淺論防雷接地電阻值的檢測(cè)

周?chē)?guó)軍,黃玲霞,周維才,周正明,江 波

(湖南省湘西自治州氣象局,湖南 吉首 416000)

淺論防雷接地電阻值的檢測(cè)

周?chē)?guó)軍,黃玲霞,周維才,周正明,江 波

(湖南省湘西自治州氣象局,湖南 吉首 416000)

在防雷檢測(cè)實(shí)際工作當(dāng)中,經(jīng)常出現(xiàn)的接地電阻值讀數(shù)偏大、偏小、甚至出現(xiàn)檢測(cè)值為負(fù)值等不穩(wěn)定的情況,該文通過(guò)分析各種接地電阻的檢測(cè)方法、測(cè)試儀的工作原理及使用范圍,結(jié)合工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),分析造成接地電阻測(cè)量值偏離真值的常見(jiàn)原因,淺論避免或減小接地電阻值偏離真值的方法。

雷;接地電阻值;檢測(cè)

1 前言

在綜合防雷系統(tǒng)工程中,無(wú)論是接閃器還是防雷電感應(yīng)的電涌保護(hù)器 (SPD),都要進(jìn)行最重要的一環(huán)——防雷接地 (現(xiàn)代建筑物中防雷接地、保護(hù)接地、工作接地、防靜電接地等多為聯(lián)合接地)。防雷接地系統(tǒng)做得好壞,對(duì)于整個(gè)防雷系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行,保障設(shè)備和人身的安全具有重要意義。接地電阻是接地系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù),是衡量防雷裝置工程質(zhì)量的重要指標(biāo),理論上是接地電阻越小,泄流越快,落雷物體高電位保持時(shí)間就越短,以至于對(duì)電氣安全的干擾時(shí)間就越短、幅值越小,跨步電壓和接觸電壓也越小,相對(duì)來(lái)說(shuō)防雷接地系統(tǒng)效果就越好。

接地電阻的測(cè)量是檢驗(yàn)接地系統(tǒng)接地效果的重要措施。而在日常的實(shí)際防雷檢測(cè)工作當(dāng)中,經(jīng)常出現(xiàn)的接地電阻值讀數(shù)偏大、偏小、甚至出現(xiàn)檢測(cè)值為負(fù)值等不穩(wěn)定的情況,本文就針對(duì)這些情況,對(duì)接地電阻值的的準(zhǔn)確性問(wèn)題作一些探討。

2 接地電阻的定義

接地電阻實(shí)質(zhì)上是電流由接地裝置流入大地再經(jīng)大地流向另一接地體或向遠(yuǎn)處擴(kuò)散所遇到的電阻,它包括接地線和接地體本身的電阻、接地體與大地的電阻之間的接觸電阻以及兩接地體之間大地的電阻或接地體到無(wú)限大遠(yuǎn)處的大地電阻。

接地電阻有沖擊接地電阻和工頻接地電阻之分。沖擊接地電阻是按通過(guò)接地體的電流為沖擊電流時(shí)求得的接地電阻值,它對(duì)通過(guò)雷電電流時(shí)的情況下很有研究?jī)r(jià)值;而工頻接地電阻是按通過(guò)接地體的電流為工頻電流時(shí)求得的接地電阻。

在我們?nèi)粘９ぷ髦兴鶞y(cè)得的接地電阻值數(shù)值是工頻接地電阻值,故一般在不指明是哪一種接地電阻時(shí),接地電阻均指工頻接地電阻而言。為了便于衡量其接地電阻是否符合規(guī)程要求,可以通過(guò)計(jì)算公式轉(zhuǎn)換。

式中：R——接地裝置各支線的長(zhǎng)度取值小于或等于接地體的有效長(zhǎng)度le或者有支線大于le而取其等于le時(shí)的工頻接地電阻 (Ω);A——換算系數(shù),其數(shù)值宜按圖 1確定;Ri——所要求的接地裝置沖擊接地電阻 (Ω)。

3 接地電阻的測(cè)量方法

3.1 三極法和四極法

接地裝置的工頻接地電阻值測(cè)量常用三極法(三線法)和四極法。

3.1.1 三極法 三極法也稱(chēng)三線法,具體如下：三極法的三極是指圖 1上的被測(cè)接地裝置G,測(cè)量用的電壓極P和電流極C。圖中測(cè)量用的電流極C和電壓極P離被測(cè)接地裝置G邊緣的距離為dGC=(4

圖 1 換算系數(shù) A

把電壓表和電流表的指示值U0和Id代入式R=U0/Id得到被測(cè)接地裝置的工頻接地電阻R0G——被測(cè)接地裝置;P——測(cè)量用的電壓極;C——測(cè)量用的電流極;E——測(cè)量用的工頻電源;A——交流電流表;V——交流電壓表;D——被測(cè)接地裝置的最大對(duì)角線長(zhǎng)度。

