如何準(zhǔn)確測量接地電阻?

1、 前言
      有人認(rèn)為接地電阻的測量很簡單而草率從事，不求甚解；有人認(rèn)為接地電阻的測量不可能得到重復(fù)準(zhǔn)確的結(jié)果而提出“廢棄接地電阻”。兩種態(tài)度都是不對的和不可取的。本文詳細(xì)介紹了接地電阻的測量原理和常用的幾種測量方法和經(jīng)驗(yàn)，以助人們正確掌握它，獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果。
2、 接地電阻的定義和表達(dá)式
2.1 接地電阻的定義
       接地電阻就是通過接地裝置泄放電流時(shí)表現(xiàn)出的電阻，它在數(shù)值上等于流過接地裝置入地的電流與這個(gè)電流產(chǎn)生的電壓降之除。

      （1）式中，U——接地裝置的對地電壓，即接地體與大地零電位參考點(diǎn)之間的電位差。
I——通過接地裝置泄放入大地的電流。
經(jīng)過運(yùn)算，式（1）可演變成土壤介質(zhì)的物理常數(shù)的表達(dá)式：
（2）
式中，x——土壤的介電系數(shù)；
r——土壤的電阻率，W·m
C——接地裝置的電容，F(xiàn)。

       從式（2）可見，在一個(gè)確定的地方，由于土壤的介電系數(shù)和土壤電阻率是確定的，接地電阻的大小取決于接地裝置自身的電容，而此電容又取決于接地裝置的大小和結(jié)構(gòu)。為了得到小的接地電阻，要求接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)使它有盡可能大的對地電容。另一方面，還可通過改變土壤（換土或用降阻劑），降低土壤的電阻率或增大土壤的介電系數(shù)來改變接地電阻的大小。

幾種特殊接地電極的電容和其接地電阻舉例：
半球接地電極，C=2peb，；
半圓盤接地電極， C=4eb，。
式中，b為半球或半圓盤的半徑。

     由上式可知，相同半徑的半球接地極比半圓盤接地極的電容大約1.6倍，相應(yīng)接地電阻低約1.6倍。這說明，采用球形或立體接地極比采用平面接地極效率高，節(jié)省材料。
 
2.2 單根接地極的接地電阻
       單根接地電極的接地電阻的大小，主要取決于它的直徑和長度。單根園管、園棒電極的接地電阻約為 （3）式中，L和d分別為管或棒的長和直徑，單位米。

       從式（3）可知，一根直徑50mm的圓鋼管，打入地中深度2.5m，其電阻約為R = 0.3r。防雷設(shè)計(jì)人應(yīng)好好記住這個(gè)0.3 的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，它對于設(shè)計(jì)接地網(wǎng)很有幫助。

3、 接地電阻的測量原理 
    接地電阻的測量是按照公式（1）來進(jìn)行的：給接地裝置（接地極或接地網(wǎng)）施加一個(gè)電流I，測量出接地極（網(wǎng)）上的電壓U，電壓與電流相除，就得到了接地電阻。
看似簡單，但是，這個(gè)電流如何正確的施加，這個(gè)電壓如何測量準(zhǔn)確，卻并不是每個(gè)測量者都知道。本文向讀者介紹的就是這方面的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

3.1測量電流的施加與電流輔助極
       在公式（1）中，測量電流是指“流過接地裝置入地的電流”。這個(gè)電流與導(dǎo)線中流過的電流是不一樣的。在導(dǎo)線中，電流沿導(dǎo)線流動(dòng)，形成連續(xù)的閉合回路，其路徑是確定的和可預(yù)見的。而“流過接地裝置入地的電流”卻擴(kuò)散到大地里，流到很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)的地方。它是怎么形成閉合回路，以滿足電流的連續(xù)性和閉合性規(guī)律呢？

       如果這個(gè)電流是雷擊形成的雷電流，這個(gè)電流是從雷云經(jīng)過雷電放電通道進(jìn)入接閃器和引下線，再經(jīng)過接地裝置向四周大地?cái)U(kuò)散傳播，最后經(jīng)過云——地之間的廣大空間以位移電流的形式，回到雷云，滿足電流的連續(xù)性與閉合性的規(guī)律，如圖1A所示。可是，我們在進(jìn)行接地電阻測試時(shí)，為了能夠向接地裝置注入（施加）測試電流，我們首先必須解決電流的歸路或收集問題。這就是必須找到或人為制作一個(gè)電流回路。在三極直線法和三角形法測量接地電阻時(shí)需要在遠(yuǎn)方臨時(shí)打一個(gè)輔助電流極，其目的就是為了給電流提供一個(gè)回路。而在鉗表法中，不需要打臨時(shí)的輔助電流極，并不是電流不需要回路，而是要找尋現(xiàn)A 雷電流的分布 B 測量接地電阻時(shí)的電流分布成的可以用作為回路的電路。圖1描述了通過接地裝置流入地中電流的場的分布，圖1A是雷電流的場，這是一個(gè)向四周擴(kuò)散的電流場，而圖1B是測試電流的場，是一個(gè)向一邊擴(kuò)散的畸變的電流場。
輔助電流極的出現(xiàn)使電流場的分布變得不均勻了，畸變了。輔助電流極離被測接地極（網(wǎng)）越近，電流場的畸變越大；輔助電流極越遠(yuǎn)，電流場的畸變越小，但測試工作量越大。因此，這里有一個(gè)合適的最佳的距離，在滿足測試準(zhǔn)確度的要求的情況下，使輔助電流極比較近。

