浅论防雷接地电阻值的检测

周国军,黄玲霞,周维才,周正明,江 波

(湖南省湘西自治州气象局,湖南 吉首 416000)

浅论防雷接地电阻值的检测

周国军,黄玲霞,周维才,周正明,江 波

(湖南省湘西自治州气象局,湖南 吉首 416000)

在防雷检测实际工作当中,经常出现的接地电阻值读数偏大、偏小、甚至出现检测值为负值等不稳定的情况,该文通过分析各种接地电阻的检测方法、测试仪的工作原理及使用范围,结合工作实践经验,分析造成接地电阻测量值偏离真值的常见原因,浅论避免或减小接地电阻值偏离真值的方法。

雷;接地电阻值;检测

1 前言

在综合防雷系统工程中,无论是接闪器还是防雷电感应的电涌保护器 (SPD),都要进行最重要的一环——防雷接地 (现代建筑物中防雷接地、保护接地、工作接地、防静电接地等多为联合接地)。防雷接地系统做得好坏,对于整个防雷系统的安全可靠运行,保障设备和人身的安全具有重要意义。接地电阻是接地系统的主要技术参数,是衡量防雷装置工程质量的重要指标,理论上是接地电阻越小,泄流越快,落雷物体高电位保持时间就越短,以至于对电气安全的干扰时间就越短、幅值越小,跨步电压和接触电压也越小,相对来说防雷接地系统效果就越好。

接地电阻的测量是检验接地系统接地效果的重要措施。而在日常的实际防雷检测工作当中,经常出现的接地电阻值读数偏大、偏小、甚至出现检测值为负值等不稳定的情况,本文就针对这些情况,对接地电阻值的的准确性问题作一些探讨。

2 接地电阻的定义

接地电阻实质上是电流由接地装置流入大地再经大地流向另一接地体或向远处扩散所遇到的电阻,它包括接地线和接地体本身的电阻、接地体与大地的电阻之间的接触电阻以及两接地体之间大地的电阻或接地体到无限大远处的大地电阻。

接地电阻有冲击接地电阻和工频接地电阻之分。冲击接地电阻是按通过接地体的电流为冲击电流时求得的接地电阻值,它对通过雷电电流时的情况下很有研究价值;而工频接地电阻是按通过接地体的电流为工频电流时求得的接地电阻。

在我们日常工作中所测得的接地电阻值数值是工频接地电阻值,故一般在不指明是哪一种接地电阻时,接地电阻均指工频接地电阻而言。为了便于衡量其接地电阻是否符合规程要求,可以通过计算公式转换。

式中：R——接地装置各支线的长度取值小于或等于接地体的有效长度le或者有支线大于le而取其等于le时的工频接地电阻 (Ω);A——换算系数,其数值宜按图 1确定;Ri——所要求的接地装置冲击接地电阻 (Ω)。

3 接地电阻的测量方法

3.1 三极法和四极法

接地装置的工频接地电阻值测量常用三极法(三线法)和四极法。

3.1.1 三极法 三极法也称三线法,具体如下：三极法的三极是指图 1上的被测接地装置G,测量用的电压极P和电流极C。图中测量用的电流极C和电压极P离被测接地装置G边缘的距离为dGC=(4

图 1 换算系数 A

把电压表和电流表的指示值U0和Id代入式R=U0/Id得到被测接地装置的工频接地电阻R0G——被测接地装置;P——测量用的电压极;C——测量用的电流极;E——测量用的工频电源;A——交流电流表;V——交流电压表;D——被测接地装置的最大对角线长度。

图 2 三极法的电极布置图 (a)和原理接线图 (b)

3.1.2 四极法 四极法也称四线法,基本上与三极法相同,只是测量时把测量仪接往接地装置的两极必须单独用两根线直接连接到被测地上。这种方法是在低接地电阻测量和消除测量电缆电阻对测量结果的影响时替代三极法,这是所有接地电阻测量方法中准确度最高的。

3.2 电压电流表法

电压电流表测量接地电阻法的电流辅助极是用来与被测接地电极构成电流回路,电压辅助极是用来测得被测接地电位。采用该方法保证测量准确度的关键在于电流辅助极和电压辅助极的位置要选择适合。如在辅助电流极以前,电压表已有读数,说明存在外来干扰。