圖 2 三極法的電極布置圖 (a)和原理接線圖 (b)

3.1.2 四極法 四極法也稱(chēng)四線法,基本上與三極法相同,只是測(cè)量時(shí)把測(cè)量?jī)x接往接地裝置的兩極必須單獨(dú)用兩根線直接連接到被測(cè)地上。這種方法是在低接地電阻測(cè)量和消除測(cè)量電纜電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響時(shí)替代三極法,這是所有接地電阻測(cè)量方法中準(zhǔn)確度最高的。

3.2 電壓電流表法

電壓電流表測(cè)量接地電阻法的電流輔助極是用來(lái)與被測(cè)接地電極構(gòu)成電流回路,電壓輔助極是用來(lái)測(cè)得被測(cè)接地電位。采用該方法保證測(cè)量準(zhǔn)確度的關(guān)鍵在于電流輔助極和電壓輔助極的位置要選擇適合。如在輔助電流極以前,電壓表已有讀數(shù),說(shuō)明存在外來(lái)干擾。

3.2.1 電壓電流三極直線法 電壓電流三極直線法是指電流極和電壓極沿直線布置,三極是：被測(cè)接地體、測(cè)量用電壓極和電流極,其原理接線與圖 2(a)一樣,這里不再重復(fù)。

3.2.2 電壓電流三極三角形法 電極如圖 3所示布置,一般取d2=d1≥2D,夾角約為 30°。測(cè)量步驟與電壓電流三極直線法相同。

4 幾種常用測(cè)量?jī)x的原理、使用范圍

圖 3 電壓電流三級(jí)三角形法電極布置圖

接地電阻測(cè)量?jī)x常用的大致可分為三類(lèi)：手搖式地阻測(cè)量?jī)x、數(shù)字式地阻測(cè)量?jī)x、鉗形地阻測(cè)量?jī)x。這幾種地阻儀的基本測(cè)量原理都是相同的,即：歐姆定律：R=U/I0但是,針對(duì)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的紛繁復(fù)雜的情況,三種儀表的性能測(cè)試方法和適用范圍等卻相差很大,下面進(jìn)行具體分析：

4.1 手搖式地阻測(cè)量?jī)x

手搖式地阻表是一種較為傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x表,它的基本原理是采用三點(diǎn)式電壓落差法。

手搖式地阻表的代表主要是國(guó)產(chǎn) ZC-8系列的傳統(tǒng)“搖表”,其基本測(cè)量方法是：測(cè)量時(shí)應(yīng)先將地網(wǎng)引線與負(fù)載斷開(kāi),然后在遠(yuǎn)離地網(wǎng)對(duì)角線同一方向約 20m和 40m處各打一輔助地樁 (遠(yuǎn)端為電流輔助極,近端為電壓輔助極),然后用導(dǎo)線將兩極與儀表相應(yīng)接柱相連,地網(wǎng)引線也與儀表相應(yīng)接柱相連,通過(guò)搖動(dòng)儀表手柄來(lái)測(cè)量地阻。該類(lèi)儀表及測(cè)試方法有以下缺點(diǎn)：由于兩個(gè)輔助地極線較長(zhǎng),在許多現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法滿足;儀表精度很低,無(wú)法滿足高精度地阻值的測(cè)量;由于是手搖式發(fā)電,故測(cè)試時(shí)手柄搖動(dòng)速率對(duì)測(cè)試結(jié)果影響很大。

4.2 數(shù)字式地阻測(cè)量?jī)x

數(shù)字式接地電阻測(cè)量?jī)x摒棄了傳統(tǒng)的人工手搖發(fā)電工作方式,采用先進(jìn)的中大規(guī)模集成電路,應(yīng)用DC/AC變換技術(shù)將三端鈕、四端鈕測(cè)量方式合并為一種機(jī)型的新型接地電阻測(cè)量?jī)x。工作原理為由機(jī)內(nèi)DC/AC變換器將直流變?yōu)榻涣鞯牡皖l恒流,經(jīng)過(guò)輔助接地極和被測(cè)物組成回路,被測(cè)物上產(chǎn)生交流壓降,經(jīng)輔助接地極送入交流放大器放大,再經(jīng)過(guò)檢波送入表頭顯示。借助倍率開(kāi)關(guān),一般可得到幾個(gè)不同的量限：0～1Ω,0～10Ω,0～100Ω,0～1 000Ω等。