3.2 測量電壓與輔助電壓極
       公式（1）中的電壓是指接地裝置（網(wǎng)）與大地零電位參考點(diǎn)之間的電壓。大地零電位參考點(diǎn)在哪里，如何取得，是接地電阻測試中的另一個(gè)重要問題。顯然我們不可能到無窮遠(yuǎn)的地方去找零電位參考點(diǎn)，而是在一個(gè)較近的可以接受的地方尋找零電位參考點(diǎn)。

       在接地電阻測量中，需要在選做零電位參考點(diǎn)的地方打一個(gè)輔助電壓極，用一根導(dǎo)線將參考電位取回來，它與接地裝置（網(wǎng)）的電位之差，就是我們需要的電壓U。要找一個(gè)真正的零電位參考點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)測量工作中可能很不容易，但我們能夠找到一個(gè)盡可能接近零電位的地方，或者其誤差是可以接受的地方。如果這個(gè)點(diǎn)的電位不是真正的零電位，而是比零電位大一點(diǎn)，或小一點(diǎn)，那最后得到的電壓和測得的接地電阻就會有或大或小的誤差。多大的誤差能夠?yàn)槲覀兯�接受，這就需要通過測量結(jié)果來判斷。在這里，不僅要了解測量原理，還要具備相應(yīng)的實(shí)際測量經(jīng)驗(yàn)�？傊�，為保證接地電阻測量的準(zhǔn)確，關(guān)鍵就在于零電位參考點(diǎn)選取的正確與否以及對測量結(jié)果的判斷。

       大地零電位參考點(diǎn)在哪里呢？有的人有一種誤解，認(rèn)為大地總是處于零電位的。他們認(rèn)為，地電位就是零電位，這是不正確的。其實(shí)，只要地中有電流流過，就有電壓降，這兒的地就不是零電位。沒有電流流過的地，才是電氣上的零電位地。因此，嚴(yán)格地說，零電位在離被測接地裝置（網(wǎng)）很遠(yuǎn)的地方。對于單根金屬管接地極來說，離接地極的距離在20m以上才可以認(rèn)為是零電位。

       輔助電壓極的任務(wù)就是取回零電位，因此怎樣獲得準(zhǔn)確的零電位點(diǎn)，是測準(zhǔn)接地電阻的關(guān)鍵。

4、 接地電阻測量的三極直線法
4.1 三極直線法的接線
     三極直線法是接地電阻測試中使用最多和最普遍的方法，測試時(shí)被測接地網(wǎng)1、電壓輔助極2與電流輔助極3三點(diǎn)（極）按一直線布置。

      在三極直線法測量中，這三個(gè)極如何布置呢，具體說，輔助電壓極與輔助電流極與被測接地裝置（網(wǎng)）的距離如何布置和掌握，這是測準(zhǔn)接地電阻的關(guān)鍵之一。一般接地電阻測試儀器儀表都提供有兩根輔助接地極，并配套有兩根測試導(dǎo)線，一根40m，另一根20m。有些儀器，如日立Kyoritsu 4150A表，的配套導(dǎo)線還更短。用這樣的配套導(dǎo)線能否獲得準(zhǔn)確的測量結(jié)果呢？這是每一個(gè)測量者都十分關(guān)心的問題。

E 測試電源 A 電流表 V 電壓表
1 被測接地裝置，2 電壓極， 3 電流極
D 接地網(wǎng)最大對角尺寸， d13 接地網(wǎng)到電流極的距離
d12 接地網(wǎng)到電壓極的距離，d23 電壓極與電流極的距離
圖2 三極直線法測量接地電阻的接線

4.2 三極直線法的測量原理
按圖2的接線，可以列出三個(gè)極的電壓方程：
U1= R1I1­ + R12I2 + R13I3　　　　　　　　　　　　（4a）
U2 = R21I1+R2I2 +R23I3　　　　　　　　　　　　�。�4b）
U3 = R31I1+R32I2+R3I3 （4c）
式中，I1——流入接地裝置的電流。
I2——流入電壓極的電流。
I3——流入電流極的電流。
R1——接地裝置1的自電阻，即接地裝置的被測接地電阻。
R2——電壓極的自電阻。
R3——電流極的自電阻。
R23和R32——電壓極和電流極之間的互電阻，它們相等。
R12和R21——接地裝置與電壓極之間的互電阻，它們相等。
R13和R31——接地裝置與電流極之間的互電阻，它們相等。

