一種基于異頻法的大型地網(wǎng)接地阻抗測(cè)量方法

葉 平 / 鄭鍵雄 / 劉艷玲（中山市防雷設(shè)施檢測(cè)所， 廣東 中山 528401）

前言

大型地網(wǎng)一般是指110kV及以上的變電站的接地裝置，或者等效面積在5000m2以上的接地裝置。隨著社會(huì)進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)發(fā)展，大型地網(wǎng)的應(yīng)用也逐漸由發(fā)電廠和變電站等普及到日常的商住小區(qū)和大型的會(huì)展商貿(mào)中心，其接地阻抗的準(zhǔn)確測(cè)量也成為急需解決的問(wèn)題。

1 大型地網(wǎng)接地阻抗的特點(diǎn)

如今的商住小區(qū)為了實(shí)現(xiàn)土地資源利用的最大化，往往采用地下全面深挖基坑，整體設(shè)置地下車(chē)庫(kù)，地面分為若干座相對(duì)獨(dú)立的中高層建筑的形式進(jìn)行開(kāi)發(fā)。通常整個(gè)地下車(chē)庫(kù)的底板鋼筋都會(huì)被利用作為接地體，占地面積很容易就超過(guò)5000m2，即形成大型地網(wǎng)。

大型地網(wǎng)由于其與土壤接觸面積多，散流面積大，相應(yīng)地其接地阻抗也較小，一般都在1Ω以下。傳統(tǒng)的4102接地電阻表僅僅幾mA的測(cè)試電流，注入如此大型地網(wǎng)中，猶如石牛入大海，顯然是無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量出此類(lèi)地網(wǎng)的接地阻抗。因此對(duì)大型地網(wǎng)接地阻抗的測(cè)量方法提出更高的要求。

2 采用異頻法測(cè)試接地阻抗的原理

目前常用的接地阻抗測(cè)試方法主要是電位降法。如圖1所示，測(cè)量時(shí)設(shè)置一個(gè)電流極C和電位極P，接地裝置G、電位極P和電流極C布置在一條直線或三角形排列。將已知的測(cè)試電流I注入接地裝置G，通過(guò)測(cè)量接地裝置與電位極P之間的電壓U，然后代入公式R=U/I即可計(jì)算接地阻抗。通過(guò)前后移動(dòng)P極的位置改變P極與G極之間的距離dGP，從而得出不同的U值和R值。以R值為縱軸，dGP值為橫軸得出變化曲線（如圖2所示），曲線平坦段所對(duì)應(yīng)的接地阻抗值為接地裝置的接地阻抗真值。此時(shí)的P極所在區(qū)域即平時(shí)所說(shuō)的零電位點(diǎn)，而此時(shí)的R值為接地裝置G的準(zhǔn)確接地阻抗值。

由于極化現(xiàn)象的存在，不可能也不會(huì)使用直流電流進(jìn)行地網(wǎng)的測(cè)試。傳統(tǒng)的接地阻抗測(cè)量時(shí)，注入接地裝置G中的測(cè)試電流一般采用最容易獲得的工頻交變測(cè)試電流（50Hz）。最容易獲得，也帶來(lái)了最容易被干擾的缺點(diǎn)。無(wú)論是接地裝置本身還是大地中，往往存在一定的工頻雜散電流或零序電流。在將50Hz（工頻）的交變測(cè)試電流注入接地體時(shí)，這些雜散電流或零序電流不僅流入測(cè)試電流回路，影響電流讀數(shù)，還在電壓回路形成壓降，影響電壓讀數(shù)，從而影響R的準(zhǔn)確性。當(dāng)零序電流較大時(shí)還會(huì)對(duì)同樣工作在50Hz的測(cè)試儀器造成最為嚴(yán)重的同頻干擾，測(cè)試儀器完全無(wú)法正常工作，甚至損壞。

為了減少地中雜散電流對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響，通?？稍龃蠊ゎl測(cè)試電流。令工頻測(cè)試電流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雜散電流值，即增大信噪比，從而達(dá)到降低干擾的目的。然而當(dāng)測(cè)試電流提高時(shí)，測(cè)試線和測(cè)試極周邊的危險(xiǎn)電壓也相應(yīng)提高，會(huì)對(duì)周邊的人身安全造成更大的威脅。更何況在某些情況下，想要將測(cè)試電流提升也會(huì)遇到設(shè)備性能限制、電源供電不足、資源耗費(fèi)過(guò)大和性價(jià)比低的實(shí)際困難。

