接地电阻在线监测实现与分析

林世祺

摘要：本文基于电磁感应的非接触式接地电阻测量法，构建GPRS功能的接地电阻在线监测平台，实现了接地电阻和接地状态实时监测，有效提高监测效率和管理水平。利用2016年-2017年监测的数据，验证在线监测平台采集数据与现场检测数据进行误差对比分析。实验结果表明：监测系统和环路电阻测试仪测量值总体一致，接地电阻数据整体误差控制在5%以内，达到预期设计目标，系统能够稳定可靠运行。

Abstract： Based on the non-contact grounding resistance measurement method of electromagnetic induction， this paper constructs a grounding resistance on-line monitoring platform with GPRS function， achieves the real-time monitoring of grounding resistance and grounding status， and effectively improves monitoring efficiency and management level. Using the data monitored from 2016 to 2017， it verifies the data collected in online monitoring platform and field test data for error comparison analysis. The experimental results show that the measured values of the monitoring system and the loop resistance tester are generally consistent， and the overall error of the grounding resistance data is controlled within 5%， so the expected design goal can be achieved and the system can operate stably and reliably.

關键词：防雷设施；接地电阻；在线监测

Key words： lightning protection facilities；grounding resistance；online monitoring

中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）30-0117-04

0 引言

在气象系统防雷工作中，防雷设施接地性能成为评价防雷效果的重要参数之一。由于温度、湿度、降水等气象因素的影响，接地装置每季度都会有不同程度的腐蚀，使建筑物和设备接地电阻阻值发生变化，从而存在安全隐患。一旦遭受雷击，强电流入地时产生较高的残压，影响到附近人身安全和设备设施的安全运行。因此，必须加大力度对接地电阻变化进行监测。目前，测量接地电阻手段大部分都是依靠人工方式进行测量，智能化管理程度低、测量方式和操作存在诸多不便，无法做到实时检测，也无法对接地状态异常情况进行有效监控。本文分析基于GPRS电磁感应的接地电阻检测方法，可以方便地实现接地电阻在线监测，实时掌握接地电阻的阻值变化，保障人民生命和财产的安全。

1 本系统的接地电阻测量原理和监测方法

1.1 接地电阻测量原理

本系统主要采用的是用接地电阻测试仪测量防雷系统回路电阻的监测方法。在监控回路上上选取合适的位置安装接地电阻监测仪对接地电阻实时在线监测，使用非接触式的钳表法测试地网接地电阻阻值。接地电阻测试仪一般根据欧姆定律设计，本系统采用非接触式的钳表法，钳表法基于法拉第电磁感应原理工作，测量时钳口闭合，接地电阻监测仪的电压发生器线圈发出激励脉冲信号，在被测量的接地闭合回路上发生一个恒定的交流电压E，在磁场的作用下被测回路感应出电流I。在测得接地回路中的电压和电流后，根据欧姆定律：R=E/I便可获得被测回路电阻，并采集提取接地电阻信息。若没有形成回路的接地系统，需要增加辅助接地网使其形成回路。因此，在地网布设时，两组地网是独立分开的。测量原理如图1所示。

接地电阻监测仪所测量出的接地电阻R是由被测物地网A接地电阻R1、地网B接电阻值R2和其它回路电阻值R3（防雷接地引下线的阻值、金属连接线的阻值和接线之间的接触电阻之和）等3部分组成。也就是仪表显示出来的是R1、R2和R3总和，如果地网B阻值为1欧姆，其它回路电阻为0.5欧姆，那么被测物地网A接地电阻R1为2.5欧姆。根据这个原理就可以判断电阻值是否合格。

1.2 接地状态的监测方法

我们利用上述这个特点，将防雷接地引下线或辅助接地引线穿过在线监测仪中心并形成回路，在仪器上实时在线监测地网接地阻值，从而判断所测接地电阻是否合格和接地状况（闭合或分开）。

2 系统总体架构

本系统基于WINDOWS环境开发，组合选用B/S架构和C/S架构。系统组成一个完整的信息化管理系统，可实现接地电阻采集、实时监控接地状态、数据处理分析、出现异常及时报警、通讯管理、数据保存、历史数据查询等功能。

接地电阻在线监测系统整体架构主要由：数据采集系统、监测信息传输系统、WebGIS平台3个部分组成。数据采集系统主要功能是对电阻阻值数据、接地状态及空开状态等信息采集。监测信息传输系统主要完成从数据采集模块到云平台及管理后台的数据传输。WebGIS平台基于地图数据的信息展示分析平台，将监测点地理位置上传到基于WebGIS平台上实时显示和报警，采用可视化曲线显示电阻数值和变化趋势，对超出设定阀值部位进行报警。（图2）

