接地电阻的测量

第五章接地电阻的测量一、测量接地电阻的基本原理根据接地电阻的意义，接地电阻是电流I经接地体流入大地时接地电位U和I的比值。因此，为了测量接地电阻，首先在接地体上注入一定的电流，这就需要设置一个可提供电流回路的电流极，并用电流表测出该电流，而为了用电压表测出接地电极的电位，则需要设置一个能测出无穷远零位面处电位的电压极，如图5-1所示。图5-1三极法测量接地电阻的试验接线为简化计算，设接地体为半球形，在距球心X处的球面上的电流密度为式中J——距球心为X处的球面上电流密度；I——接地体入地的电流；2J2XI我们知道，电场强度E=J,为土壤电阻率,而电场中任意两点间的电位差，等于电场强度在两点之间的线积分。设无穷远处的电位为零，所以距离接地体球心x(x→rg)处所具有的电压为（5-2）xxxxldxxEdxU222由式（5-2）知，电极1、2之间出现的电位差为（5-3）电极3使1、2、之间出现的电差为（5-4）1，2电极之间的总电位等于U’与U”之和，即（5-5）)11(2'12drIUg231311''()2IUdd)1111(2'''132312dddrIUUUg因此1、2极之间呈现的电阻Rg为（5-6）接地体1的接地电阻实际值为（5-7）式中R——接地体的实际电阻；rg——接地体的半径；)1111(2132312dddrIURgggrR2要使测量的接地电阻Rg，等于接地体的实际接地电阻R，就必须使式（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=0.6180111131223ddd01111aa2aa10系数a表明，如果电流极不置于无穷远处，则电压极必须放在电流与被测接地体两者之间，距接地体0.618d13处，即可测得接地体的真实接地电阻值，此方法称为0.618法或补偿法。这一结论的应用是有范围的，与假设的前提有关，即仅在接地体为半球形，球形中心位置已知，土壤的电阻率一致，镜像的影响忽略不计下适用。但实际情况与此有出入，如接地体几乎没有半球形的，大多数为管状、带状以及由管带形成的接地网。测量结果的差别程度随极间距离d13的减小而增大。但不论接地体的形状如何，其等位面距其中心越远，其形状就越接近半球形。实际的地网基本上是网格状，它介于圆盘和圆环两者之间，用上述论证方法，可以证明当接地体为圆盘（圆盘半径为r），电极布置采用补偿法时，其测量误差为（5-9）将不同的d13代入式（5-9）可求得相应的测量误差，如表5-1所示，表中D为圆盘直径。表5-1采用不同电极距离测量圆盘接地体接地电阻的误差从5-1看出，用2D补偿法测量圆盘接地体的接地电阻时，其误差比较小（小于1%）。12313122111(sin)rrddrd电极距离d135D4D3D2DD误差（%）-0.057-0.089-0.216-0.826-8.2如果地网是圆环接地体，同理可证明，若采用补偿法，当接地导体的直径d=8mm，地网半径r=40m时，取不同的d13值，其相应的测量误差，按式（5-9）计算的结果如表5-2所示。表5-2用不同电极距离（d13）测量圆环接地体接地电阻误差（%）由表5-2看出，用2D（为圆环直径）补偿法测量圆环接地体的接地电阻时，其误差亦小于1%。所以对于实际的接地网，用2D补偿法测量接地电阻的误差均在1%以下。d135D4D3D2D(%)-0.0322-0.0595-0.138-0.498此时测量电极的布置是电流极距离地网中心d13=2D，电压极距地网中心是d12=0.618d13=1.236D。DL475—92《接地装置工频特性参数的测量导则》规定：当被测接地装置的面积较大而土壤电阻率不均匀时，为了得到较为可信的测试结果，建议把电流极离被测接地装置的距离增大，例如增大到10km，同时，电压极离被测接地装置的距离也相应增大。