接地電阻的測量

1、第第 五章五章 接地電阻的測量接地電阻的測量一、測量接地電阻的基本原理 根據(jù)接地電阻的意義，接地電阻是電流I經(jīng)接地體流入大地時(shí)接地電位U和I的比值。因此，為了測量接地電阻，首先在接地體上注入一定的電流，這就需要設(shè)置一個(gè)可提供電流回路的電流極，并用電流表測出該電流，而為了用電壓表測出接地電極的電位，則需要設(shè)置一個(gè)能測出無窮遠(yuǎn)零位面處電位的電壓極，如圖5-1所示。圖5-1 三極法測量接地電阻的試驗(yàn)接線 為簡化計(jì)算，設(shè)接地體為半球形，在距球心X處的球面上的電流密度為 式中 J-距球心為X處的球面上電流密度； I接地體入地的電流；2J2XI 我們知道，電場強(qiáng)度E=J , 為土壤電阻率,而電場中任意兩點(diǎn)

2、間的電位差，等于電場強(qiáng)度在兩點(diǎn)之間的線積分。設(shè)無窮遠(yuǎn)處的電位為零，所以距離接地體球心x(xrg)處所具有的電壓為xxxxldxxEdxU222由式（5-2）知，電極1、2之間出現(xiàn)的電位差為 （5-3）電極3使1、2、之間出現(xiàn)的電差為 （5-4）1，2電極之間的總電位等于U與U”之和，即 （5-5）)11(212drIUg231311()2IUdd)1111(2 132312dddrIUUUg因此1、2極之間呈現(xiàn)的電阻Rg為 （5-6）接地體1的接地電阻實(shí)際值為 （5-7）式中 R接地體的實(shí)際電阻； rg接地體的半徑； )1111(2132312dddrIURgggrR2要使測量的接地電阻Rg，

3、等于接地體的實(shí)際接地電阻R，就必須使式（5-6）式（5-7）式相等，即 （5-8）令d12=d13,d23=(1-a)d13,代入式（5-8）得 而 解得a=0.6180111131223ddd01111aa2aa10 系數(shù)a表明，如果電流極不置于無窮遠(yuǎn)處，則電壓極必須放在電流與被測接地體兩者之間，距接地體0.618d13處，即可測得接地體的真實(shí)接地電阻值，此方法稱為0.618法或補(bǔ)償法。 這一結(jié)論的應(yīng)用是有范圍的，與假設(shè)的前提有關(guān)，即僅在接地體為半球形，球形中心位置已知，土壤的電阻率一致，鏡像的影響忽略不計(jì)下適用。但實(shí)際情況與此有出入，如接地體幾乎沒有半球形的，大多數(shù)為管狀、帶狀以及由管帶形

4、成的接地網(wǎng)。測量結(jié)果的差別程度隨極間距離d13的減小而增大。但不論接地體的形狀如何，其等位面距其中心越遠(yuǎn)，其形狀就越接近半球形。 實(shí)際的地網(wǎng)基本上是網(wǎng)格狀，它介于圓盤和圓環(huán)兩者之間，用上述論證方法，可以證明當(dāng)接地體為圓盤（圓盤半徑為r），電極布置采用補(bǔ)償法時(shí)，其測量誤差 為 （5-9） 將不同的d13代入式（5-9）可求得相應(yīng)的測量誤差，如表5-1所示，表中D為圓盤直徑。表5-1 采用不同電極距離測量圓盤接地體接地電阻的誤差 從5-1看出，用2D補(bǔ)償法測量圓盤接地體的接地電阻時(shí)，其誤差比較?。ㄐ∮?%）。12313122111(sin)rrddrd電極距離d135D4D3D2DD誤差 （%）-

