接地電阻測(cè)量方法及誤差分析

呂昆坤，黃耀磊，辛學(xué)飛，吳英杰

（1.湘西土家族苗族自治州氣象局，湘西，416000；2.張家界市氣象局，張家界，427000；3.花垣縣氣象局，湘西，416400）

接地電阻測(cè)量方法及誤差分析

呂昆坤1，黃耀磊1，辛學(xué)飛2，吳英杰3

（1.湘西土家族苗族自治州氣象局，湘西，416000；2.張家界市氣象局，張家界，427000；3.花垣縣氣象局，湘西，416400）

通過(guò)對(duì)常用的檢測(cè)方法進(jìn)行分析和總結(jié)，結(jié)合日常檢測(cè)工作中可能引起測(cè)量誤差的因素，提出合理可行的解決方法。

接地電阻；測(cè)量；誤差

1　引言

接地系統(tǒng)是現(xiàn)代防雷技術(shù)中最重要的環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到建筑物、設(shè)備的安全運(yùn)行和人民生命財(cái)產(chǎn)安全。良好的接地系統(tǒng)是維護(hù)電力、電子信息系統(tǒng)安全運(yùn)行、保障建（構(gòu)）筑物、電氣、信息、通訊設(shè)備和人員安全的重要措施。如何準(zhǔn)確測(cè)量接地電阻、減少測(cè)量誤差，準(zhǔn)確的判定接地系統(tǒng)是否有效是防雷工作的一項(xiàng)重要工作。

2　接地電阻與測(cè)量原理

2.1接地電阻

接地是將電子、電氣設(shè)備及電力系統(tǒng)的某些部分與大地相連接。這些連接是通過(guò)設(shè)置接地裝置來(lái)實(shí)施的，接地裝置是埋入地下的接地體與接地連線的總和［1］。接地電阻由接地極與引線的連接電阻、接地極本身的電阻、接地極與上壤的接觸電阻和接地極周?chē)寥赖捏w積電阻等四個(gè)部分組成。

其中接地極以及引線都是銅、鐵等導(dǎo)電性良好的金屬材料，電阻小，接地極的散流電阻要比接地極和引線電阻大很多，因此通常將接地極及引線的電阻忽略不計(jì)。接地極與上壤的接觸電阻和接地極周?chē)寥赖捏w積電阻之和占接地電阻的絕大部分，通常把它們稱為散流電阻，近似地看做為接地電阻。

2.2接地電阻的測(cè)量原理

測(cè)量接地電阻的基本原理是歐姆定律。根據(jù)歐姆定律，給待測(cè)接地極施加一定的電流I，再測(cè)量出該電流產(chǎn)生的電位降U，就得到了接地電阻R=U/I。顯然要想求得接地電阻，首先要一個(gè)能形成電流回路電流極C；其次還需要一個(gè)零電位的電壓極P，當(dāng)接地電流I通過(guò)待測(cè)接地極以半球面形狀向地中流散時(shí)，流到足夠遠(yuǎn)的地方，電位降為0，也就是說(shuō)零電位在距離被測(cè)接地極足夠遠(yuǎn)的地方，這顯然很難形成閉合回路，難以滿足電流的連續(xù)性和閉合性規(guī)律。因此在電位降法、四極法等接地電阻測(cè)量過(guò)程中，如何準(zhǔn)確的找到零電位也是準(zhǔn)確測(cè)量接地電阻的關(guān)鍵。一般對(duì)于單根待測(cè)接地極來(lái)說(shuō)，距離待測(cè)接地極20m以外的地方，散流電阻近似為零，電位也趨近于零，接地電阻的測(cè)量就是利用了這一結(jié)論。

3　常用的接地電阻測(cè)量方法

接地電阻測(cè)量方法通常有以下幾種：兩點(diǎn)法、三點(diǎn)法、三極法、四極法、大電流法、倒相法、變頻法和鉗測(cè)法等，文中結(jié)合K-6470N多功能防雷裝置檢測(cè)儀對(duì)三極法、四極法等給出正確的接線和測(cè)量方法，供防雷檢測(cè)工作人員參考。

3.1兩點(diǎn)法

兩點(diǎn)法適用于待測(cè)接地極的接地電阻較大的小型接地裝置，直接用伏安法測(cè)量，測(cè)得的接地電阻值是待測(cè)接地極和輔助接地極電阻值之和。所選用的輔助接地極接地電阻必須足夠小，相比較待測(cè)接地極的接地電阻值，輔助接地極的接地電阻被認(rèn)為是可忽略的。對(duì)于接地電阻值低的接地極，此法的誤差較大。

