不同接地装置类型下接地电阻测量研究

刘志刚，荆文迪

(1.中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063；2.山东交通学院信息科学与电气工程学院，山东 济南 250357)

0 引言

接地电阻是指恒定电流流经接地装置经大地土壤散流后所表现的电阻特性，该电阻通常主要由接地装置自身的电容、土壤的介电常数及土壤电阻率确定[1]。接地电阻值的大小往往影响着整个电力系统供电质量的优劣。如果接地电阻值过大，将会引起三相荷载的不平衡，从而导致接地参考电位不为零，系统中性点发生偏移，使得线电压幅值变大，损坏电力设备。此外，接地电阻值越大，如出现单相接地短路故障时，如果有人误触电力设备中性线或设备外壳时，就会导致人身触电事故。因此，在平时的电力巡检中，接地电阻值是判定接地装置性能好坏的技术指标之一，也是电力设计的重要内容。接地电阻值真值具有唯一性，但由于土壤电阻率不均匀、电压零电位参考点寻找困难等复杂因素的存在，将产生测量误差。

文献[2]利用的三极直线法通过测试接地网、辅助电流极和辅助电压极直线布置的方法来测量接地电阻，该方法仅适合于电阻率均匀、可靠的土壤。文献[3]指出用高频冲击电阻代替工频接地电阻，可以克服接地线长度超标的问题，并作为接地装置测量的标准，但是冲击接地电阻仪输出的电流峰值大且衰减快，不实际也不安全。本文整理了一些接地电阻测量的资料并结合实际测量经验，对于传统意义上的三极直线法测量接地电阻时，对影响接地电阻值大小的各种因素进行分析诊断。对于中小型接地装置，采用等边三角形法测量接地电阻；对于大型接地装置，测试电气完整性来保证接地电阻满足设计要求。

1 理论算法

1.1 三极直线法

接地电阻的测量是给接地装置外部施加恒定电流源I(或恒定电压源U)，计算出接地网上的电压降U(或电流值I)，我们把电压降U与电流I相除，就得到了接地电阻。

式中： U为接地网(或接地极)与大地参考零电位点之间的压差，V； I为施加于接地装置的电流源值，A。

三极直线法是指测试的接地装置E、辅助电流极C和辅助电压极P三点呈一直线布置来测量接地电阻的方法。在三极直线法中，接地装置E、辅助电流极C和辅助电压极P三点距离存在何种关系，这是测量的核心。通常接地电阻测试仪提供两根引线分别连接辅助电压极P和辅助电流极C。按照图1的接线方式，对P列出极电压方程：

图1 三极直线法布线图

式中：IE表示恒定电流源I(或恒定电压源U产生的从接地装置E流出的电流)，A；IP表示流经辅助电压极P的电流，A；IC表示流入辅助电流极C的电流，A；REP表示接地装置E与辅助电压极P之间的互感阻抗，Ω；RCP表示辅助电流极C与辅助电压极P之间的互感阻抗，Ω。

1.2 等边三角形法

对节点E列出极电压方程：

式中：RE表示接地电阻，Ω；RCE表示接地装置E和辅助电流极C的互感阻抗，Ω。

通过式(3)可以得到接地电阻的测量值表达式为：

从式(4)可以得知，接地电阻的测量误差是由于各电极的相对距离和土壤电阻率决定的。距离越远，测量误差越小。但是，设计院在初期规划总平面布置时，尽可能地利用占地面积，导致各电极的相对距离受限。此外，在实际地质勘测中，土壤电阻率往往不均匀，地下各类岩石、槽沟及地下管线等也会影响电极磁场的分布，从而使参考零电位点不为0，测量结果引起误差。如果UP≠0、≈0，式(2)简化为：

从式(5)中可以看出：如果UP＞0，参考零电位点P靠近E节点；如果UP＜0，参考零电位点P远离E节点。此外，在三极直线法布置电极时，辅助电压极P和辅助电流极C的引线水平敷设时，两引线可能产生电磁效应，同样会引起测量误差。本文建议用等边三角形法测量中小型接地装置的接地电阻。所谓等边三角形法是将辅助电压极P和辅助电流极C相对于固定点(即接地装置测量点E)以固定角度60°向两个方向延伸，两电极引线长度满足：dEP= dEC的布线方式，如图2所示。

图2 等边三角形法布线图

从式(6)可以看出：如果Up>0，参考零电位点P靠近C节点；如果Up<0，参考零电位点P远离C节点；如果Up=0，也就是本文提出的等边三角形布线法。按照图2布线测量得到的接地电阻值为R1；P节点和C节点互换位置，测得的接地电阻值为R2。如果R1和R2满足|R1-R2|≤δ(δ为某一阈值)，接地装置四周的土壤电阻率均匀，那么我们可以认为R1(或R2)为接地装置的接地电阻值；如果R1和R2满足|R1-R2|＞δ，接地装置四周的土壤电阻率不均匀， max{R1，R2}为接地装置的接地电阻值。此外，辅助电压极和辅助电流极的两电极引线呈60°的方向布置，克服了电磁感应的困扰。因此，由分析可知，等边三角形法可以克服受电磁感应、土壤电阻率不均匀的影响。