5、0.057-0.089-0.216-0.826-8.2如果地網(wǎng)是圓環(huán)接地體，同理可證明，若采用補(bǔ)償法，當(dāng)接地導(dǎo)體的直徑d=8mm，地網(wǎng)半徑r=40m時(shí)，取不同的d13值，其相應(yīng)的測量誤差 ，按式（5-9）計(jì)算的結(jié)果如表5-2所示。表5-2 用不同電極距離（d13）測量圓環(huán)接地體接地電阻誤差 （%） 由表5-2看出，用2D（為圓環(huán)直徑）補(bǔ)償法測量圓環(huán)接地體的接地電阻時(shí)，其誤差亦小于1%。所以對于實(shí)際的接地網(wǎng)，用2D補(bǔ)償法測量接地電阻的誤差均在1%以下。d135D4D3D2D (%)-0.0322-0.0595-0.138-0.498 此時(shí)測量電極的布置是電流極距離地網(wǎng)中心d13=2D，電壓極距地

6、網(wǎng)中心是d12=0.618d13=1.236D。DL47592接地裝置工頻特性參數(shù)的測量導(dǎo)則規(guī)定：當(dāng)被測接地裝置的面積較大而土壤電阻率不均勻時(shí)，為了得到較為可信的測試結(jié)果，建議把電流極離被測接地裝置的距離增大，例如增大到10km，同時(shí)，電壓極離被測接地裝置的距離也相應(yīng)增大。 如果在測量工頻接地電阻時(shí)，d13?。?-5）D值有困難，那么當(dāng)接地裝置周圍的土壤電阻率較均勻時(shí)，d13可以取2D值，d12取D值；當(dāng)接地裝置周圍的土壤電阻不均勻時(shí)，d13可以取3D值，d12取1.7D值。接地電阻測試儀接地電阻測試儀使用方法使用方法二、測量方法及接線 測量接地電阻的方法最常用的有電壓、電流法，比率計(jì)法和電橋

7、法。對大型接地裝置如110kV及以上變電所接地網(wǎng)，或地網(wǎng)對角線D60m的地網(wǎng)不能采用比率計(jì)法和電橋法，而應(yīng)采用電壓、電流表法，且施加的電流要達(dá)到一定值，測量導(dǎo)則要求不宜小于30A。 電壓、電流法 采用電壓、電流法測量接地電阻的試驗(yàn)接線如圖5-2所示。這是一種常用的方法。 施加電源后，同時(shí)讀取電流表和電壓表值，并按下式計(jì)算接地電阻，即 （5-10） 式中 Rs接地電阻，； U實(shí)測電壓，V； I實(shí)測電流，A。IURs132T 2T 1UPAPVVA圖5-2 電壓電流法測接地電阻的試驗(yàn)接線T1-隔離變壓器；T2-變壓器；1-接地網(wǎng)；2-電壓極；3-電流極圖5-2中，隔離變壓器T1可使用發(fā)電廠或變電所

8、的廠用變或所用變50-200kV，把二次側(cè)的中性點(diǎn)和接地解開，專作提供試驗(yàn)電源用調(diào)壓器T2可使用50-200kVA的移圈式或其它形式的調(diào)壓器電壓表PV要求準(zhǔn)確級不低于1.0級，電壓表的輸入阻抗不小于100k，最好用分辨率不大于1%的數(shù)字電壓表（滿量程約為50V）；電流表PA準(zhǔn)確級不低于1.0級。 三極法是接地電阻測試中使用最多和最普遍的方法。三極指的是被測接地體、測量用的電壓極、測量用的電流極。 根據(jù)這三極分布的位置可以分為： 直線三極法（電極為直線布置） 夾角法（電極為三角形布置） 前面提到測量接地電阻需要設(shè)置一個(gè)能測出無窮遠(yuǎn)零位面處電位的電壓極，但是由于電壓極不可能設(shè)在真正的無窮遠(yuǎn)處，而電

9、流極的存在又會使地中的電流場發(fā)生畸變從而影響到地面的電位分布，所以接地電子的測量會存在誤差。由此可見，合理地設(shè)置電流極和電壓極是接地電阻測量的關(guān)鍵。1.電極為直線布置 為尋求接地電阻的正確測量方法，先以半球形接地電極為例來討論均勻土壤中接地電極和電流極連線上的地面電位分布。 如圖5-3所示，取半球形接地電極G的半徑為a，將電流極C用一個(gè)半徑為ac的半球取代，電流自G流入，C流出。圖5-3 接地電極和電流極連線上的地面電位分布計(jì)算（a）x在CG連線的中間 （b）x在CG連線的延長線上 則應(yīng)用疊加原理可寫出在CG連線中間或CG延長線上任一點(diǎn)x的電位Vx為： 由此可知，在CG連線的中間， 當(dāng)DxG=