為解決工頻電流測(cè)試的實(shí)際問(wèn)題，人們提出了改變測(cè)試電流的頻率以消除雜散電流或零序電流干擾的接地阻抗測(cè)試方法，簡(jiǎn)稱異頻法。而異頻法相對(duì)工頻法的最大區(qū)別就是注入接地體的測(cè)試電流頻率不是50Hz的，有異于工頻。通過(guò)改變測(cè)試電流的頻率降低了大地中雜散電流或零序電流的干擾，從而提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。采用異頻法時(shí)，可以將測(cè)試電流控制在較低水平，相應(yīng)的危險(xiǎn)度也可以降低，更為方便使用。

在接地阻抗的測(cè)試中，工頻干擾對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響最大，而其他頻段的干擾較小。異頻法的原理就是調(diào)節(jié)測(cè)試電流輸出頻率，避開(kāi)工頻（50Hz），使之工作在沒(méi)有干擾或干擾少的頻段。因此，異頻法仍是利用電位降原理的一種測(cè)試方法。

3 采用異頻法測(cè)試接地阻抗的方法

異頻法的測(cè)量方法與工頻法基本相同，一般常用的是直線法和夾角。直線法采用三極法。即電流極、電壓極和接地裝置在同一直線布線，電流極與接地裝置的距離dGC取接地裝置的最大對(duì)角線長(zhǎng)度D的3～5倍，而dGP也同樣遵循“0.618法則”，取0.618倍的dGC。為了消除測(cè)試線對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，可在接地裝置的被測(cè)地網(wǎng)旁邊增加一個(gè)輔助地極，使三極法變?yōu)樗臉O法。

受場(chǎng)地限制無(wú)法使用直線法時(shí)，可使用夾角法。如圖3所示，電流極、電壓極和接地裝置不在同一直線布線，電流極與接地裝置的距離dGC取接地裝置的最大對(duì)角線長(zhǎng)度D的3～5倍，且dGP=dGC。dGP與dGC成一個(gè)夾角，故稱為夾角法。

圖3 夾角法測(cè)試接地阻抗

4 采用異頻法測(cè)試接地阻抗的注意事項(xiàng)

4.1 選用異頻法測(cè)試大型地網(wǎng)接地阻抗的理論依據(jù)及其實(shí)踐要求

筆者曾經(jīng)做過(guò)兩個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，試圖找出接地阻抗測(cè)量時(shí)的一些規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)一：同頻干擾實(shí)驗(yàn)

儀器：日本共立4102A接地電阻儀，2臺(tái)；法國(guó)CA6472N，1臺(tái)。測(cè)試線、測(cè)試極等附件若干。4102A的測(cè)試電流為固定頻率，CA6472N則具備了自動(dòng)調(diào)整測(cè)試電流頻率的功能。

方法：本次實(shí)驗(yàn)中，利用其中1臺(tái)4102A作為干擾源使用，將其干擾電流注入被測(cè)物中，分別使用另兩臺(tái)接地電阻儀進(jìn)行測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

（1）在未注入干擾電流時(shí)，分別使用3臺(tái)儀表測(cè)試了被測(cè)物的接地阻抗，均為200Ω。

（2）注入干擾電流時(shí)，測(cè)試用的4102A從不同角度（相對(duì)干擾源來(lái)說(shuō)）測(cè)試，都無(wú)法測(cè)出被測(cè)物的接地阻抗，在兩臺(tái)4102A的儀表盤(pán)均觀察到同頻干擾的現(xiàn)象：指針一直在強(qiáng)烈擺動(dòng)，無(wú)法讀出數(shù)值。

（3）注入干擾電流時(shí)，CA6472N自動(dòng)啟動(dòng)了抗干擾功能，在比正常測(cè)試時(shí)間略滯后幾秒后，也順利測(cè)出接地阻抗，數(shù)值接近200Ω。

小結(jié)：同頻干擾系接地阻抗測(cè)量時(shí)最大干擾源，應(yīng)盡量避免。

實(shí)驗(yàn)二：不同情況下的測(cè)試極對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

