不同接地裝置類型下接地電阻測量研究

劉志剛，荊文迪

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063；2.山東交通學(xué)院信息科學(xué)與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357)

0 引言

接地電阻是指恒定電流流經(jīng)接地裝置經(jīng)大地土壤散流后所表現(xiàn)的電阻特性，該電阻通常主要由接地裝置自身的電容、土壤的介電常數(shù)及土壤電阻率確定[1]。接地電阻值的大小往往影響著整個(gè)電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的優(yōu)劣。如果接地電阻值過大，將會(huì)引起三相荷載的不平衡，從而導(dǎo)致接地參考電位不為零，系統(tǒng)中性點(diǎn)發(fā)生偏移，使得線電壓幅值變大，損壞電力設(shè)備。此外，接地電阻值越大，如出現(xiàn)單相接地短路故障時(shí)，如果有人誤觸電力設(shè)備中性線或設(shè)備外殼時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致人身觸電事故。因此，在平時(shí)的電力巡檢中，接地電阻值是判定接地裝置性能好壞的技術(shù)指標(biāo)之一，也是電力設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。接地電阻值真值具有唯一性，但由于土壤電阻率不均勻、電壓零電位參考點(diǎn)尋找困難等復(fù)雜因素的存在，將產(chǎn)生測量誤差。

文獻(xiàn)[2]利用的三極直線法通過測試接地網(wǎng)、輔助電流極和輔助電壓極直線布置的方法來測量接地電阻，該方法僅適合于電阻率均勻、可靠的土壤。文獻(xiàn)[3]指出用高頻沖擊電阻代替工頻接地電阻，可以克服接地線長度超標(biāo)的問題，并作為接地裝置測量的標(biāo)準(zhǔn)，但是沖擊接地電阻儀輸出的電流峰值大且衰減快，不實(shí)際也不安全。本文整理了一些接地電阻測量的資料并結(jié)合實(shí)際測量經(jīng)驗(yàn)，對于傳統(tǒng)意義上的三極直線法測量接地電阻時(shí)，對影響接地電阻值大小的各種因素進(jìn)行分析診斷。對于中小型接地裝置，采用等邊三角形法測量接地電阻；對于大型接地裝置，測試電氣完整性來保證接地電阻滿足設(shè)計(jì)要求。

1 理論算法

1.1 三極直線法

接地電阻的測量是給接地裝置外部施加恒定電流源I(或恒定電壓源U)，計(jì)算出接地網(wǎng)上的電壓降U(或電流值I)，我們把電壓降U與電流I相除，就得到了接地電阻。

式中： U為接地網(wǎng)(或接地極)與大地參考零電位點(diǎn)之間的壓差，V； I為施加于接地裝置的電流源值，A。

三極直線法是指測試的接地裝置E、輔助電流極C和輔助電壓極P三點(diǎn)呈一直線布置來測量接地電阻的方法。在三極直線法中，接地裝置E、輔助電流極C和輔助電壓極P三點(diǎn)距離存在何種關(guān)系，這是測量的核心。通常接地電阻測試儀提供兩根引線分別連接輔助電壓極P和輔助電流極C。按照圖1的接線方式，對P列出極電壓方程：

圖1 三極直線法布線圖

式中：IE表示恒定電流源I(或恒定電壓源U產(chǎn)生的從接地裝置E流出的電流)，A；IP表示流經(jīng)輔助電壓極P的電流，A；IC表示流入輔助電流極C的電流，A；REP表示接地裝置E與輔助電壓極P之間的互感阻抗，Ω；RCP表示輔助電流極C與輔助電壓極P之間的互感阻抗，Ω。

1.2 等邊三角形法

對節(jié)點(diǎn)E列出極電壓方程：

式中：RE表示接地電阻，Ω；RCE表示接地裝置E和輔助電流極C的互感阻抗，Ω。

通過式(3)可以得到接地電阻的測量值表達(dá)式為：

從式(4)可以得知，接地電阻的測量誤差是由于各電極的相對距離和土壤電阻率決定的。距離越遠(yuǎn)，測量誤差越小。但是，設(shè)計(jì)院在初期規(guī)劃總平面布置時(shí)，盡可能地利用占地面積，導(dǎo)致各電極的相對距離受限。此外，在實(shí)際地質(zhì)勘測中，土壤電阻率往往不均勻，地下各類巖石、槽溝及地下管線等也會(huì)影響電極磁場的分布，從而使參考零電位點(diǎn)不為0，測量結(jié)果引起誤差。如果UP≠0、≈0，式(2)簡化為：