3 接地电阻在线监测平台实现

3.1 接地电阻在线监测网点分布图（图3）

3.2 实时监测数据

监测点实时数据及设备状态，采集模块采集数据后通过GPRS传输至云平台中心，经运算分析后在WebGIS平台上实时显示。点击“设备监控”，显示“实时监测”页签，在“站点名称”“开始时间”“结束时间”和“按属性值”内选择相应参数值，按“查询”键后显示“站点名称”“监测位置”“测量时间”“接地电阻”“报警阀值”和“地网状态”等监测内容。也可以根据需要设定条件，选择“导出excel表”来导出所需实时监测的接地电阻值。（图4）

3.3 接地地阻监测和预警

数据采集器通过与配置接地电阻测试仪通讯，获取测量的接地电阻值。监测实时显示并保存地网接地电阻的数值。操作时点击“实时监测”和“地网”进行实时监测，测量等待时间大约需要20秒，结束后页面中的“测量时间”，“地网阻值”，“地网状态”会显示结果。两次测量间隔不得小于1分钟。设定接地电阻阻值的上限值与下限值，当实测阻值大于设定阈值时，地网状态显示异常，颜色为红色。监控平台实时发送异常情况报警窗口，系统根据预设信息，发送短信报警内容告知测试点现场工作人员。

3.4 历史数据查询

选择“统计分析”模块，按需选择“站点名称”等条件信息，点击“统计”键出现如图5所示的接地电阻趋势信息。接地地阻统计方式可以选择日平均或周平均。可以统计最近一天最近一周或最近一月。

4 接地电阻数据对比及误差分析

接地电阻在线监测仪采用非接触式的钳表法测试地网接地电阻阻值。我们采用测量仪器CA6412环路电阻测试仪进行做实验，通过仪器所测数据与系统检测数据进行比对，分析所测数据误差大小。由于测量仪器的精度比较高，经排查测试现场没有干扰信号，测量仪器误差可忽略不计。如图6和图7所示分别为中山市监测点1、2从2016年11月至2017年2月系统测试电阻值与环路电阻测试仪测出的电阻值趋势对比图。

从两个测试点数据对比分析：

两个测试点，从11月到次年2月总趋势是接地电阻在不断变大。原因为冬季雨水减少，中山地区受土壤含水量下降等气象因素影响变得干燥，导致接地体附近土壤电阻率上升，防雷接地系统接地电阻抬升。

从数据可知，环路电阻测试仪和监测系统测量值总体一致，在可控误差范围。环路电阻测试仪检测数据经过计量机构检定，设备误差可以忽略不计。测试点1测得的接地电阻值在2.2～3.4欧姆之间，相对差值最高为0.3欧姆。其中1月12日至2月11日数值基本吻合，整体误差普遍在3%以内；另外监测点2接地电阻值在1.7～2.5欧姆之间，相对差值最高为0.3欧姆，整体误差普遍在5%以内。接地电阻监测仪误差是由于在测量时受到测量角度、方向方法的作用，同时测量时间不一致也会导致误差，总体上符合系统设计要求误差控制在5%以内的目标。

通过实验对比，分析所测数据误差大小。分别在线监测系统与环路电阻测试仪采用监测设备进行精确误差分析，再结合监测参数值进行误差对比分析。经过验证比对实验，结果表明：环路电阻测试仪和监测系统测量值总体一致，接地电阻数据整体误差控制在5%以内，达到预期设计目标，能够稳定运行。

5 总结

本接地电阻在线监测系统，基于无线传感网络实现了对检测数据的实时传输、监控、分析以及处理，实现了接地阻值变化趋势的实时监测，大大提高了接地电阻检测的自动化程序，节约了人力、物力资源且提高了效率。本文利用2016～2017年監测的数据，通过监测数据误差对比结果表明：环路电阻测试仪和监测系统测量值总体一致，接地电阻数据整体误差控制在5%以内，达到预期设计目标，系统运行稳定可靠。

参考文献：

[1]于东海，翟玉泰，徐碧标.非接触接地电阻测量法的原理及应用[J].气象研究与应用，2013，3.

[2]唐慧强，葛黎黎，景华.基于无线传感器网络的接地电阻检测系统[J].仪表技术与传感器，2015（2）：54.

[3]冯杰，代永红，李晗.接地电阻自动监测系统的设计与实现[J].微计算机信息，2007，23（10）：6.

[4]周积强.基于GPRS的接地电阻自动检测系统设计[J].气象水文海洋仪器，2011，28（4）：57.

[5]耿东山，曾庆山.防雷设备和接地电阻无线监测系统设计[J].计算机工程2011，1（2）：233.

[6]罗志勇.中山市重点场所电源SPD在线安全监测系统[D].电子科技大学，2017，3.

[7]葛黎黎.接地电阻及等电位连接自动检测系统[D].南京信息工程大学，2011.

[8]周彦斌.接地电阻自动监测系统设计[D].电子科技大学，2012，12.

[9]姚庆梅，张天亮，李冰，等.输电线路杆塔接地电阻在线监测仪的设计[D].山东建筑大学，2012，10.

[10]张雨，李华鹏.基于物联网技术的防雷装置在线检测系统设计[J].计量与测试技术，2016，3.