3.2.1 电压电流三极直线法 电压电流三极直线法是指电流极和电压极沿直线布置,三极是：被测接地体、测量用电压极和电流极,其原理接线与图 2(a)一样,这里不再重复。

3.2.2 电压电流三极三角形法 电极如图 3所示布置,一般取d2=d1≥2D,夹角约为 30°。测量步骤与电压电流三极直线法相同。

4 几种常用测量仪的原理、使用范围

图 3 电压电流三级三角形法电极布置图

接地电阻测量仪常用的大致可分为三类：手摇式地阻测量仪、数字式地阻测量仪、钳形地阻测量仪。这几种地阻仪的基本测量原理都是相同的,即：欧姆定律：R=U/I0但是,针对测试现场的纷繁复杂的情况,三种仪表的性能测试方法和适用范围等却相差很大,下面进行具体分析：

4.1 手摇式地阻测量仪

手摇式地阻表是一种较为传统的测量仪表,它的基本原理是采用三点式电压落差法。

手摇式地阻表的代表主要是国产 ZC-8系列的传统“摇表”,其基本测量方法是：测量时应先将地网引线与负载断开,然后在远离地网对角线同一方向约 20m和 40m处各打一辅助地桩 (远端为电流辅助极,近端为电压辅助极),然后用导线将两极与仪表相应接柱相连,地网引线也与仪表相应接柱相连,通过摇动仪表手柄来测量地阻。该类仪表及测试方法有以下缺点：由于两个辅助地极线较长,在许多现场无法满足;仪表精度很低,无法满足高精度地阻值的测量;由于是手摇式发电,故测试时手柄摇动速率对测试结果影响很大。

4.2 数字式地阻测量仪

数字式接地电阻测量仪摒弃了传统的人工手摇发电工作方式,采用先进的中大规模集成电路,应用DC/AC变换技术将三端钮、四端钮测量方式合并为一种机型的新型接地电阻测量仪。工作原理为由机内DC/AC变换器将直流变为交流的低频恒流,经过辅助接地极和被测物组成回路,被测物上产生交流压降,经辅助接地极送入交流放大器放大,再经过检波送入表头显示。借助倍率开关,一般可得到几个不同的量限：0～1Ω,0～10Ω,0～100Ω,0～1 000Ω等。

其代表主要有BY2571接地电阻仪和日本共立的 4102A、4105A等。这些表电路上为防止工频、射频干扰采用锁相环同步跟踪检波方式并配以开关电容滤波器,使仪表有一定的抗干扰能力,采用的DC/AC变换技术将直流变为交流的低频恒定电流更便于测量,允许辅助接地电阻在几个档位之间切化,测量结果影响较小。

4.3 钳形地阻测量仪

钳形地阻测量仪的测量原理是：钳形接地电阻测试仪钳口内有两个独立线圈,一个产生交流电压U,另一个用于测试回路电流I,测试框图如图 4。钳住地线,接通电源后,可测得回路总电阻 R总：

式中：RX——被测接地体接地电阻值;RZ——辅助测试电极接地电阻值。假如知道辅助测试电极接地电阻值 RZ,就可算出被测接地体接地电阻RX=R总-RZ。若RZ≤RX,则RX≈R总。

图 4 钳形接地电阻测试仪测量原理图

从测量原理可知,测量时必须要有一个供电流流过的有效的闭合回路,才能根据欧姆定律测出被测接地体接地电阻值。闭合回路包括被测接地体,辅助测试电极及钳形表的交流电压发生器和电流表。实际上,该表测出的是整个回路的阻抗,而不是电阻,在分布式的多点接地系统中,通常情况下他们相差极小,该阻值近似于我们要测的接地网的地阻。不过也因该表测出的是整个回路的阻抗,而不是电阻,故在单点接地系统中和对于已埋设好而尚未与设备连接的开路接地网中,该表所测数值与正常的接地电阻值相差就比较大了,其地阻就不能用该仪表进行测量。

钳形地阻表是一种新颖的测量工具,它方便、快捷,外形酷似钳形电流表,受周围环境限制较小,在测试时可使用一定频率的信号以排除干扰,以对在用设备的地阻进行在线测量,而不需切断设备电源或断开地线,而且测试时不需辅助测试极,极大的方便了地阻测量工作。不过因该表测出的是整个回路的阻抗,而不是电阻,故在单点接地系统中和对于已埋设好而尚未与设备连接的开路接地网中,该表所测数值与正常的接地电阻值相差比较大 (基本上是偏高),其地阻就不能用该仪表进行测量。

