三极法测量接地电阻原理误差探究

中国南方电网有限责任公司超高压输电公司天生桥局 张金磊

接地电阻测试过程中会受到多方面因素影响，导致测试结果的准确性无法保证，必须从测试方法本身出发，提出具体可行的控制措施，以求最大程度规避其中存在的误差问题，为后续的其他工作提供参考。三极法测量接地电阻工作是目前较为常见的一种技术手段，但在实际应用过程中还会受到诸多因素影响，需要结合实际进行分析，以此让误差降至最低。

1 三极法测量接地电阻过程中的影响因素

输电线路的接地线是一种比较特别的施工方式，对于新装设的接地装置，应在按《电气装置安装工程 接地装置施工及验收规范》(GB50169-2016)和设计规定进行验收后方可正式投入使用。与线性三角法、四极法相比，线性三极法具有更好的数据可靠性，并且具有更高的稳定性，因此被广泛应用于野外。图1为三极法测量接地电阻原理接线图，从中可以看出三极法测量使用了两个辅助电极展开测量，而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，则测量误差可能会变大。因此，必须对电极之间的距离进行计算，从而最大程度避免误差。图2为三极法测量接地电阻图，图3三极法测量现场布设，从这两张图片中可以看出，借助接地装置、电流极、电压极展开测试，但需要注意的是，在测定时要采用适当的方式，消除多种因素的影响，以获得准确的结果[1]。由于大、中、小三型接地网的工作频率范围内的接地阻抗均较低，一般不超过10mΩ，且测试线路的长度较长，测试是在工作频率范围内进行，测试线路之间的互感会对测试结果产生较大的影响。接地网竣工后，由于电力设备负荷不平衡而引起的单相短路会引起三相供电不平衡，从而在接地网中形成“地网电压”。在非均匀的电压条件下，零序电压的频率、相位和峰值都会出现显著的动态变化，严重影响了监测精度，必须重复测量，才能排除误差。在干燥的时节，由于气候干燥，连续七天以上都没有下雨，就需要测量接地电阻值，否则测量出来的电阻值和真实值会有一定的差距。

图1 三极法测量接地电阻原理接线图

图2 三极法测量接地电阻图

图3 三极法测量现场布设

此外，气温升高还会对模式的准确性产生影响，有关的实验结果显示，夏季气温升高会引起模式更大程度的蒸发量，进而弥补由气温升高引起的模式减阻作用。但在冬季，由于冰层的降低和冰层的凝结，冰层的表面会隆起[2]。在真实的野外工作环境中，因测试区内土体的非均质性和各种沟槽、岩体、地下金属管道等的存在，会对测试区内的电流场产生一定的影响，进而对测试结果产生一定的偏差。所以，要反复调节电极的电位。在每个电压电极上，都有一个地阻值，将实测的地面电阻作为纵、横坐标，画出地面电阻曲线。若在导线趋向上有三个以上的电阻是平坦的，那么相应的地电阻就是它的确切数值。当三个或更多个被测数据的相对偏差不超过3%时，其平均值就是最后的测试数据。

2 三极法测量接地电阻过程中的技术分析

输电线路的塔式接地设备通常采用独立的接地系统，在建设及运行时均需检测其接地电阻，确保其满足工程验收及应用的需要。目前常用的大地电阻抗测量方法主要是三极法，但是三极法测量结果存在一些不统一的问题。本文首先分析了三极法测量接地电阻的原理，分析了由于电极布置的不同而造成的测量结果差别的因素，并通过实践，说明了如何正确应用三极法来精确测量接地装置的接地电阻。地阻抗测试仪的试验导线包括三个极：电源（E）、电流辅助（C）和电压（P）。利用接地电阻计进行测量时，从电源极通过被测接地装置，将一个电流输入大地，因为电流是连续的，所以，在距离接地装置一定距离处，设置一个电流辅助极，将电流反流到电源上[3]。在一条测量环路上，将R作为接地装置的一种接地电阻，将R作为一种用来执行该测量环的一种接地电阻。不管该测试线的电阻如何，该测试供电端的全部电压均降至该接地装置的该接地电阻R和该电流辅助电极的该接地电阻R上。在此电压分布曲线上有一电位区，此零电位区与此接地机之间的压降U为此接地机的接地机所消耗的电压；而且，该电压U是供电电极的接地电阻R损耗的。而测量接地电阻的工作就是要准确地测电压U的值，并与测量电流I 相比较，得到所需要的接地电阻。

因此，对这一电位区进行准确的定位和对这一区域内的电压进行准确的测定，成为实现这一目标电阻准确测定的关键。对测量原理进行分析，零电位区的设定，不仅取决于电极到接地装置的远近，还取决于地形地貌，土壤电阻率，以及土壤的均匀性。对土壤中的电极电位进行了研究，结果表明：在土壤中，以电极为起点，土壤中的电位随着土壤与土壤之间的距离增大而变得平稳，直至接近0；因此，对于三极法测量接地电阻过程中的原理误差分析是十分必要的[4]。

当一个比特靠近零电势时，从接地设备范围层面来看，该范围中的电势靠近该范围中，或者将该电压电极设定在该范围中，测量地电阻量将更为准确。由于辅助电极和接地装置的间距非常近（小于40m），零电位区的位置受多种因素的影响，使零电位区的准确位置难以确定。在这个例子中，测量了的阻抗，并且在电压电极放置得离地装置很近时，测得的R比真实的要小；在距离接地装置较远的地方，所测得的R比它的真值要大。