如果在测量工频接地电阻时，d13取（4-5）D值有困难，那么当接地装置周围的土壤电阻率较均匀时，d13可以取2D值，d12取D值；当接地装置周围的土壤电阻不均匀时，d13可以取3D值，d12取1.7D值。接地电阻测试仪使用方法二、测量方法及接线测量接地电阻的方法最常用的有电压、电流法，比率计法和电桥法。对大型接地装置如110kV及以上变电所接地网，或地网对角线D≥60m的地网不能采用比率计法和电桥法，而应采用电压、电流表法，且施加的电流要达到一定值，测量导则要求不宜小于30A。电压、电流法采用电压、电流法测量接地电阻的试验接线如图5-2所示。这是一种常用的方法。施加电源后，同时读取电流表和电压表值，并按下式计算接地电阻，即（5-10）式中Rs——接地电阻，Ω；U——实测电压，V；I——实测电流，A。IURs132T2T1UPAPVVA图5-2电压电流法测接地电阻的试验接线T1-隔离变压器；T2-变压器；1-接地网；2-电压极；3-电流极图5-2中，隔离变压器T1可使用发电厂或变电所的厂用变或所用变50-200kV，把二次侧的中性点和接地解开，专作提供试验电源用调压器T2可使用50-200kVA的移圈式或其它形式的调压器电压表PV要求准确级不低于1.0级，电压表的输入阻抗不小于100kΩ，最好用分辨率不大于1%的数字电压表（满量程约为50V）；电流表PA准确级不低于1.0级。三极法是接地电阻测试中使用最多和最普遍的方法。三极指的是被测接地体、测量用的电压极、测量用的电流极。根据这三极分布的位置可以分为：直线三极法（电极为直线布置）夹角法（电极为三角形布置）前面提到测量接地电阻需要设置一个能测出无穷远零位面处电位的电压极，但是由于电压极不可能设在真正的无穷远处，而电流极的存在又会使地中的电流场发生畸变从而影响到地面的电位分布，所以接地电子的测量会存在误差。由此可见，合理地设置电流极和电压极是接地电阻测量的关键。1.电极为直线布置为寻求接地电阻的正确测量方法，先以半球形接地电极为例来讨论均匀土壤中接地电极和电流极连线上的地面电位分布。如图5-3所示，取半球形接地电极G的半径为a，将电流极C用一个半径为ac的半球取代，电流自G流入，C流出。图5-3接地电极和电流极连线上的地面电位分布计算（a）x在CG连线的中间（b）x在CG连线的延长线上则应用叠加原理可写出在CG连线中间或CG延长线上任一点x的电位Vx为：由此可知，在CG连线的中间，当DxG=DxC时，有Vx=0；当DxGDxC时，Vx为正值，其值随DxG的减小逐渐增大，在x抵达接地电极表面，即DxG=a，DxC=DGC–a，可达最大值VG：11()2xxGxCIVDD011()(1)2GGCGCIaVIRaDaDa式中02Ra。当DxGDxC时，Vx为负值，其值随DxG的增大逐渐降低，在x抵达电流极表面，即DxG=DGC–ac,DxG=ac时，达负的最大值Vc在CG连线的延长线上，则只有当DxG→∞时，才有Vx→0。图5-4（a）给出了CG连线上各点的地面电位分布图。为便于比较，图5-4（b）还画出了在没有电流极时的地面电位分布，此时相应的电极电位显然为11()2CGCccIVDaa02GIVIRa图5-4地面电位分布（a）x在CG连线上（b）不存在电流极时比较可知，由于零位面的移近，在同一入地电流I下，有电流极存在时接地极和零位面之间的电位差要比无电流极存在时小，因此在测量接地电阻时，即使把电压极置在零位面处，所得的结果也是偏小的。不难看出，电流极的存在起到了把无穷远零位面移到电极连线中部的作用。发电厂和变电所接地网接地电阻采用直线布置三极时，其电极布置和电位分布如图5-5所示，其原理接线如图5-6所示。图5-5测量工频地装置的直线三极法电极和电位分布示意图一般，d13=（4～5）D，d12=（0.5～0.6）d13，D为被测接地装置最大对角线的长度，点2可以认为是处在实际的零电位区内。