       測試時(shí)電流是從接地裝置流入大地，而從電流極流出，回到電源。取流入大地的電流方向?yàn)檎�，則I1=－I3。因?yàn)榱鬟^電壓極的電流極小，故可以認(rèn)為I2=0。又因三對互電阻相等：R23=R32，R12=R21，R13=R31，則方程組可改寫為：
（5a）
（5b）
（5c）
由式（5a）－式（5b），得U
（6）
由此可得接地電阻的測量值為：
（7）
在式（7）的等式右邊，第一項(xiàng)R1為接地裝置接地電阻的真值，于是，后三項(xiàng)互電阻（R23－ R12－R13）就為測量誤差：
（8）
從式（7）和（8）可知，測量誤差由三個(gè)互電阻構(gòu)成，而互電阻又是由各電極的相對位置引起，取決于各電極位置的布置。正確的電極位置的布置應(yīng)使
（9）
則測量誤差就可等于或接近于零。
        如果電極周圍土壤電阻率是均勻的，兩個(gè)極的互電阻與土壤電阻率成正比，而與兩電極間的距離成反比：
（10）
（11）
（12）
式中，ρ——電極周圍土壤電阻率；
α＝d12／d13；
d12、d13和d23分別為接地裝置與電壓極、接地裝置與電流極和電壓極與電流極之間的距離。
將式（10）、（11）和（13）代入（9），得：

此方程有兩個(gè)解，舍去無意義的負(fù)數(shù)解，最后得：α = 0.618。
即是說，為了使測量誤差等于零，應(yīng)將輔助電壓極打在距接地裝置邊緣的距離為0.618d13的地方。此法稱0.618布極測量法，或補(bǔ)償法。實(shí)際上，由于現(xiàn)場各種原因的影響，很難保證電壓極打在這個(gè)準(zhǔn)確的位置。再考慮d13受現(xiàn)場選擇的條件，可計(jì)算出在不同測量允許誤差和d13的情況下，α的具體范圍如表1所示。
從表1可見，d13的距離越短，即電流輔助極的位置越近，保證測量準(zhǔn)確度所要求的α的區(qū)間越小，電壓輔助極的準(zhǔn)確位置越難掌握。

允許測量誤差δ
% 下列d13距離下的α值范圍
5D 3D 2D
5 0.56～0.67 0.59～0.65 0.59～0.63
10 0.50～0.71 0.55～0.68 0.58～0.66

注：D為接地裝置最大對角長度。

4.3 三極直線法電壓極位置的調(diào)整
       上面介紹了準(zhǔn)確測量接地電阻要求的三電極的布置，表1所列α的范圍就是測量時(shí)布置電壓極的位置。可是在實(shí)際現(xiàn)場條件下測量地區(qū)的土壤電阻率不一定都是均勻的，由于各種溝道、巖石以及在地下還可能有各種金屬管道，它們都將影響電流場的分布，給測量結(jié)果帶來誤差。

       在具體測量中電壓極位置的調(diào)整就是零電位準(zhǔn)確位置的尋找。
       通常是采用試探法找尋大地零電位點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。其方法就是在三極連成的直線上，在比表1所列α的范圍稍大的區(qū)域內(nèi)，例如（0.5～0.7） d13范圍內(nèi)，以d13的3%為間距，連續(xù)打打5～7個(gè)電壓輔助極，進(jìn)行5～7個(gè)點(diǎn)的測量。在具體操作上，可以打一點(diǎn)測一點(diǎn)，拔起電壓極再打下一點(diǎn)位，測下一個(gè)數(shù)據(jù)。對于電壓極的每一個(gè)點(diǎn)位，可以測得一個(gè)接地電阻值。

4.4 接地電阻測試結(jié)果的判斷
        以接地電阻為縱坐標(biāo)，以距離為橫坐標(biāo)，將測得的幾個(gè)接地電阻值描繪在一張坐標(biāo)圖上，形成一條接地電阻的曲線。如果其中有至少三個(gè)電阻值的連線趨勢走平，那這個(gè)位置對應(yīng)的接地電阻值就是其準(zhǔn)確值。不繪圖也可直接判斷，在所有測得值中，如果有三個(gè)以上電阻值之間相對誤差小于3%時(shí)，就取這幾個(gè)值的平均值為最后的測量結(jié)果。
 