以某输电线路工程为例，选取一条典型的输电线路，使其与接地网的距离约为20m，并将其电压极的距离作为其与接地线路的距离，采用纵轴作为其接地电阻。从电流辅助极方向来看，在距离接地装置各区域的地方，测得电阻值变化平缓，相应地，该区域电位变化平缓，从电压分布可以得知该区域为零电位区。根据三极法测线原理，在零电位区测量接地阻抗，可获得准确的接地阻抗。实际上，通过使所说的各电极沿所说的布置的方向运动，找到所说的测量值的变化相对稳定的那一段，即所说的零电位区，可以通过以下的方式找到零电位区，并准确地确定接地阻抗；将该区段内所有测量值的平均值求出实际测量值，即为实际测量值。比较精确的方法是依次移动电极，测量6～10个点，然后把它们连在一起，形成一条具有0的切线斜率的曲线，就是零电位；取每个点位相应的电阻值，以其计算所得的电阻值，即为准确的大地电阻。

三极法测得电阻的关键是其定位，测量时，其定位距离地面非常遥远（d＞40m)，其定位范围为0.5～0.6m 时，其测量结果最为准确。在此条件下，当此辅助电极密集布置（d＜40m）时，沿d的方向，每次一个格子（d的5%），取其变化期间平稳区的平均值为测量结果，获得相对准确的电阻。

3 三极法测量接地电阻过程中的案例分析

通过对110kV 变电站的一次改造，对110kV 变电站的接触线进行了测试，并给出了测试结果。根据线路模式I，对于5m 的电压电极，接地电阻的最大变化量为38.8%。然后延长附加的电流和电压电极。三个测试的最大阻抗均值为18.0%。最后，又在东、北两个方向进行了测试，并给出了测试的结果。通过对试验数据的分析，验证了试验数据的正确性和可靠性。由于在模式3中选择的导线不会被其他因素影响，因此测得的地表阻抗仅相当于三种试验平均水平的5%。进一步探究I 形接线的电压极处问题成因，得出结论：地下圆钢L 沿1号公路左电缆沟铺设，与路灯线平行，在I 型P 型接地，并与变电站东北角的接地网络相连，地下圆钢L 改变了辅助电极与电流极间距的比值关系，因此导致方式I 和II 的异常。

基于以上分析，用普通的地阻仪测试中、小型地网，其测试值的误差与地网的大小有关。若地网为半球形，测试地网接地电阻值误差允许在10%范围内，则测试电流极C 与地网边缘分别为40m、20m、10m，当测试电压极设定在测试电流极与地网边缘的中点时，被测试地网的半径不能大于27m、13.5m、6.75m。也就是用普通的接地电阻测试仪来测定建筑物中的地网，为了保证其测定准确度在10%之内，必须对被测地网的大小做一些限制。普通的40m 的试验电流电极试验线路，试验电网的直径不得大于27m。为被测试地网的直径不大于13.5m 的普通接地电阻测试仪，为被测试地网的直径不大于6.75m，为10881m 测试电流极测试线的普通接地电阻测试仪。

若在相同的公差下，将探测电极P定位在探测电极C与接地电力网边界的中部，则探测电极P的大小比补偿型探测电极大。当误差在10%以内即容许接受范围时，采用将测试电压极P的位置放在测试电流极C与地网边缘的中点的测试方式，在b1为40m、20m、10m 时，可测地网尺度分别是半径r1为27m、13.5m、6.75m 的地网，而采用补偿法时，可测地网尺度为半径r1等于9m、4.5m、2.25m 的地网。如果测试杆件P处于测试杆件C与接地网络的交界面的中部或周边，则测试电压电极P被设置得非常小，而接地网络越小，测试误差在10%以内的范围就越大。为了得到一个无偏差的数值，在野外网规模很大的情况下，必须把试验终端P往接地网的方向上移动。用普通的接地器测试中低线的接地器，其测试值与接地器的大小有很大的关系。在半球形地网中，在测试电流极与地网边缘的距离分别为40m、20m、10m，测试电压极设在测试电流极与地网边缘的中点，被测试地网的半径分别不大于27m、13.5m、6.75m 时，测试地网接地电阻值误差可在10%之内。

如果测试电压极位于测试电流极与地网边界的中点或其附近，则测试误差较小，且在相同的误差容许范围内。相对于补偿法，将测试电压极位于测试电流极与地网边界的中点位置的测试方法，可测地网的尺度更大，因此，对普通的接地电阻测试仪而言，采用将测试电压极设置在测试电流极与地网边界的中点位置的测试方法是较为适宜的。在布设过程中，应尽可能使测线指向土壤较均一的位置，而不应使测线指向土壤较不均一或地质情况有较大差异的位置，否则会产生“零电位点”的移动，从而造成测得结果出现偏差。另外，还对试验电流进行了适当增大，以获得较高的电压端电流。而“零电位点”带来的改变，却是微乎其微。在焊接时，应尽可能按单行布置，注意各个电极间的协调。每次的试验，应记录各电极的位置，布线距离，接地装置的形式，土壤状况、湿度、温度等基本数据。

综上所述，对于输电线路接地电阻测试采用直线三极法。通常在接地时，电压线至接地体边缘的间距应该为接地体斜长D 的4～5倍。在人工布置困难的地区，利用二维方法布置，而在不均匀的地区，利用三维方法布置。