儀器：法國(guó)CA6472N，1臺(tái)；測(cè)試線和測(cè)試極等附件若干

方法：保持測(cè)試方法（三極法）、測(cè)試環(huán)境、測(cè)試極基本情況不變，通過(guò)改變測(cè)試極與大地的接觸情況，試圖找出測(cè)試極的狀況對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。詳見(jiàn)圖1。

測(cè)試結(jié)果：詳見(jiàn)表1和表2。

表1 測(cè)試極與大地接觸情況對(duì)比表一

表2 測(cè)試極與大地接觸情況對(duì)比表二

小結(jié)：

（1）進(jìn)行接地阻抗測(cè)試時(shí)，僅對(duì)測(cè)試極周邊加水，對(duì)被測(cè)物最終的測(cè)量結(jié)果影響不大。

（2）在被測(cè)物的接地情況不變時(shí)，改善電流極C與土壤的接觸情況，可顯著增加注入的測(cè)試電流。即可有效提高信噪比。

通過(guò)上述兩個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，可得出在采用異頻法測(cè)試大型地網(wǎng)接地阻抗時(shí)應(yīng)密切關(guān)注的兩個(gè)結(jié)論：

（1）同頻干擾對(duì)接地阻抗測(cè)量時(shí)造成嚴(yán)重影響，采用異頻法測(cè)試是解決同頻干擾的最簡(jiǎn)辦法。

（2）通過(guò)改善優(yōu)化測(cè)試極（特別是電流極C）與土壤的接觸情況，能有效提高儀器的信噪比。

4.2 影響用異頻法測(cè)量接地阻抗結(jié)果的主要因素及其解決方法

1）影響因素

影響接地阻抗測(cè)量結(jié)果的主要因素有：帶電運(yùn)行的線路、地中雜散電流、高頻干擾、測(cè)量回路的互感、導(dǎo)體分流和土壤的不均質(zhì)。

（1）帶電運(yùn)行的線路和地中雜散電流對(duì)于工作在50Hz的測(cè)試儀器形成了同頻干擾，屬最強(qiáng)的干擾影響因素。

（2）由于波的疊加，頻率為儀器測(cè)試頻率N次方的高頻干擾電流成為了接地阻抗測(cè)試中僅次于同頻干擾的第二大影響因素。

（3）當(dāng)采用直線法測(cè)量接地阻抗時(shí)，各測(cè)試線路往往長(zhǎng)距離平行敷設(shè)，當(dāng)線路中注入交變的測(cè)試電流時(shí)，線路之間容易產(chǎn)生互感，線路中的測(cè)試電流也會(huì)出現(xiàn)變化。

（4）當(dāng)對(duì)接地裝置注入測(cè)試電流時(shí)，測(cè)試電流可通過(guò)與接地裝置相連接的導(dǎo)體（包括避雷線）分走一部分測(cè)試電流，流入測(cè)試儀器的測(cè)試電流相應(yīng)減少。

（5）當(dāng)接地裝置所在區(qū)域的土壤電阻率不均勻時(shí)，位于土壤電阻率較低區(qū)域的接地體會(huì)分走更多的電流。即接地裝置周邊所形成的電壓梯度線不均。

2）解決方法

通過(guò)以上對(duì)用異頻法測(cè)量接地阻抗結(jié)果的主要影響因素進(jìn)行分析，常用的解決方法包括以下幾種：

（1）調(diào)整測(cè)試頻率，避免使用50Hz的測(cè)試電流進(jìn)行接地阻抗測(cè)試。

（2）測(cè)試接地阻抗時(shí)，優(yōu)先使用夾角法或者測(cè)試極分別布置在接地裝置相對(duì)兩側(cè)的直線法進(jìn)行。采用直線法必須將測(cè)試極布置在接地裝置的同一側(cè)時(shí)，應(yīng)將測(cè)試線路的間距增大或采用四極法進(jìn)行測(cè)量。

（3）進(jìn)行測(cè)量時(shí)，應(yīng)將所有與接地裝置連接的導(dǎo)體斷開(kāi)。無(wú)法斷開(kāi)時(shí)，測(cè)試極應(yīng)遠(yuǎn)離此類(lèi)導(dǎo)體。