其代表主要有BY2571接地電阻儀和日本共立的 4102A、4105A等。這些表電路上為防止工頻、射頻干擾采用鎖相環(huán)同步跟蹤檢波方式并配以開(kāi)關(guān)電容濾波器,使儀表有一定的抗干擾能力,采用的DC/AC變換技術(shù)將直流變?yōu)榻涣鞯牡皖l恒定電流更便于測(cè)量,允許輔助接地電阻在幾個(gè)檔位之間切化,測(cè)量結(jié)果影響較小。

4.3 鉗形地阻測(cè)量?jī)x

鉗形地阻測(cè)量?jī)x的測(cè)量原理是：鉗形接地電阻測(cè)試儀鉗口內(nèi)有兩個(gè)獨(dú)立線圈,一個(gè)產(chǎn)生交流電壓U,另一個(gè)用于測(cè)試回路電流I,測(cè)試框圖如圖 4。鉗住地線,接通電源后,可測(cè)得回路總電阻 R總：

式中：RX——被測(cè)接地體接地電阻值;RZ——輔助測(cè)試電極接地電阻值。假如知道輔助測(cè)試電極接地電阻值 RZ,就可算出被測(cè)接地體接地電阻RX=R總-RZ。若RZ≤RX,則RX≈R總。

圖 4 鉗形接地電阻測(cè)試儀測(cè)量原理圖

從測(cè)量原理可知,測(cè)量時(shí)必須要有一個(gè)供電流流過(guò)的有效的閉合回路,才能根據(jù)歐姆定律測(cè)出被測(cè)接地體接地電阻值。閉合回路包括被測(cè)接地體,輔助測(cè)試電極及鉗形表的交流電壓發(fā)生器和電流表。實(shí)際上,該表測(cè)出的是整個(gè)回路的阻抗,而不是電阻,在分布式的多點(diǎn)接地系統(tǒng)中,通常情況下他們相差極小,該阻值近似于我們要測(cè)的接地網(wǎng)的地阻。不過(guò)也因該表測(cè)出的是整個(gè)回路的阻抗,而不是電阻,故在單點(diǎn)接地系統(tǒng)中和對(duì)于已埋設(shè)好而尚未與設(shè)備連接的開(kāi)路接地網(wǎng)中,該表所測(cè)數(shù)值與正常的接地電阻值相差就比較大了,其地阻就不能用該儀表進(jìn)行測(cè)量。

鉗形地阻表是一種新穎的測(cè)量工具,它方便、快捷,外形酷似鉗形電流表,受周?chē)h(huán)境限制較小,在測(cè)試時(shí)可使用一定頻率的信號(hào)以排除干擾,以對(duì)在用設(shè)備的地阻進(jìn)行在線測(cè)量,而不需切斷設(shè)備電源或斷開(kāi)地線,而且測(cè)試時(shí)不需輔助測(cè)試極,極大的方便了地阻測(cè)量工作。不過(guò)因該表測(cè)出的是整個(gè)回路的阻抗,而不是電阻,故在單點(diǎn)接地系統(tǒng)中和對(duì)于已埋設(shè)好而尚未與設(shè)備連接的開(kāi)路接地網(wǎng)中,該表所測(cè)數(shù)值與正常的接地電阻值相差比較大 (基本上是偏高),其地阻就不能用該儀表進(jìn)行測(cè)量。

5 造成接地電阻真值偏離的主要原因和避免的方法

5.1 造成接地電阻真值偏離的主要原因

檢測(cè)時(shí)的天氣的影響;選擇使用的儀器的影響;選擇使用的檢測(cè)方法的影響;檢測(cè)環(huán)境的影響;檢測(cè)人員的操作的影響。

5.2 避免或減小接地電阻值偏離真值的方法

①應(yīng)在非雨天和土壤未凍結(jié)時(shí)檢測(cè)接地電阻值,天氣氣候條件應(yīng)能保證正常檢測(cè)。

②檢測(cè)儀器應(yīng)在檢定合格有效使用期內(nèi)使用;測(cè)量和測(cè)試儀器應(yīng)符合國(guó)家計(jì)量法規(guī)的規(guī)定,檢測(cè)儀器見(jiàn)《建筑物防雷裝置檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》GB/T 21431—2008附錄 E(資料性附錄)。并且應(yīng)根據(jù)實(shí)際檢測(cè)對(duì)象的接地方式選定檢測(cè)儀器：在檢測(cè)時(shí)應(yīng)注意所測(cè)地網(wǎng)是否單點(diǎn)接地,被測(cè)地線是否已與設(shè)備連接,有無(wú)可靠的接地回路,如果是開(kāi)路接地樁,就不能用鉗型地阻測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量;應(yīng)就應(yīng)選用手搖式和數(shù)字式地阻測(cè)量?jī)x。

