大型接地裝置大電流、小電流法測試接地電阻研究

吳仕軍+張建軍+劉波+羅仕慶

摘 要：接地電阻的測量在防雷工作中一直占據(jù)著重要地位，其測量的數(shù)據(jù)也直接關(guān)系到檢測報(bào)告是否具有真實(shí)性、準(zhǔn)確性和權(quán)威性，是否會影響到防雷設(shè)施發(fā)揮應(yīng)有的作用。本文通過大電流、小電流法測試接地電阻原理、方法及設(shè)備要求，進(jìn)行測試接地電阻對比研究，分析了大型接地裝置不同電流測試的誤差及主要誤差原因，提出大型接地裝置接地電阻測試的科學(xué)測試方法，以便在實(shí)際測試工作中起到指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：接地裝置；電流；測試；接地電阻

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.265

1 前言

接地電阻的測試是接地裝置測試中的關(guān)鍵內(nèi)容，接地電阻是接地裝置的主要參數(shù)。測試工作中，大部分為民用建 （構(gòu)）筑物或一般工業(yè)小型接地裝置，按檢測設(shè)備要求部署20m、10m的電流、電壓輔助接地極，在土壤電阻率均勻的環(huán)境下測試，5%誤差允許范圍內(nèi)就能實(shí)際反映接地電阻。由于功能、利用本質(zhì)、范圍大型接地裝置通常見于建（構(gòu)）筑物或防雷要求比較高的場所。

大型接地裝置則需用大電流檢測儀器。當(dāng)運(yùn)用大電流檢測儀器測試大型接地裝置工頻特性參數(shù)時(shí)，試驗(yàn)頻率宜在45Hz-55Hz、試驗(yàn)電流宜在3A-30A區(qū)間。用大電流測試法測試的接地電阻比現(xiàn)使用M4102型接地電阻測試儀測試的接地電阻相比，要精確得多。

1.1 接地電阻的重要性

接地電阻的大小是接地裝置效果好壞的主要參數(shù)，通常來說，接地電阻越小，雷電發(fā)生時(shí)，其流散的速度越快，一旦物體被雷擊中，其產(chǎn)生的高電位持續(xù)時(shí)間也就越短，防雷裝置上產(chǎn)生的雷擊高電位也就相應(yīng)的越低，減少對設(shè)備及人身安全的影響。依據(jù)原理，發(fā)生雷擊時(shí)，產(chǎn)生的雷電流在通過防雷裝置時(shí)，接地電阻上電壓的高低與接地電阻的關(guān)系呈正比，也就是接地電阻的值越小，電壓對設(shè)備及人身安全的影響就越小。在防雷相關(guān)規(guī)范中，在用途不同時(shí)對接地電阻的要求較明確。分別對一、二、三類的防雷建筑物的接地電阻進(jìn)行了具體要求，一、二類的接地電阻≤10Ω，三類的接地電阻≤3OΩ，而風(fēng)電機(jī)組接地電阻≤4Ω，變電站的接地電阻≤0.5Ω。因此，接地電阻在防雷工作中具有相當(dāng)重要的地位。

1.2 測試接地電阻的現(xiàn)實(shí)意義

隨著大型房開企業(yè)的增多，開發(fā)的新建項(xiàng)目也越來越大，城市現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，開發(fā)和利用城市地下空間，漸漸成全球性的發(fā)展趨勢；城市地下空間開發(fā)和利用，對提高土地利用率，道路暢通，擴(kuò)大城區(qū)綠地，降低環(huán)境污染，緩和城區(qū)密度，提升基礎(chǔ)設(shè)施容量等起到不可忽視的效果；國內(nèi)城市地下空間開發(fā)和利用得到快速發(fā)展，地下空間建造規(guī)模越來越大，基坑工程設(shè)計(jì)和施工面積面臨越來越大的發(fā)展趨勢。在90年代：地下室大多為1～2層，2000年以后，出現(xiàn)了四層地下室，最近幾年，出現(xiàn)了五層地下室，特別就城市綜合體建設(shè)，甚至出現(xiàn)了上萬平米的地下室。大型接地裝置的出現(xiàn)，對接地電阻提出了更高的要求。接地電阻是指電流經(jīng)過接地體進(jìn)入大地并向周圍擴(kuò)散時(shí)所遇到的電阻。大地具有一定的電阻率，如果有電流流過時(shí)，則大地各處就具有不同的電位。電流經(jīng)接地體注入大地后，它以電流場的形式向四處擴(kuò)散，離接地點(diǎn)愈遠(yuǎn)，半球形的散流面積愈大，地中的電流密度就愈小，因此可認(rèn)為在較遠(yuǎn)處，單位擴(kuò)散距離的電阻及地中電流密度已接近零，接地點(diǎn)處的電位Um與接地電流I的比值定義為該點(diǎn)的接地電阻R，R=Um/I。當(dāng)接地電流為定值時(shí)，接地電阻愈小，則電位Um愈低，反之則愈高。接地電阻主要取決于接地裝置的結(jié)構(gòu)、尺寸、埋入地下的深度及當(dāng)?shù)氐耐寥离娮杪?。良好的接地電阻能有效地降低引下線上的過電壓，避免發(fā)生反擊。減少對人身及財(cái)產(chǎn)的損失。