图5-6三极法的原理接线图实验步骤如下：（1）按图5-2接好试验接线，并检查无误。（2）用调压器升压，并记录相对应的电压和电流值，直至升到预定值，比如60A，并记录对应的电压值。（3）将电压极2沿接地体和电流极方向前后移动三次，每次移动的距离为d13的5%左右，重复以上试验；三次测得的接地电阻值的差值小于5%时即可。然后取三个数的算术平均值，作为接地体的接地电阻。如果d13取4-5D有困难时，在土壤电阻率较为均匀的地区可取d13=2D,d12=1.2D;土壤电阻率不均匀的地区可取d13=3D,d12=1.7D。电极三角形布置示意图如图5-7所示。此时，一般取d12=d13≥2D，夹角图5-7电极三角形布置图1-接地体；2-电压极；3-电流极).21(301223ddc或2．电极为三角形的布置测量大型接地体的接地电阻时，宜用电压、电流表法，电极采用三角形布置。因为它与直线法比较有下列优点：1）可以减小引线间互感的影响；2）在不均匀土壤中，当d13=2D时，用三角形法的测量结果，相当于3D直线法的不测量结果；3）三角形法，电压极附近的电位变化较缓，从29°到60°的电位变化相当于直线法从0.618d13到0.5d13的电位变化。接地电阻Rg为式中U12——电压极与被测接地装置之间的电压；I——通过接地装置流入地中的测试电流；a——被测接地装置的等效球半径；d12——电压极和被测接地装置的等效中心距离；d13——电流极和被测接地装置的等效中心距离；——电流极和接地装置等效中心的连线与电流极和接地装置等效中心的连接线之间的夹角，一般取12g22131212131213U111R1aIdddd2ddcos1213dd2D,30由于大型变电站占地面积较大，地网最大对角线的长度一般有几百米，在进行接地电阻测量时要放置几公里的专用测量引线显得比较困难。因此可以利用变电所的一回输电线的两相导线作为电流线和电压线。由于两相导线即电压线与电流线之间的距离较小，电压线与电流线之间的互感会引起测量误差。这时可以在原有的三极基础上增设第四个电极以消除电流和电压间的互感，这种方法叫做四极法。电压电流四极法图5-8是消除电压线和电流线之间互感影响的四极法的原理接线图。图中的四极是指被测接地装置1、测量用的电压极2、电流极3以及辅助电极4。在使用四极法时应注意，辅助电极离地网的距离不能过近，否则将使测量误差大大增加。在实际测量中辅助电极可打在离地网边缘地网对角线长度处。图5-8四极法测量工频接地电阻的原理接线图1－被测接地装置；2－测量用电压极；3、测量用电流极；4－辅助电极11(~)1020同时为了减少电压线和电流线之间互感的影响，可使用架空线的一相作电流线，另外再从地面放一根电压测试线，两根线沿同一方向布线，但应间隔一定的距离，最好能大于10m。在试验中如遇到升电流有困难时，应检查架空线路的导线接头是否接触良好，接触电阻是否过大，电流极和电压极的接地是否可靠，如不可靠应处理，如在测试电流极和电压极四周加盐水处理。式中U12――被测接地装置1和电压极2之间的电压；U14――被测接地装置1和辅助极4之间的电压；U24――电压极2和辅助极4之间的电压；I――通过接地装置流入地中的试验电流。222g121424141R(UUU)2UI用高输入阻抗电压表测量1、2，1、4和2、4之间的电压。由电压U12、U14和U24以及通过接地装置流入地中的电流I，得到被测接地装置的工频接地电阻。三、测量注意事项⑴试验时用交流电源测量接地电阻时，应采用独立电源，通常用单独的所用变压器，并把中性和接地点打开，以防分流引起误差，或升不起电流。电压的高低根据电流回路阻抗和所需要升的电流进行估算。⑵在许多变电所中，输电线路的架空地线是与变电所接地装置连接在一起的，这会影响变电所接地装置接地电阻的测量结果，因此，在测量