10、DxC時(shí)，有Vx=0； 當(dāng)DxGDxC時(shí)，Vx為負(fù)值，其值隨DxG的增大逐漸降低，在x抵達(dá)電流極表面，即DxG= DGCac, DxG= ac時(shí)，達(dá)負(fù)的最大值Vc 在CG連線的延長線上，則只有當(dāng)DxG時(shí)，才有Vx0。 圖5-4（a）給出了CG連線上各點(diǎn)的地面電位分布圖。為便于比較，圖5-4（b）還畫出了在沒有電流極時(shí)的地面電位分布，此時(shí)相應(yīng)的電極電位顯然為11()2CGCccIVDaa02GIVIRa圖5-4 地面電位分布（a）x在CG連線上 （b）不存在電流極時(shí)比較可知，由于零位面的移近，在同一入地電流I下，有電流極存在時(shí)接地極和零位面之間的電位差要比無電流極存在時(shí)小，因此在測量接地電阻時(shí)，

11、即使把電壓極置在零位面處，所得的結(jié)果也是偏小的。不難看出，電流極的存在起到了把無窮遠(yuǎn)零位面移到電極連線中部的作用。發(fā)電廠和變電所接地網(wǎng)接地電阻采用直線布置三極時(shí)，其電極布置和電位分布如圖5-5所示，其原理接線如圖5-6所示。圖5-5 測量工頻地裝置的直線三極法電極和電位分布示意圖 一般，d13=（45）D，d12=（0.50.6）d13，D為被測接地裝置最大對角線的長度，點(diǎn)2可以認(rèn)為是處在實(shí)際的零電位區(qū)內(nèi)。圖5-6 三極法的原理接線圖實(shí)驗(yàn)步驟如下： （1）按圖5-2接好試驗(yàn)接線，并檢查無誤。 （2）用調(diào)壓器升壓，并記錄相對應(yīng)的電壓和電流值，直至升到預(yù)定值，比如60A，并記錄對應(yīng)的電壓值。 （3

12、）將電壓極2沿接地體和電流極方向前后移動三次，每次移動的距離為d13的5%左右，重復(fù)以上試驗(yàn)；三次測得的接地電阻值的差值小于5%時(shí)即可。然后取三個(gè)數(shù)的算術(shù)平均值，作為接地體的接地電阻。 如 果 d1 3取 4 - 5 D 有 困 難 時(shí) ， 在 土 壤 電 阻 率 較 為 均 勻 的 地 區(qū) 可 取d13=2D,d12=1.2D;土壤電阻率不均勻的地區(qū)可取d13=3D,d12=1.7D。 電極三角形布置示意圖如圖5-7所示。此時(shí)，一般取d12=d132D，夾角圖5-7 電極三角形布置圖1-接地體；2-電壓極； 3-電流極).21(301223ddc或2電極為三角形的布置 測量大型接地體的接地電

13、阻時(shí)，宜用電壓、電流表法，電極采用三角形布置。因?yàn)樗c直線法比較有下列優(yōu)點(diǎn)： 1）可以減小引線間互感的影響； 2）在不均勻土壤中，當(dāng)d13=2D時(shí)，用三角形法的測量結(jié)果，相當(dāng)于3D直線法的不測量結(jié)果； 3）三角形法，電壓極附近的電位變化較緩，從29到60的電位變化相當(dāng)于直線法從0.618d13到0.5d13的電位變化。接地電阻Rg為 式中 U12電壓極與被測接地裝置之間的電壓； I通過接地裝置流入地中的測試電流； a 被測接地裝置的等效球半徑； d12 電壓極和被測接地裝置的等效中心距離； d13 電流極和被測接地裝置的等效中心距離； 電流極和接地裝置等效中心的連線與電流極和接地裝置等效中心的