從式(5)中可以看出：如果UP＞0，參考零電位點(diǎn)P靠近E節(jié)點(diǎn)；如果UP＜0，參考零電位點(diǎn)P遠(yuǎn)離E節(jié)點(diǎn)。此外，在三極直線法布置電極時(shí)，輔助電壓極P和輔助電流極C的引線水平敷設(shè)時(shí)，兩引線可能產(chǎn)生電磁效應(yīng)，同樣會(huì)引起測量誤差。本文建議用等邊三角形法測量中小型接地裝置的接地電阻。所謂等邊三角形法是將輔助電壓極P和輔助電流極C相對于固定點(diǎn)(即接地裝置測量點(diǎn)E)以固定角度60°向兩個(gè)方向延伸，兩電極引線長度滿足：dEP= dEC的布線方式，如圖2所示。

圖2 等邊三角形法布線圖

從式(6)可以看出：如果Up>0，參考零電位點(diǎn)P靠近C節(jié)點(diǎn)；如果Up<0，參考零電位點(diǎn)P遠(yuǎn)離C節(jié)點(diǎn)；如果Up=0，也就是本文提出的等邊三角形布線法。按照圖2布線測量得到的接地電阻值為R1；P節(jié)點(diǎn)和C節(jié)點(diǎn)互換位置，測得的接地電阻值為R2。如果R1和R2滿足|R1-R2|≤δ(δ為某一閾值)，接地裝置四周的土壤電阻率均勻，那么我們可以認(rèn)為R1(或R2)為接地裝置的接地電阻值；如果R1和R2滿足|R1-R2|＞δ，接地裝置四周的土壤電阻率不均勻， max{R1，R2}為接地裝置的接地電阻值。此外，輔助電壓極和輔助電流極的兩電極引線呈60°的方向布置，克服了電磁感應(yīng)的困擾。因此，由分析可知，等邊三角形法可以克服受電磁感應(yīng)、土壤電阻率不均勻的影響。

2 接地電阻的測量

2.1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作

文章選用接地電阻測試儀測量不同設(shè)備的接地電阻，如高壓鐵塔、信號(hào)基站、建筑物等。

試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作如下：①斷開所有引下線與電氣設(shè)備或避雷帶連接的斷接線卡。②用導(dǎo)線把接線端子E、P、C同時(shí)短接，調(diào)整檢流計(jì)，使其指針讀數(shù)為0 Ω，量程調(diào)整至“1”檔位，旋轉(zhuǎn)手柄，指針應(yīng)于“0 ”位不變，否則判定為儀器的內(nèi)部電氣接線故障。 ③儀器靈敏度的校驗(yàn)，用導(dǎo)線把端子E、P短接，端子C懸空，量程轉(zhuǎn)換置于“1”檔，旋轉(zhuǎn)手柄，如果指針迅速偏離“0”位，則認(rèn)定儀器靈敏度合格。④機(jī)械性能“0”位調(diào)整，儀器放置于水平地面，微調(diào)檢流計(jì)的機(jī)械零位旋鈕，保持檢流計(jì)指針位于“0”位位置。⑤引線和探針外觀性檢查，注意引線絕緣層有無損壞，導(dǎo)線有無斷線，探針與引線是否連接緊密，探針有無磨損現(xiàn)象。⑥連接引線：兩根20 m引線分別接C端子和P端子，引線與儀器端P和C連接必須牢固且不能交叉，其示意圖如圖3所示。

圖3 儀表接線示意圖

2.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)步驟：①把接地電阻測試儀放置于離接地裝置較近的水平地面上，E端通過引線與接地裝置連接，輔助電流極、輔助電壓極引線分別從C端、P端引出后沿60°方向延伸，引線不能交叉且間距大于2 m，輔助電壓極和電流極不能置于接地裝置內(nèi)側(cè)，兩根探針入地于-0.6 m以下并與土壤之間不能有縫隙，且探針不能接觸巖石、管線等障礙物。②檔位設(shè)置，將滑動(dòng)電阻值設(shè)置在最大阻值處，將儀器量程置于“1”檔位處，均勻旋轉(zhuǎn)手柄、扭轉(zhuǎn)滑線電阻器使檢流計(jì)指針于“0”位不變。③記錄接地裝置的接地電阻值。④拆除引線，將斷開避雷帶或電力設(shè)備的接地引下線恢復(fù)原狀態(tài)，保證連接牢固。

3 接地電阻的測量轉(zhuǎn)化

等邊三角形法能夠克服電磁感應(yīng)及土壤電阻率不均勻的影響，但是，大型接地裝置，尤其是建筑物的等效面積在5 000 m2及以上，接地電阻的測量技術(shù)復(fù)雜、難度大。實(shí)際接地電阻接地儀表儀器說明書中的操作也局限于非大型接地裝置。如果接地裝置越大，測量誤差就越大。因此，針對大型接地裝置應(yīng)尋找另一種思路。文獻(xiàn)[4]指出倘若土壤電阻率均勻，以水平接地極起主要散流作用、垂直接地極附加散流的邊緣閉合的接地裝置，可參照式(7)計(jì)算接地裝置的接地電阻。