3.2三點(diǎn)法［2］

3.3三極法

電位降法是給待測(cè)接地極注入電流，記錄該電流與待測(cè)接地極和電壓極之間電壓的關(guān)系，在測(cè)試中多次改變電壓極位置測(cè)量得到待測(cè)接地極與電壓極之間的電位降曲線，通過(guò)測(cè)量曲線分析得到接地電阻測(cè)量值的測(cè)量方法。因電位降法需要多次反復(fù)測(cè)量，工作量大、繪制電位降曲線復(fù)雜，不利于現(xiàn)場(chǎng)操作。三極電位補(bǔ)償法是在電位降理論基礎(chǔ)上發(fā)展的一套簡(jiǎn)化測(cè)量方法，其中包括0.618法和30°夾角法。

3.3.10.618法

0.618法是將電流極、電壓極與待測(cè)接地極布設(shè)在一條直線上。理論上，存在一個(gè)可得出待測(cè)接地極真實(shí)接地電阻值的電壓極補(bǔ)償點(diǎn)。當(dāng)電壓極與待測(cè)接地極之間的距離dGP滿足dGP/dGC=0.618（dGC為待測(cè)接地極與電流極之間的距離）時(shí)，可準(zhǔn)確測(cè)量出電阻值（圖1）。

3.3.230°夾角法

三極法測(cè)量接地電阻時(shí)，還可將電流極和電壓極與待測(cè)接地極布設(shè)成等腰三角形，當(dāng)頂角為28.96°時(shí)接地電阻測(cè)量誤差為零，在實(shí)際應(yīng)用中，頂角近似取30°，這就是30°夾角法。一般情況下兩個(gè)電極距被測(cè)電極的距離不應(yīng)小于被測(cè)地網(wǎng)對(duì)角線的2倍（圖2）。

0.618法和30°夾角法都是通過(guò)在均勻土壤環(huán)境下尋求接地極和電流極之間的零電位點(diǎn)，從而有效地利用了電流極的引入造成的電場(chǎng)畸變，測(cè)得接地電阻值。

圖1　0.618法接線圖

圖2　圖23 0 °3夾0。角夾角法法接接線線圖

圖3　四極法接線圖

3.4四極法

四極法（圖3）是一種能夠有效消除電流、電壓引線間互感影響的測(cè)量方法，四極法也是在三極法的基礎(chǔ)上衍生出來(lái)的，其測(cè)量方法是在三極法的基礎(chǔ)上在被側(cè)接地極附近再增設(shè)一個(gè)輔助電壓極，并且可以通過(guò)倒相消除地中干擾電流的影響［3］。但四極法對(duì)于大型地網(wǎng)接地電阻測(cè)量時(shí)會(huì)受到一定條件的限制。

3.5大電流法

大電流法是在待測(cè)接地極中通過(guò)不小于30A的大電流，提高信噪比以降低雜散電流對(duì)測(cè)量結(jié)果影響的測(cè)量方法。大電流法可以有效消除變電站、發(fā)電廠等接地網(wǎng)中會(huì)存在較大的雜散電流的影響，減小測(cè)量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果引入誤差，提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。用大電流法測(cè)量接地電阻時(shí)需要提供功率較大的電源，大功率電源裝置一般都比較龐大，給檢測(cè)工作帶來(lái)極大的不便。

3.6倒相法

倒相法是在三極法的基礎(chǔ)上通過(guò)改變電壓極、電流極極性從而改變電源正、反兩次或多次倒相測(cè)試（K-6470N在手動(dòng)模式下可以直接改變電流方向達(dá)到倒相的目的），將兩次測(cè)試結(jié)果分析處理，達(dá)到抗干擾的目的。倒相法只有在外界干擾很弱的情況下才有一定的效果，而倒相法需要分階段測(cè)量多個(gè)電壓電流值，而地中的干擾信號(hào)是隨機(jī)量，兩次或多次的測(cè)量，很難保證干擾信號(hào)的同一性，這必然會(huì)影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

3.7變頻法

變頻法是70年代以來(lái)接地電阻測(cè)量方法研究的主要內(nèi)容之一。使用異于工頻的變頻電源信號(hào)產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)，注入電流小、電壓低、安全性好，并進(jìn)行軟硬件濾波去除干擾信號(hào)后利用現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)求出接地電阻值，可以有效地消除干擾電流的影響、提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，它還容易實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)的測(cè)量。

3.8鉗測(cè)法

鉗測(cè)法是利用鉗口式接地電阻測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，不必布設(shè)輔助接地極和斷開(kāi)接地引線，只要用鉗口鉗住接地線或接地棒就能進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了接地電阻在線測(cè)量［4］，極大的簡(jiǎn)化了檢測(cè)接地電阻測(cè)量過(guò)程，減少了工作量。該測(cè)試設(shè)備鉗口內(nèi)有兩個(gè)獨(dú)立線圈，一個(gè)產(chǎn)生交流電壓，另一個(gè)用于測(cè)試回路電流，兩個(gè)線圈之間的互感效應(yīng)對(duì)測(cè)量精度有較大的影響，且注入交流電壓只有單一的測(cè)試頻率，如其頻率與電氣設(shè)備地網(wǎng)泄露電流頻率接近時(shí)，測(cè)量精度很低。