14、連接線之間的夾角，一般取12g22131212131213U111R1aIdddd2d d cos1213dd2D,30 由于大型變電站占地面積較大，地網(wǎng)最大對角線的長度一般有幾百米，在進(jìn)行接地電阻測量時(shí)要放置幾公里的專用測量引線顯得比較困難。因此可以利用變電所的一回輸電線的兩相導(dǎo)線作為電流線和電壓線。由于兩相導(dǎo)線即電壓線與電流線之間的距離較小，電壓線與電流線之間的互感會引起測量誤差。這時(shí)可以在原有的三極基礎(chǔ)上增設(shè)第四個(gè)電極以消除電流和電壓間的互感，這種方法叫做四極法。電壓電流四極法 圖5-8是消除電壓線和電流線之間互感影響的四極法的原理接線圖。圖中的四極是指被測接地裝置1、測量用的電壓極2、

15、電流極3以及輔助電極4。 在使用四極法時(shí)應(yīng)注意，輔助電極離地網(wǎng)的距離不能過近，否則將使測量誤差大大增加。在實(shí)際測量中輔助電極可打在離地網(wǎng)邊緣 地網(wǎng)對角線長度處。圖5-8四極法測量工頻接地電阻的原理接線圖1被測接地裝置；2測量用電壓極；3、測量用電流極；4輔助電極11()1020同時(shí)為了減少電壓線和電流線之間互感的影響，可使用架空線的一相作電流線，另外再從地面放一根電壓測試線，兩根線沿同一方向布線，但應(yīng)間隔一定的距離，最好能大于10m。在試驗(yàn)中如遇到升電流有困難時(shí)，應(yīng)檢查架空線路的導(dǎo)線接頭是否接觸良好，接觸電阻是否過大，電流極和電壓極的接地是否可靠，如不可靠應(yīng)處理，如在測試電流極和電壓極四周加鹽

16、水處理。式中U12被測接地裝置1和電壓極2之間的電壓； U14被測接地裝置1和輔助極4之間的電壓； U24電壓極2和輔助極4之間的電壓； I通過接地裝置流入地中的試驗(yàn)電流。222g121424141R(UUU)2U I用高輸入阻抗電壓表測量1、2，1、4和2、4之間的電壓。由電壓U12、U14和U24以及通過接地裝置流入地中的電流I，得到被測接地裝置的工頻接地電阻。三、測量注意事項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)用交流電源測量接地電阻時(shí)，應(yīng)采用獨(dú)立電源，通常用單獨(dú)的所用變壓器，并把中性和接地點(diǎn)打開，以防分流引起誤差，或升不起電流。電壓的高低根據(jù)電流回路阻抗和所需要升的電流進(jìn)行估算。在許多變電所中，輸電線路的架空地線是與

17、變電所接地裝置連接在一起的，這會影響變電所接地裝置接地電阻的測量結(jié)果，因此，在測量前應(yīng)把架空線路的避雷線與變電所接地裝置的電連接斷開。電流極處因要注入較大的電流，會對附近的人畜造成傷害，因此，在測量時(shí)要有專人監(jiān)護(hù)。在試驗(yàn)時(shí)電流引線要流過較大的電流，因此，電流回路要有較大的導(dǎo)線截面。四、消除干擾的措施1）消除接地體上零序電流的干擾發(fā)電廠、變電所的高壓出線由于負(fù)載不平衡，經(jīng)接地體總有一些零序電流流過，這些電流流過接地裝置時(shí)會在接地裝置上產(chǎn)生電壓降，給測量結(jié)果帶來誤差，常用增加測量電流的數(shù)值，消除雜散電流對測量結(jié)果的影響。為了提高測試精度，最有效的辦法是加大測試電流，以減小零序電流分量所占比例。因此

18、，“測量導(dǎo)則”規(guī)定：“通過接地裝置的測試電流大，接地裝置中的零序電流和干擾電壓對測量結(jié)果的影響小，同一分辨率的電壓表的可測電流場的范圍大，即工頻接地電阻的實(shí)測值誤差小，為了減小工頻接地電阻實(shí)測值的誤差，通過接地裝置的測試電流不宜小于30A”?？梢?，加大測試電流的辦法是減小零序電流干擾的最有效措施。 2） 消除引線互感對測量的干擾 當(dāng)采用電流電壓法測量接地電阻時(shí)，因電壓線和電流線要一起放很長的距離，引線的互感就會對測量結(jié)果造成影響，為了消除引線互感的影響，通常采用以下措施。（1）采用三角形法布置電極，因三角形布置時(shí)，電壓線和電流線相距的較遠(yuǎn)，互感也就小，不會造成大的影響。（2）當(dāng)采用停電的架空線

