回路法与三极法在防雷装置接地电阻在线监测中的对比分析研究

何 静 曾祥平 李卫平 廖国强 张宏伟

（1.重庆市防雷中心 2.金佛山国家综合气象观测专项试验外场）

0 引言

雷电作为常见的灾害性天气，因其强大的电流、炙热的高温、强烈的电磁辐射能够在瞬间产生巨大的破坏作用，可以导致建（构）筑物、供配电系统、低压电气系统等损坏，造成人员伤亡和经济损失，安装防雷装置并确保装置有效是雷电防护的关键手段。防雷装置因为使用环境、使用时长等因素的影响，随着时间的推移会有不同程度的腐蚀、损坏，使防雷装置接地电阻阻值发生变化，从而其安全性能需要定期检测以确保达到防雷的要求。传统的防雷装置接地电阻现场人工检测在实际操作中存在时效性差、技术水平参差不齐等问题，而智能化在线监测做到实时监测，并且还可以实现运行状态、临界预警、隐患风险实时可视化，可以全面、及时、系统地掌握所有监测点的防雷装置性能，为安全生产提供防雷安全保障。本文基于在线监测试点应用项目2020～2021年采集到的在线监测数据，详细分析了防雷装置接地电阻在线监测技术的回路法和三极法，并与现场人工检测数据进行对比分析，可以验证何种监测方法与人工检测数据的误差更小，亦可以验证何种监测方法采集到的监测数据更可靠。

1 接地电阻在线监测系统

接地电阻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。接地电阻受到多种自然因素影响，包括地形、地质、土壤等。具体而言，一般地质条件差、土壤干、干燥、土层稀薄的地区，电阻率往往较高；特别是对于岩石裸露的地区，其土壤电阻率大多超过1000Ωm，这将造成接地电阻同步增高［1］。防雷装置接地电阻值体现着防雷装置与“地”接触的良好程度和反映接地网的规模。

接地电阻在线监测系统是通过接地电阻自动测量装置，按照一定时间间隔进行防雷接地电阻实时在线监测和数据处理的系统，系统由测量与数据采集子系统、通信与网络子系统和终端显示子系统三部分组成。测量与数据采集子系统可实现接地电阻测量与数据采集，本机存储与显示、操作与控制等功能；通信与网络子系统可实现与数据服务器之间的无线通信与报文传输，或通过不同电路接口实现与数据存储设备之间的有线通信功能；终端显示子系统可实现监测数据的显示，历史数据的查询、统计、分析［2］。接地电阻测试仪是接地电阻在线监测系统的直接测试装置，也是系统的末端装置，位于测量与数据采集子系统中［3］。

2 接地电阻在线监测原理

2.1 回路法接地电阻在线监测原理

回路法接地电阻在线检测仪由电压线圈及电流线圈组成。接地电阻在线检测仪的电压线圈发出激励脉冲信号，在被测量的接地回路上感应一个电势E，在电势E的作用下在被测回路产生电流I。检测仪对E和I进行测量，根据欧姆定律：R＝E／I，即可得到被测回路电阻，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。回路法接地电阻在线检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、辅助接地极地网B接地电阻R2和其他回路电阻值R3（金属连接线的阻值、接线之间的接触电阻等之和）三部分组成，也就是检测仪显示出来的是R1、R2、R3总和。测量原理如图1所示［4］。

图1 回路法接地电阻在线监测原理图

辅助接地极地网B的接地电阻要求满足被测物地网A接地电阻要求，比如地网A的接地电阻要求为4Ω以下，则辅助接地极地网B的接地电阻要求小于4Ω；实际电阻值一定要小于检测仪计读数的1／2。

2.2 三极法接地电阻在线监测原理

三极法接地电阻在线检测仪由接地装置、电流极和电位极组成的三个电极测量接地装置接地阻抗的方法。测量原理如图2所示。

图2 三极法接地电阻在线监测原理图

此方法使用两个辅助电极，电压极（P）、电流极（C）。把电压表和电流表的指示值UG和I代入式中去，可得到被测物地网A的接地电阻RG。接线原理图如图3所示。

图3 三极法接地电阻在线监测接线原理图

如果两个辅助电极的接地电阻较被测物的接地电阻大许多，则每项测量的误差将在最后的结果中放大许多。测量时，电极间必须相距一定距离，否则计算结果可能变得很荒谬，如出现零电阻或负电阻等。被测物地网A与两个辅助电极应布置在一条直线上且垂直于地网。测量用的电流极（C）和电压极（P）离被测物（G）接地网边缘的距离为dGC＝（4～5）D和dGP＝（0.5～0.6）dGC，D为被测物接地网的最大对角线长度。

3 接地电阻在线监测与人工检测数据对比分析

3.1 在线监测数据分析

重庆市防雷中心利用上述两种监测方法在重庆市南川区金佛山国家综合气象观测专项试验外场（简称“试验外场”）开展了试点应用，从2020年12月1日至2021年9月17日（共291天），接地电阻在线检测仪对该试验外场独立接闪杆1＃、接闪杆2＃分别进行了不间断的实时监测。利用回路法对接闪杆1＃接地电阻进行在线监测，共采集到100812个数据，接地电阻最大值为0.92Ω，最小值为0.84Ω，平均值为0.88Ω，接地电阻值变化不大，仅在2021年3月9日从0.84Ω变为了0.92Ω。利用三极法对接闪杆2＃接地电阻进行在线监测，共采集到49948个数据，接地电阻最大值为1.84Ω，最小值为0.77Ω，平均值为1.28Ω，接地电阻值相对于回路法变化更为明显。接地电阻日平均阻值变化趋势如图4所示。从图4可以看出利用三极法进行接地电阻在线监测数据波动更为明显。

图4 接地电阻日均值变化趋势图

3.2 在线监测数据与人工检测数据对比分析

从2021年5月至9月，利用GEO－1022N多功能土壤电阻率测试仪对试验外场接闪杆1＃、2＃接地电阻进行了31次人工检测。人工检测数据和同一时间的在线监测数据见下表。

表 接地电阻数据表

（续）

该检测仪器是人工检测的常用仪器，测量数据在实践中证实是可靠的。因此，我们以人工检测得到的接地电阻值作为标准值，将在线监测与人工检测接地电阻值进行对比，分析在线监测数据误差大小。经计算可知，回路法在线监测数据相对误差范围为－9.78%～－115.22%，三极法在线监测数据相对误差范围为－27.94%～37.80%；回路法在线监测数据的平均绝对误差MAE为0.65，三极法在线监测数据的平均绝对误差MAE为0.26。因此，经分析可知，回路法在线监测数据相对于人工检测数据偏低，并且与人工检测数据的误差明显大于三极法与人工检测数据的误差。相对而言，三极法在线监测数据与人工检测数据更为接近，监测数据更可靠。

4 结束语

基于试验外场接地电阻在线监测试点应用项目在线监测数据，经对比分析，三极法接地电阻在线监测的接地电阻日平均阻值变化趋势相对于回路法更为明显，并且接地电阻值时变化呈现出一定的规律，这为后续开展温度、湿度、土壤含水量等气象因素与接地电阻变化的相关性研究提供了思路。通过在线监测数据与人工检测数据对比分析，结果表明：回路法接地电阻在线监测数据与人工检测数据的误差明显大于三极法与人工检测数据的误差，三极法在线监测数据与人工检测数据更为接近，监测数据更可靠。