4　引起誤差的因素分析及解決方法

土壤電阻率、地網(wǎng)布設(shè)情況和接地材料的材質(zhì)、規(guī)格等是決定接地電阻的重要因素。但是在日常檢測(cè)工作中，測(cè)量設(shè)備、測(cè)量方法以及周?chē)沫h(huán)境也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果形成很大的影響。

4.1接地電阻測(cè)試儀中電壓表內(nèi)阻的影響［5］

由于常用的接地電阻測(cè)量?jī)x器中電壓表和電位極是串聯(lián)關(guān)系，設(shè)備中電壓表的內(nèi)阻會(huì)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)誤差，并且誤差為負(fù)值，也就是說(shuō)儀器測(cè)得的接地電阻值要小于接地極實(shí)際的接地電阻值。

解決方法：在選取接地電阻測(cè)試儀時(shí)應(yīng)考慮電壓表內(nèi)阻，內(nèi)阻越大誤差越小，一般要求測(cè)試儀中電壓表的內(nèi)阻大于或等于電壓極散流電阻的50倍。

4.2電流極與電壓極引線互感的影響

0.618法等測(cè)量方法中，電壓極和電流極引線是平行布設(shè)的，因此當(dāng)電流流經(jīng)電流極引線時(shí)在電壓極引中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，引線間的互感造成的誤差可高達(dá)0.1Ω/100m。

解決方法：選用截面不應(yīng)小于1.0-1.5mm2的電壓極和電流極引線。測(cè)量時(shí)需要將引線拉直，避免測(cè)試線彎曲而產(chǎn)生自感現(xiàn)象，并定期維護(hù)測(cè)試線，對(duì)于可能折斷或使用時(shí)間較長(zhǎng)的線路及時(shí)更換［7、9］。可選擇四極法測(cè)量有效消除電流極與電壓極引線的互感。

4.3輔助接地極的影響

輔助接地極的材質(zhì)、形狀，布設(shè)位置以及布設(shè)輔助接地極附近的土壤環(huán)境都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。

解決方法：選用表面光滑不易彎曲的圓鋼作為輔助接地極，測(cè)量時(shí)應(yīng)保證輔助接地極打入地的時(shí)與土壤充分接觸，以免引起高接觸電阻。正確布設(shè)輔助接地極，當(dāng)采用0.618法測(cè)量接地電阻時(shí)，電流極的位置應(yīng)距接地極取（4～5）D（D為被測(cè)接地裝置的最大對(duì)角線長(zhǎng)度）［6］。當(dāng)采用30°夾角法時(shí)輔助接地極距待測(cè)接地極2D以上。隨著城市建筑密度的增大，可供布設(shè)輔助地極的位置非常有限，經(jīng)常會(huì)遇到因地面硬化而不能布設(shè)輔助接地極，這時(shí)可用布?jí)K或毛巾將輔助接地極包起來(lái)放置在硬化地面上，再在布?jí)K或毛巾上澆水，然后進(jìn)行測(cè)量。如遇瀝青等導(dǎo)電性較差的地面，該方法不適合，需重新尋找輔助接地極的布設(shè)位置。

4.4地電流和電磁場(chǎng)的影響

一些檢測(cè)場(chǎng)所的變壓器接地、電子電器設(shè)備接地、地下金屬管道等，可能使雜散電流流入地表或者在地表附近形成電磁場(chǎng)。當(dāng)輔助接地極布設(shè)在其周?chē)?，容易產(chǎn)生電位差，影響測(cè)量結(jié)果。同時(shí)在檢測(cè)高層建筑物時(shí)，加長(zhǎng)的測(cè)試線容易將空中一些無(wú)線電，電磁雜波等信號(hào)通過(guò)測(cè)試線引向測(cè)量?jī)x器，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

解決方法：選擇抗干擾能力在20db以上的接地電阻測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量前先了解地下金屬管道和設(shè)備接地的布置情況，根據(jù)地下金屬管道和設(shè)備接地的具體情況布選擇影響盡可能小的地方放置輔助接地極。對(duì)設(shè)置有短接卡的引下線，應(yīng)斷開(kāi)后進(jìn)行測(cè)量，在沒(méi)有設(shè)置短接卡的情況下，盡量在干擾設(shè)備不運(yùn)行的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量方法可在三極法測(cè)量的基礎(chǔ)上，采用一根同軸線作為測(cè)試線，同軸線的一端接在待測(cè)接地極上，另一端分別接到測(cè)試儀ES和E端口，這樣可以避免電磁干擾，提高測(cè)量的分辨率［7］（圖4）?？蛇x擇變頻法或大電流法，通過(guò)改變測(cè)試電壓的頻率和電流強(qiáng)度消除影響［8］。