本文通過小、大電流測試，對選取12個(gè)大型防雷接地裝置接地電阻進(jìn)行測試，對比接地電阻值，找出大小及影響測試結(jié)果的主要因素，為今后大型接地裝置接地電阻的測試具有指導(dǎo)作用。

2 測量接地電阻的基本原理

根據(jù)接地電阻的定義，接地電阻是電流I經(jīng)接地體流入大地時(shí)接地電位U和I的比值。因此，為了測量接地電阻，首先在接地體上注入一定的電流。如圖1所示。

為簡化計(jì)算，設(shè)接地體為半球形，在距球心X處的球面上的電流密度為

當(dāng)接地體為半球形，球形中心位已知，土壤的電阻率一致，鏡像的影響忽略不計(jì)的情況下，電壓極放在電流與被測接地體兩者之間，距接地體0.618d13處，即可測得接地體的真實(shí)接地電阻值。

3 測試設(shè)備技術(shù)參數(shù)

采用在檢測站常用的M4102型接地電阻測試儀（小電流）和異頻測試設(shè)備DF9001（大電流）進(jìn)行測試，其測試設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表1和表2。

4 小電流法測試接地電阻測試報(bào)告

4.1 測試原理

接地裝置工頻接地電阻的數(shù)值，等于接地裝置的對地電壓與通過接地裝置流入地中的工頻電流的比值。因此，測量接地電阻必須測量接地裝置的對地電壓和流入地中的工頻電流，接地裝置的對地電壓是指接地裝置與地中電流場的實(shí)際的零電位區(qū)之間的電位差。因此，必須在接地體中通過流入地中的工頻電流，電源的一端接接地裝置上，另一端接在能與被測接地極構(gòu)成回路的輔助電流接地極上。電壓表的一端接在接地裝置上，另一端接在處于實(shí)際的零電位區(qū)的電壓接地極上。

由于，單根接地極的零電位區(qū)在距單根接地極10M以外的地方，同時(shí)，電流接地極與電壓接地極避免相互干擾，電壓接地極必須設(shè)在距被測接地極和電流接地極10M以外的地方。因此，被測單根接地極，電流接地極，電壓接地極三者應(yīng)成10M—20M的直線布極方法。

4.2 測試方法

用接地電阻測量儀測量接地電阻時(shí)，要求采用10—20m的布極方法。接地電阻測量儀都配有10m，20m的專用線。為了消除互電阻的影響，電壓接地極P的電流接地極C距離不小于10m。如電流接地極C距電壓接地極P的以外是建筑物，電流接地極C無法布置。電流接地極C和電壓接地極P可以布置在被測接地網(wǎng)G的兩側(cè)；或電流接地極C和電壓接地極P，被測接地網(wǎng)G三者成三角形，每邊長為20m。

4.3 用小電流法對12個(gè)接地裝置測試接地電阻，測試數(shù)據(jù)見表3

5 大電流法測試接地電阻測試報(bào)告

5.1 測試原理

電流線和電位線同方向（同路徑）放設(shè)稱為三極法中的直線法。dCG通常選5～6D，dPG通常為（0.5～0.6） dCG。電位極P應(yīng)在被測接地裝置G與電流極C連線方向移動三次，每次移動的距離為dCG的5%左右，當(dāng)三次測試的結(jié)果誤差在5%以內(nèi)即可。在具體測試中應(yīng)注意以下兩個(gè)方面的干擾：輔助電流極和輔助電壓極的布線應(yīng)拉開1m以上的距離，以減小等效電容；輔助電壓極的敷設(shè)應(yīng)盡量避免與輸電線路平行，以防感應(yīng)過高的工頻電壓。

5.2 用小電流法對12個(gè)接地裝置測試接地電阻，測試數(shù)據(jù)見表4

6 小、大電流測試接地電阻數(shù)據(jù)對比分析

通過12個(gè)接地裝置分別進(jìn)行大、小電流接地電阻測試對比測試，得到接地電阻對比數(shù)據(jù)，見圖2。

7 數(shù)據(jù)誤差分析

通過研究試驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)，大小電流法所測試數(shù)據(jù)相差較大，主要原因分析如下：M4102型接地電阻測試儀去干擾能力差，受對地電壓變化影響大。地中泄漏電流、無線電干擾電流等雜散電流、電網(wǎng)中的三相不平衡電流通過工作接地注入大地、接地網(wǎng)鄰近的電路管線、電站引出的架空線零序分量、測量回路中的電壓、電流引線之間的互感干擾電勢，土壤電阻率不均勻等都會對其構(gòu)成影響。而異頻測試設(shè)備DF9001通過選頻，能去掉其它所有干擾。

8 結(jié)論

（1）接地裝置的接地阻抗大電流測試方法由于其測試電流大，測試環(huán)境的影響可以忽略，因此，該方法的測試結(jié)果能夠體現(xiàn)接地裝置特性的真實(shí)性。

（2）接地裝置的接地阻抗小電流測試方法由于其測試電流小，受測試環(huán)境因素的影響較大，因此，該方法的測試結(jié)果偏離接地裝置特性參數(shù)誤差較大，不能用于要求較高的測試。

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作者簡介：吳仕軍（1980-），男，苗族，工程師，主要從事雷災(zāi)調(diào)查及防雷技術(shù)推廣工作。