滤波模块、人机交互模块以及可为变频信号源中异频信号输出提供卫星时钟同步基准信号的卫星时钟信号接收模块构成。
该卫星时钟信号接收模块可兼容北斗、全球定位系统（global positioning system, GPS）及全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GLONASS）等人造卫星，微处理器用于驱动并控制变频信号发生模块、稳流模块、滤波模块以及人机交互模块的正常工作。
3.2 隔离变压器
隔离变压器具备多级抽头绕组，可配合变频信号源输出与测量回路最佳匹配且最优化的异频测试电流信号。
3.3 可调频率万用表
可调频率万用表结构如图2所示的右边部分，其主要由可充电电池、微处理器、电流采集模块、电压采集模块、隔离滤波模块、模数转换模块（analog to digital converter, A/D）、存储模块、人机交互模块以及可为可调频率万用表分流矢量测量提供卫星时钟同步基准信号的卫星时钟信号接收模块构成[5]。该卫星时钟信号接收模块可兼容北斗、GPS和GLONASS等人造卫星，而可充电电池用于存储电能，并为各个模块提供电源。
本文开发的测量系统采用以卫星时钟信号作为参考基准的地网分流矢量测量方法，在变频信号源和可调频率万用表上均配置有卫星时钟信号接收模块，从而利用分布于地球表面的各种人造地球卫星提供的时钟脉冲信号作为信号输出和分流矢量测量的共同时标。
相比现有的分流矢量测量方式，该系统将分流相移测量功能与设备集成一体化设计，即将分流测量功能集成到变频信号源和可调频万用表上，且无需进行波形信号的无线发射与接收，因而也无需用到专门的无线选频通信设备和无线信号接收模块等辅助设备，不需要多个设备之间的配合使用，因而现场操作更加简单、方便，并具有抗电磁干扰能力强、传输距离广、无信号延迟、现场工作量小的特点。
本文开发的测量系统运用高稳定度的变频信号发生装置，能够保证异频小电流信号的持续稳定输出，方便现场开展接地网分流矢量的测试，可解决采用恒压输出方式面临注入地网的实时电流不恒定的问题，更能满足现场开展接地网特性参数测试评估的需要。
4 测试结果
4.1 实验室模拟测试
在实验室中，对本文开发的测量系统进行分流大小和相移的测量，并将测量结果与泰克DPO4104B示波器捕捉到的结果进行比对，以验证该系统分流测量的准确性。电流大小测量的比对结果见表1。
表1 电流大小测量的比对结果
从表1比对结果可以看出，本文开发的测量系统的分流大小测量满足1级精度要求，相移测量误差不超过0.5°。
4.2 现场试验
为了考量本文开发的测量系统的功能和现场实测效果，特选取了某1000kV特高压变电站接地网作为试验对象，并将接地阻抗测试结果及修正结果分别与国产某不带分流测量功能的异频电阻测量仪的测试结果和两年前投运时的历史测试值进行比较，以验证本文开发系统的有效性和准确性。
被测1000kV特高压变电站接地网的对角线长度大约为538m，接地阻抗的设计值为0.075，该1000kV特高压变电站的验收投运前的历史测试值（出线构架未连接条件下）为0.065。现场工频干扰约为13.46V，且有近六十回的架空出线、光纤复合电缆等构架可能存在分流。
根据中国电力行业导则[6]规定的要求并结合现场地网情况和试验条件，采用夹角法布线方式，角度大约为107°，电流注入点为1号主变构架接地引下线，电流线的有效长度为2.164km，电压线的有效长度为2.260km，因而使用夹角法进行接地阻抗测量的修正系数大约为0.8332。接地阻抗的现场实测结果见表2。
表2 接地阻抗的现场实测结果
使用本文开发的测量系统对接地网持续注入45Hz、12A的异频电流，电流的注入点仍然选择在1号主变构架接地引下线，相对于卫星时钟信号上升沿的总入地电流值为12.00A∠46.72°。现场部分出线构架的分流矢量测试结果见表3。
表3 现场部分出线构架的分流矢量测试结果
由表2可知，使用本文开发的测量系统测试所得的接地阻抗值与使用国产某不带分流测量功能的异频电阻测量仪的接地阻抗测量结果一致。经夹角法修正后的接地阻抗修正为Z=0.040/0.8332=0.048。
由表3计算可知，该被测接地网的各个出线构架分流矢量和为3.242A∠53.254°，分流系数为0.268，实际流经变电站接地网的散流电流为8.787A∠44.314°，地网散流系数为0.732，经分流矢量修正后接地阻抗值为Z=0.048/0.732=0.066，与该1000kV特高压变电站在出线构架未连接条件下的历史测试值一致，偏差仅为1.5%，且均满足当初该1000kV特高压变电站接地网接地阻抗设计值的要求。
5 结论
本文所提出的以卫星时钟信号作为分流矢量同步基准的方法以及所开发的带分流矢量测量功能的接地装置特性参数测量系统，功能完善，集成度高，不仅能准确测量接地网的接地阻抗，还能有效测量大型接地网各出线构架的分流矢量状况，并用于接地阻抗修正，且对分流矢量测量无需复杂设备配合使用，操作上更加简单和方便，实用性强，能够满足现场试验运行人员进行接地网运行状态检测评估工作的需要。