2 接地电阻的测量

2.1 试验前准备工作

文章选用接地电阻测试仪测量不同设备的接地电阻，如高压铁塔、信号基站、建筑物等。

试验前准备工作如下：①断开所有引下线与电气设备或避雷带连接的断接线卡。②用导线把接线端子E、P、C同时短接，调整检流计，使其指针读数为0 Ω，量程调整至“1”档位，旋转手柄，指针应于“0 ”位不变，否则判定为仪器的内部电气接线故障。 ③仪器灵敏度的校验，用导线把端子E、P短接，端子C悬空，量程转换置于“1”档，旋转手柄，如果指针迅速偏离“0”位，则认定仪器灵敏度合格。④机械性能“0”位调整，仪器放置于水平地面，微调检流计的机械零位旋钮，保持检流计指针位于“0”位位置。⑤引线和探针外观性检查，注意引线绝缘层有无损坏，导线有无断线，探针与引线是否连接紧密，探针有无磨损现象。⑥连接引线：两根20 m引线分别接C端子和P端子，引线与仪器端P和C连接必须牢固且不能交叉，其示意图如图3所示。

图3 仪表接线示意图

2.2 试验步骤

试验步骤：①把接地电阻测试仪放置于离接地装置较近的水平地面上，E端通过引线与接地装置连接，辅助电流极、辅助电压极引线分别从C端、P端引出后沿60°方向延伸，引线不能交叉且间距大于2 m，辅助电压极和电流极不能置于接地装置内侧，两根探针入地于-0.6 m以下并与土壤之间不能有缝隙，且探针不能接触岩石、管线等障碍物。②档位设置，将滑动电阻值设置在最大阻值处，将仪器量程置于“1”档位处，均匀旋转手柄、扭转滑线电阻器使检流计指针于“0”位不变。③记录接地装置的接地电阻值。④拆除引线，将断开避雷带或电力设备的接地引下线恢复原状态，保证连接牢固。

3 接地电阻的测量转化

等边三角形法能够克服电磁感应及土壤电阻率不均匀的影响，但是，大型接地装置，尤其是建筑物的等效面积在5 000 m2及以上，接地电阻的测量技术复杂、难度大。实际接地电阻接地仪表仪器说明书中的操作也局限于非大型接地装置。如果接地装置越大，测量误差就越大。因此，针对大型接地装置应寻找另一种思路。文献[4]指出倘若土壤电阻率均匀，以水平接地极起主要散流作用、垂直接地极附加散流的边缘闭合的接地装置，可参照式(7)计算接地装置的接地电阻。

式中：R表示任何形式的边缘闭合的接地装置的接地电阻，Ω；Re表示等面积或等水平接地极总长度的方形接地网的接地电阻，Ω；S表示接地网的水平面积，m2；d表示水平接地极的直径或等效直径，m；h表示水平接地极的地下埋设深度，m，通常为0.8 m以上；L0表示接地网的最大边线总长度，m；L表示水平接地极的所有长度和，m；B表示等效系数。

式(7)虽然计算精确，但过程较为繁琐。为了简化，均匀土壤中水平接地极为主边缘的复合地网的接地电阻简易计算式为：

直接接地系统或低电阻接地系统变电站或发电厂的接地电阻应符合式(9)的要求。

式中：IG表示经过接地装置流入大地的单相接地故障的电流工频有效值，A。

而近十年，火电机组容量扩大，特高压输电线路的发展，系统短路电流IG远大于4 000 A。结合上式，大型接地装置的接地电阻应符合式(11)即可。

通过式(11)可以看出：接地装置在电气完整性前提下，只要土壤电阻率ρ不大于就能保证接地电阻值符合规范要求。而大型接地装置中，土壤电阻率ρ远远小于。以某一2×350 MW火力发电厂为例，其占地10.3万m2，土方以粉质黏土为主，土壤电阻率近似为100 Ω·m，满足式(11)的要求。可以得出：利用电气完整性测试代替接地电阻值的测量，更具有应用性和可行性。《交流电气装置的接地设计规范》中提及当接地网的接地电阻不符合本规范的要求时，可通过采取必要的措施并满足接触电势和跨步电势的要求，以确保人身和设备安全可靠。接地电阻不符合要求的内容不在本文讨论范围以内。

4 电气完整性测试

接地装置的电气完整性定义为建筑物防雷装置中避雷带、避雷针及各设备的引下线之间的电气导通性，即直流电阻值。参考文献[5]中关于接地网电气完整性测试规定：①应测试同一接地装置的各相邻设备的引下线之间的电气导通性情况，以直流电阻值表示；②直流电阻值不宜大于0.05 Ω。

接地装置的电气完整性测试就是设定一个与主地网连接牢固的设备引下线为参考节点，再测试周围其他电气设备接地部分与参考点之间的直流电阻值。直流电阻需要用导通测试仪测量，仪器分辨率的欧姆值为1 mΩ，精确度大于1.0级，其工作原理如图4所示。

图4 导通测试仪原理图

图4所示的电路，流经Rl电流的电流表达式为：

滑动变阻器的功率表达式为

(当且仅当Rx= Rl，滑动变阻器功率取得最大值。)

电气完整性测试工作步骤如下：

1)把被测引下线端子与引下线参考端子接在Rx的位置上。为了降低接触电阻值，保证数值的准确性，被测点接触面应干净整洁。

2)确认连接线无误后，接通220 V电源，设备进入正常工作状态。

3)调整滑动变阻器的阻值，记录仪表中每组的电压值U和电流值I，(U1、I1)、(U2、I2)…(Un、In)。

6)测试结束后，切断电源，拆除接线端子。

5 结语

接地电阻值与接地装置的尺寸和土壤电阻率的大小有关系。如果接地电阻过大不能满足电力系统防雷击或运行的要求，这直接关系到变电站或发电厂运行人员的人身安全。通过本文的分析表明：对于中小型接地装置，等边三角形法测量接地电阻可以避免辅助电流极和辅助电压极由于电磁感应引起的测量误差及土壤电阻率不均匀的影响；对于大型接地装置，测试的电气完整性来代替接地电阻的测量，更具有应用性和可行性。