19、路，直線布置電極時(shí)，可用一根架空線作電流線，而電壓線則要沿著地面布置，兩者應(yīng)相距5-10m。（3）采用四極法可消除引線互感的影響，另外還可采用電壓、電流表和功率表法測量。五、接地電阻測量儀的選擇對于大型接地網(wǎng)（對角線60m）一般采用傳統(tǒng)的電壓電流表法測量接地電阻，測量時(shí)需使用隔離變壓器、調(diào)壓器等大型設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是輸出電流大（30A），抗干擾能力強(qiáng)，測量結(jié)果可信度高。其缺點(diǎn)是設(shè)備笨重、搬運(yùn)困難，測量時(shí)電流線要求選擇較大截面（6mm2）。一般在測量大型運(yùn)行中的變電站、發(fā)電廠接地網(wǎng)時(shí)，為消除地網(wǎng)零序電流干擾，需采用此方法。對于小型接地網(wǎng)（對角線60m），當(dāng)?shù)刂懈蓴_信號較弱時(shí)，一般采用ZC-8接地?fù)u表

20、或數(shù)字式接地電阻測量儀，測量其接地電阻值。其優(yōu)點(diǎn)是攜帶方便，無需交流電源供電，便于野外測量。其缺點(diǎn)是輸出電流小，抗干擾能力差。一般在測量防雷設(shè)備的接地體、輸電線路桿塔接地體時(shí)，大多采用此類儀表。六、現(xiàn)場接地電阻測量經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)滴6.1、錯(cuò)誤的測試操作、錯(cuò)誤的測試操作 根據(jù)觀查，在測量接地電阻方面常出現(xiàn)的不正確操作有以下幾種。 電流極和電壓極打在接地網(wǎng)以內(nèi) 某學(xué)者曾到一個(gè)大型工廠講課，在講課之前訪問了工廠電氣試驗(yàn)班，參看了試驗(yàn)人員所做的避雷針接地電阻的試驗(yàn)報(bào)告。發(fā)現(xiàn)他們的所謂測量結(jié)果根本不是避雷針的接地電阻，只能是避雷針與工廠接地網(wǎng)之間的連接電阻。因?yàn)樗麄儨y量時(shí)打的電流、電壓輔助極都位于工廠接地網(wǎng)之內(nèi)

21、，還沒有超出接地網(wǎng)的范圍。測量電流只在接地網(wǎng)內(nèi)流，還沒有流入周圍土壤中。沒有掌握正確的測量方法，不單是測不準(zhǔn)的問題，而是測得的根本就不是接地電阻。所測的只能是避雷針與接地網(wǎng)之間的連接地電阻。不管接地網(wǎng)大小，都按40m和20m測量 不少人在測量接地電阻時(shí)不問接地網(wǎng)的大小，都按接地儀器儀表的說明書操作。儀表所帶電流極和電壓極的導(dǎo)線分別只有40m和20m，所打電流極和電壓極也只有40m和20m遠(yuǎn)。 對于接地裝置對角尺寸不大于10m的小接地網(wǎng)，電流極和電壓極采用40m和20m是可以的。但對于大型接地網(wǎng)，測量誤差就大了。缺乏尋找零電位的操作 不少測量者只采用電壓極的一個(gè)位置，測量一個(gè)接地電阻的數(shù)值，就萬事大吉。他們沒有通過電壓極的移動來尋找零電位，所得結(jié)果是否正確，有多大誤差，他們自己也不知道。6.2、多種土壤電阻率地區(qū)的經(jīng)驗(yàn)、多種土壤電阻率地區(qū)的經(jīng)驗(yàn) 當(dāng)測量地區(qū)的土壤電阻率不均勻時(shí)，會影響零電位參考點(diǎn)的位置的尋找。如果主要土壤的電阻率為1， 1）當(dāng)接地網(wǎng)與電壓極之間存在一條高土壤電阻率2的地層，21，例如凹陷的干涸溝道