（4）布置測(cè)試極時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇地勢(shì)平坦、地質(zhì)條件相近的區(qū)域，現(xiàn)場(chǎng)條件允許時(shí)，dGC應(yīng)取接地裝置的最大對(duì)角線長(zhǎng)度D的5倍。

圖4 橫門(mén)電廠接地阻抗測(cè)試 示意圖D所在直線為電廠地網(wǎng)最大對(duì)角線長(zhǎng)度，E、P、C分別為測(cè)試極的布置點(diǎn)

4.3 采用異頻法測(cè)試大型地網(wǎng)接地阻抗案例

2011年，受嘉明電力有限公司橫門(mén)電廠委托，我們對(duì)橫門(mén)電廠的接地裝置的接地阻抗進(jìn)行了測(cè)試。

橫門(mén)電廠位于中山市火炬高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)東部橫門(mén)馬鞍島上，東臨珠江口、西距中山市約20km，占地面積64.24ha。橫門(mén)發(fā)電廠總裝機(jī)容量超過(guò)百萬(wàn)kW，年發(fā)電量超50億kWh，系中山市以及珠江三角洲西翼電網(wǎng)的骨干電廠。

橫門(mén)電廠現(xiàn)已有兩期工程投入使用，全廠使用共用接地裝置，一、二期工程均連入同一接地裝置，使用GPS測(cè)得接地裝置的最大對(duì)角線長(zhǎng)度D為1003m，屬于大型地網(wǎng)。電廠為骨干電廠，全天24h生產(chǎn)，不允許停機(jī)。在二期工程投產(chǎn)前曾委托某單位使用工頻大電流法測(cè)得其接地阻抗為0.5Ω。此次邀請(qǐng)我們對(duì)該接地裝置實(shí)施運(yùn)行中的測(cè)試。

橫門(mén)島呈南北向細(xì)長(zhǎng)形，橫門(mén)電廠位于橫門(mén)島的西北角。電廠向西臨水，北面為小山丘，山丘下為村莊，西南也是山丘，東面和東南面為農(nóng)田和籌建中的工業(yè)區(qū)，地勢(shì)較為平坦。經(jīng)綜合考慮，決定采用異頻法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試極布置采用夾角法，受橫門(mén)島寬度限制，取dGP=dGC不小于2D。詳見(jiàn)圖4。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，得出其接地阻抗為0.5Ω，與某單位使用工頻大電流法測(cè)出的數(shù)據(jù)相同。

本次接地阻抗的測(cè)試，在克服了帶電運(yùn)行等不利因素影響的問(wèn)題，通過(guò)準(zhǔn)確定位測(cè)試極、增大測(cè)試極與土壤的接觸面積等方法，使用異頻法在花費(fèi)較少的人力物力資源情況下得到了令人滿意及較為準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。

5 總結(jié)

采用異頻法測(cè)試大型地網(wǎng)接地阻抗具有較強(qiáng)的便利性，其克服了使用工頻大電流法測(cè)試接地阻抗的局限性問(wèn)題?，F(xiàn)有國(guó)家規(guī)范尚未對(duì)異頻法作相關(guān)規(guī)定，本文通過(guò)實(shí)踐，對(duì)使用異頻法測(cè)量大型地網(wǎng)接地阻抗的原理、方法及其注意事項(xiàng)進(jìn)行探討，以期規(guī)范異頻法測(cè)試流程，準(zhǔn)確得出大型地網(wǎng)的接地阻抗值。

[1]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢查檢疫總局. GB/T 17949.1-2000接地系統(tǒng)的土壤電阻率，接地阻抗和地面電位測(cè)量導(dǎo)則第一部分：常規(guī)測(cè)量[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[2]中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì). DL/T 475-2006接地裝置特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則[S].北京，中國(guó)電力出版社，2006.

[3]常美生. 接地電阻測(cè)量中的干擾問(wèn)題[J]. 電力學(xué)報(bào),1996(4），11.

[4]馬明, 王文敏, 陳達(dá), 黃友滔. 基于異頻法的大型接地網(wǎng)接地電阻測(cè)試研究[J]. 浙江電力，2008(4).

[5]王成, 劉春娟. 異頻法測(cè)量地網(wǎng)的接地阻抗[J].電氣試驗(yàn), 2005(6).