5 造成接地电阻真值偏离的主要原因和避免的方法

5.1 造成接地电阻真值偏离的主要原因

检测时的天气的影响;选择使用的仪器的影响;选择使用的检测方法的影响;检测环境的影响;检测人员的操作的影响。

5.2 避免或减小接地电阻值偏离真值的方法

①应在非雨天和土壤未冻结时检测接地电阻值,天气气候条件应能保证正常检测。

②检测仪器应在检定合格有效使用期内使用;测量和测试仪器应符合国家计量法规的规定,检测仪器见《建筑物防雷装置检测技术规范》GB/T 21431—2008附录 E(资料性附录)。并且应根据实际检测对象的接地方式选定检测仪器：在检测时应注意所测地网是否单点接地,被测地线是否已与设备连接,有无可靠的接地回路,如果是开路接地桩,就不能用钳型地阻测量仪进行测量;应就应选用手摇式和数字式地阻测量仪。

③应根据实际检测对象对接地电阻的要求精确度来选定检测方法。一般情况可使用三极法,但在接地电阻精确度要求较高 (如≤1Ω的情况)的地方必须采用四极法,而且也进行方位、多点测试。

④检测环境对接地电阻的影响较大,在检测时,应注意：检测时,接地电阻测试仪的接地引线和其他导线应避开高、低压供电线路,以免干扰和造成危险;当地网带电影响检测时,应查明地网带电原因,在解决带电问题之后测量,或改变检测位置进行测量;诺在测量过程中由于杂散电流、工频漏流、高频干扰等因素,使接地电阻表出现读数不稳定时,可将测试仪与地网测试点的连线改成屏蔽线(屏蔽层下端应单独接地),或选用能够改变测试频率、采用具有选频放大器或窄带滤波器的接地电阻表检测,以提高其抗干扰的能力;按 DL475-92《接地装置工频物性参数的测量导则》规定,当大型接地装置如 110kV以上变电所接地网,或地网对角线D≥60m需要采用大电流测量,施加电流极上的工频电流应≥30A,以排除干扰减少误差;在测试时,当建筑物周边为岩石或水泥地面而无法打桩 (电极)时,可将电压、电流极与平铺放置在地面上每块面积不小于 250mm×250mm的钢板连接,并用水润湿后实施检测。

⑤检测人员的操作对接地电阻值的影响也非常大,在检测中应注意：检测仪的三极应在一条直线上且垂直于地网,应避免平行布置;测试仪与地网测试点的连接线长度宜小于 5m。当需要加长时,应将实测接地电阻值减去加长线阻值后填入表格(加长线线阻应用接地电表二极法测量)等。

6 结束语

防雷是一个系统工程,防雷装置特别强调可靠性,合格的地网是有效防雷装置的保证,而接地电阻是接地系统的主要技术参数,是衡量防雷装置质量的重要指标,故接地电阻的准确测量是也显得尤为重要。我们在工作当中应该根据实际检测对象的接地方式选定检测仪器和检测方法及一些其他注意事项,以提高接地电阻测试的可信度。

＊注：本文在写作过程中得到了湖南省防雷中心贾绽云主任的大力帮助和指导,在此特别表示感谢!

[1] GB/T.21431-2008.建筑物防雷装置检测技术规范[S].

[2] GB50057-1994.建筑物防雷设计规范[S].

[3] GB50343-2004.建筑物电子信息系统防雷技术规范[S].

[4] DL475-92.接地装置工频物性参数的测量导则[S].

T M866

B

1003-6598(2010)增刊-0190-04～5)D和dGP=(0.5～0.6)dGC,D为被测接地装置的最大对角线长度,点P可以认为是处在实际的零电位区内。为了较准确地找到实际零电位区时,可把电压极沿测量用电流极与被测接地装置之间连接线方向移动 3次,每次移动的距离约为dGC的5%,测量电压极P与接地装置G之间的电压。如果电压表的 3次指示值之间的相对误差不超过5%,则可以把中间位置作为测量用电压极的位置。

2010-09-10

周国军 (1980-),男 (苗族),助工,主要从事气象防雷减灾工作。