4.5大地趨膚效應(yīng)、激發(fā)極化效應(yīng)的影響

在測(cè)量過(guò)程中當(dāng)注入電流使“大地—導(dǎo)線”形成回路時(shí)，交流電流就會(huì)在待測(cè)接地極和電流極之間流動(dòng)，使得該區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生電磁場(chǎng)，由于趨膚效應(yīng)的作用使得測(cè)量的電阻值大于待測(cè)接地極實(shí)際接地電阻值。同時(shí)當(dāng)?shù)叵掠械V石或巖石存在時(shí)，受測(cè)試電流場(chǎng)作用會(huì)產(chǎn)生二次電場(chǎng)，二次電場(chǎng)隨時(shí)間變化而變化。受激發(fā)極化效應(yīng)作用，土壤電阻率降低，測(cè)量的電阻值小于待測(cè)接地極實(shí)際接地電阻值。

解決方法：調(diào)整輔助接地極的位置進(jìn)行多點(diǎn)多次測(cè)量，對(duì)測(cè)量結(jié)果應(yīng)用萊特準(zhǔn)則進(jìn)行取舍，以消除測(cè)量誤差，使檢測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠［9］。

4.6儀器本身對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

除以上可能引起測(cè)量結(jié)果誤差的因素外，檢測(cè)儀器本身也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成嚴(yán)重的影響。

解決方法：檢測(cè)儀器要經(jīng)常維護(hù)，特別是對(duì)測(cè)試線連接部位、輔助地樁、虎鉗夾等要經(jīng)常檢查、維護(hù)，儀器應(yīng)及時(shí)年檢和校準(zhǔn)，不得使用超檢儀器［7，10］。

圖4　 能有效消除干擾的三極法接線圖

5　結(jié)論

（1）接地電阻是防雷系統(tǒng)中的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，也是衡量系統(tǒng)安全性、有效性的重要參數(shù)。在日常的接地電阻測(cè)量工作中，只有選擇適當(dāng)?shù)臋z測(cè)設(shè)備、檢測(cè)方法和測(cè)試線，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)可能影響的環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，才能把檢測(cè)誤差降到最低，確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和權(quán)威性。

（2）文中測(cè)量接地電阻值的方法是以土壤為均勻土壤、電流極引線足夠長(zhǎng)和待測(cè)接地體可近似看作半球體的形狀為前提條件。如果土壤是非同質(zhì)的，或接地極、電流極為復(fù)雜形狀，則難于測(cè)量和計(jì)算，此時(shí)要用計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理［2］。

［1］肖穩(wěn)安、張小青，雷電與防護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：氣象出版社，2006.

［2］中華人名共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 17949.1-2000.接地系統(tǒng)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，2000.

［3］張明峰，變電站接地網(wǎng)的研究［D］，東南大學(xué)，2005

［4］Li W，Zou J，Sun H.Research on the new clamp-on groundresistanceon-linetesterbasedonAC variablefrequency［C］.Dalian，China：2006，（05）：33-34.

［5］馮志偉，影響接地電阻測(cè)量的因素分析［D］.南京信息工程大學(xué)，2011.

［6］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)、檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T21431-2008.建筑物防雷裝置檢測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［7］孟剛、于寶和，防雷接地電阻偏離真值的探討［J］.吉林氣象，2008（2）：26-27.

［8］翟玉泰、于東海、王立民，接地電阻測(cè)試影響因素分析［J］.氣象研究與應(yīng)用，2012（9）：91-93.

［9］朱海洋、陳德剛、吳躍宏、鄭雪梅，接地電阻測(cè)量方法及阻值分析［J］.氣象研究與應(yīng)用，2009（12）：163-164

［10］張紅梁，影響接地電阻測(cè)量值的因素及排除方法初探［J］.科技風(fēng)，2011（3）：266.

The Analysis of Earth Resistance Measuring Methods and Errors

Lv kunkun，Huang yaolei，Xin xuefei，Wu yingjie
（1.Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture Meteorologic Bureau，Xiangxi，416000；2.Zhang jiajie Municipal Meteorological Bureau，Zhangjiajie，427000；3.Huayuan County Meteorological Bureau，Xiangxi，416400）

Through analysing and summrizing the commonly-used detecting methods，combining with the factors possibly caused measure errors in the daily work.This paper presents some reasonable and feasible solutions.

earth resistance；measure；errors.

TMO

A

1673-8411（2015）03-0103-04

2015-01-25

呂昆坤（1983.9-），男，甘肅靜寧人，工程師，學(xué)士，從事防雷檢測(cè)和管理工作。