5、 接地電阻測量之三極三角形法
        在某些情況下，在測量大型接地網(wǎng)的接地電阻時(shí)，由于地形的限制，很難將電流極打到（3～5）D遠(yuǎn)的地方。為縮短電流極的距離，可采用三角形法測量接地電阻。

       三角形法是將輔助電壓極與輔助電流極以夾角q向兩個(gè)方向布置，接地裝置、電壓極與電流極三點(diǎn)呈等腰三角形，如圖3 所示。由于d12=d13，所以R12=R13，將此關(guān)系代入式（9），得：
R23=2R13
因此，
由此計(jì)算出等腰三角形的頂角θ= 29°。
經(jīng)理論計(jì)算和實(shí)測表明，當(dāng)d12=d13 ≥ 2D，θ= 30°時(shí)，測量誤差δ≈±10%。

6、 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
      根據(jù)筆者觀查，在測量接地電阻方面常出現(xiàn)的不正確操作有以下幾種。

（1） 電流極和電壓極打在接地網(wǎng)以內(nèi)
      筆者曾到一個(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。該廠電氣試驗(yàn)負(fù)責(zé)人向我介紹，他們買了一塊新的接地電阻測試表，日立Kyoritsu 4150A型，用它測量接地電阻又快又準(zhǔn)。這種儀表自帶的電流、電壓輔助極導(dǎo)線分別只有25m和15m，由于導(dǎo)線短，測試工作量不大，測試結(jié)果變化不大，很“準(zhǔn)確”。他還說，他們近幾年都這么測量，從來沒有出現(xiàn)過任何問題。我看到，幾頁紙的試驗(yàn)報(bào)告，幾十根避雷針的測點(diǎn)的接地電阻結(jié)果都是0.2歐左右。我告訴他們，不是你們工廠的避雷針沒問題，而是你們的測量方法有問題。你們的所謂測量結(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)槟銈儨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)，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。

（2） 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。

（3） 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，就完事大吉。他們沒有通過電壓極的移動(dòng)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、如何降低輔助電流極本身的接地電阻
       如果輔助電流極本身的接地電阻太大，在一定的測量電壓下，測量電流就很小，不僅影響測量靈敏度，而且測量誤差也大。有時(shí)甚至測量儀器或儀表都沒有反映，測不出結(jié)果來。

        減小電流極接地電阻的方法有：加大接地極直徑，增加長度，用多根電流極并聯(lián)，給電流極周圍注水，注鹽水，降低它的接地電阻。
 
        如果電流極周圍有樹，可巧妙地利用樹當(dāng)做電流極：將多根樹的樹皮輕輕削開一點(diǎn)，用裸銅線纏繞，并聯(lián)起來，再與電流極并聯(lián)，就組成了一個(gè)輔助電流極系統(tǒng)。在某些特殊場合，這種方法即省事又管用。

6.3、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ρ1，當(dāng)接地網(wǎng)與電壓極之間存在一條高土壤電阻率ρ2的地層，ρ2>ρ1，例如凹陷的干涸溝道河床，零電位點(diǎn)距接地網(wǎng)的距離要小于0.618d13。隨著ρ2/ρ1比值的增大，零電位點(diǎn)越靠近接地網(wǎng)。

        當(dāng)電壓極與電流極之間有一條高土壤率的地層時(shí)，則零電位點(diǎn)的位置會比0.618d13大。隨著ρ2/ρ1比值的增大，零電位點(diǎn)離接地裝置越遠(yuǎn)。

       當(dāng)測量地區(qū)的土壤為兩層結(jié)構(gòu)時(shí)，即有兩種不相同的土壤電阻率時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大電流極的距離。

6.4、水泥地不能打測量電極時(shí)
       如果在城市地區(qū)周圍都是水泥地難于打輔助電流極或電壓極時(shí)，可用25×25cm2鋼板放在水泥地上，澆上鹽水，代替測量電極，一般情況下就可進(jìn)行測量了。

7、 小結(jié)
（1） 在任何情況下，接地電阻都是可測的，只要掌握了正確的測量方法，也是能測準(zhǔn)的。
（2） 要準(zhǔn)確測量接地電阻，輔助電流極距被測接地裝置的距離d13不能太小，至少應(yīng)大于接地裝置最大對角尺寸的3倍以上。電壓極的位置在0.618d13處，但測量時(shí)應(yīng)前后移動(dòng)電壓極5～7個(gè)點(diǎn)位，測得5～7個(gè)接地電阻的數(shù)值，選擇其中至少三個(gè)相互誤差小于3%的數(shù)據(jù)，取其平均值為最后的測量結(jié)果。
（3） 大型接地裝置（網(wǎng)）接地電阻的測量是比較困難一些，但不是不可測。那種遇到困難就放棄測量，甚至提出“廢棄接地電阻”的思想是因膩廢食的懶漢思想

發(fā)布時(shí)間:2011-7-21 訪問次數(shù):6208