③應(yīng)根據(jù)實(shí)際檢測(cè)對(duì)象對(duì)接地電阻的要求精確度來(lái)選定檢測(cè)方法。一般情況可使用三極法,但在接地電阻精確度要求較高 (如≤1Ω的情況)的地方必須采用四極法,而且也進(jìn)行方位、多點(diǎn)測(cè)試。

④檢測(cè)環(huán)境對(duì)接地電阻的影響較大,在檢測(cè)時(shí),應(yīng)注意：檢測(cè)時(shí),接地電阻測(cè)試儀的接地引線和其他導(dǎo)線應(yīng)避開(kāi)高、低壓供電線路,以免干擾和造成危險(xiǎn);當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)帶電影響檢測(cè)時(shí),應(yīng)查明地網(wǎng)帶電原因,在解決帶電問(wèn)題之后測(cè)量,或改變檢測(cè)位置進(jìn)行測(cè)量;諾在測(cè)量過(guò)程中由于雜散電流、工頻漏流、高頻干擾等因素,使接地電阻表出現(xiàn)讀數(shù)不穩(wěn)定時(shí),可將測(cè)試儀與地網(wǎng)測(cè)試點(diǎn)的連線改成屏蔽線(屏蔽層下端應(yīng)單獨(dú)接地),或選用能夠改變測(cè)試頻率、采用具有選頻放大器或窄帶濾波器的接地電阻表檢測(cè),以提高其抗干擾的能力;按 DL475-92《接地裝置工頻物性參數(shù)的測(cè)量導(dǎo)則》規(guī)定,當(dāng)大型接地裝置如 110kV以上變電所接地網(wǎng),或地網(wǎng)對(duì)角線D≥60m需要采用大電流測(cè)量,施加電流極上的工頻電流應(yīng)≥30A,以排除干擾減少誤差;在測(cè)試時(shí),當(dāng)建筑物周邊為巖石或水泥地面而無(wú)法打樁 (電極)時(shí),可將電壓、電流極與平鋪放置在地面上每塊面積不小于 250mm×250mm的鋼板連接,并用水潤(rùn)濕后實(shí)施檢測(cè)。

⑤檢測(cè)人員的操作對(duì)接地電阻值的影響也非常大,在檢測(cè)中應(yīng)注意：檢測(cè)儀的三極應(yīng)在一條直線上且垂直于地網(wǎng),應(yīng)避免平行布置;測(cè)試儀與地網(wǎng)測(cè)試點(diǎn)的連接線長(zhǎng)度宜小于 5m。當(dāng)需要加長(zhǎng)時(shí),應(yīng)將實(shí)測(cè)接地電阻值減去加長(zhǎng)線阻值后填入表格(加長(zhǎng)線線阻應(yīng)用接地電表二極法測(cè)量)等。

6 結(jié)束語(yǔ)

防雷是一個(gè)系統(tǒng)工程,防雷裝置特別強(qiáng)調(diào)可靠性,合格的地網(wǎng)是有效防雷裝置的保證,而接地電阻是接地系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù),是衡量防雷裝置質(zhì)量的重要指標(biāo),故接地電阻的準(zhǔn)確測(cè)量是也顯得尤為重要。我們?cè)诠ぷ鳟?dāng)中應(yīng)該根據(jù)實(shí)際檢測(cè)對(duì)象的接地方式選定檢測(cè)儀器和檢測(cè)方法及一些其他注意事項(xiàng),以提高接地電阻測(cè)試的可信度。

＊注：本文在寫(xiě)作過(guò)程中得到了湖南省防雷中心賈綻云主任的大力幫助和指導(dǎo),在此特別表示感謝!

[1] GB/T.21431-2008.建筑物防雷裝置檢測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].

[2] GB50057-1994.建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB50343-2004.建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].

[4] DL475-92.接地裝置工頻物性參數(shù)的測(cè)量導(dǎo)則[S].

T M866

B

1003-6598(2010)增刊-0190-04～5)D和dGP=(0.5～0.6)dGC,D為被測(cè)接地裝置的最大對(duì)角線長(zhǎng)度,點(diǎn)P可以認(rèn)為是處在實(shí)際的零電位區(qū)內(nèi)。為了較準(zhǔn)確地找到實(shí)際零電位區(qū)時(shí),可把電壓極沿測(cè)量用電流極與被測(cè)接地裝置之間連接線方向移動(dòng) 3次,每次移動(dòng)的距離約為dGC的5%,測(cè)量電壓極P與接地裝置G之間的電壓。如果電壓表的 3次指示值之間的相對(duì)誤差不超過(guò)5%,則可以把中間位置作為測(cè)量用電壓極的位置。

2010-09-10

周?chē)?guó)軍 (1980-),男 (苗族),助工,主要從事氣象防雷減災(zāi)工作。