式中：R表示任何形式的邊緣閉合的接地裝置的接地電阻，Ω；Re表示等面積或等水平接地極總長度的方形接地網(wǎng)的接地電阻，Ω；S表示接地網(wǎng)的水平面積，m2；d表示水平接地極的直徑或等效直徑，m；h表示水平接地極的地下埋設(shè)深度，m，通常為0.8 m以上；L0表示接地網(wǎng)的最大邊線總長度，m；L表示水平接地極的所有長度和，m；B表示等效系數(shù)。

式(7)雖然計(jì)算精確，但過程較為繁瑣。為了簡化，均勻土壤中水平接地極為主邊緣的復(fù)合地網(wǎng)的接地電阻簡易計(jì)算式為：

直接接地系統(tǒng)或低電阻接地系統(tǒng)變電站或發(fā)電廠的接地電阻應(yīng)符合式(9)的要求。

式中：IG表示經(jīng)過接地裝置流入大地的單相接地故障的電流工頻有效值，A。

而近十年，火電機(jī)組容量擴(kuò)大，特高壓輸電線路的發(fā)展，系統(tǒng)短路電流IG遠(yuǎn)大于4 000 A。結(jié)合上式，大型接地裝置的接地電阻應(yīng)符合式(11)即可。

通過式(11)可以看出：接地裝置在電氣完整性前提下，只要土壤電阻率ρ不大于就能保證接地電阻值符合規(guī)范要求。而大型接地裝置中，土壤電阻率ρ遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于。以某一2×350 MW火力發(fā)電廠為例，其占地10.3萬m2，土方以粉質(zhì)黏土為主，土壤電阻率近似為100 Ω·m，滿足式(11)的要求?？梢缘贸觯豪秒姎馔暾詼y試代替接地電阻值的測量，更具有應(yīng)用性和可行性?！督涣麟姎庋b置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中提及當(dāng)接地網(wǎng)的接地電阻不符合本規(guī)范的要求時(shí)，可通過采取必要的措施并滿足接觸電勢和跨步電勢的要求，以確保人身和設(shè)備安全可靠。接地電阻不符合要求的內(nèi)容不在本文討論范圍以內(nèi)。

4 電氣完整性測試

接地裝置的電氣完整性定義為建筑物防雷裝置中避雷帶、避雷針及各設(shè)備的引下線之間的電氣導(dǎo)通性，即直流電阻值。參考文獻(xiàn)[5]中關(guān)于接地網(wǎng)電氣完整性測試規(guī)定：①應(yīng)測試同一接地裝置的各相鄰設(shè)備的引下線之間的電氣導(dǎo)通性情況，以直流電阻值表示；②直流電阻值不宜大于0.05 Ω。

接地裝置的電氣完整性測試就是設(shè)定一個(gè)與主地網(wǎng)連接牢固的設(shè)備引下線為參考節(jié)點(diǎn)，再測試周圍其他電氣設(shè)備接地部分與參考點(diǎn)之間的直流電阻值。直流電阻需要用導(dǎo)通測試儀測量，儀器分辨率的歐姆值為1 mΩ，精確度大于1.0級(jí)，其工作原理如圖4所示。

圖4 導(dǎo)通測試儀原理圖

圖4所示的電路，流經(jīng)Rl電流的電流表達(dá)式為：

滑動(dòng)變阻器的功率表達(dá)式為

(當(dāng)且僅當(dāng)Rx= Rl，滑動(dòng)變阻器功率取得最大值。)

電氣完整性測試工作步驟如下：

1)把被測引下線端子與引下線參考端子接在Rx的位置上。為了降低接觸電阻值，保證數(shù)值的準(zhǔn)確性，被測點(diǎn)接觸面應(yīng)干凈整潔。

2)確認(rèn)連接線無誤后，接通220 V電源，設(shè)備進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

3)調(diào)整滑動(dòng)變阻器的阻值，記錄儀表中每組的電壓值U和電流值I，(U1、I1)、(U2、I2)…(Un、In)。

6)測試結(jié)束后，切斷電源，拆除接線端子。

5 結(jié)語

接地電阻值與接地裝置的尺寸和土壤電阻率的大小有關(guān)系。如果接地電阻過大不能滿足電力系統(tǒng)防雷擊或運(yùn)行的要求，這直接關(guān)系到變電站或發(fā)電廠運(yùn)行人員的人身安全。通過本文的分析表明：對于中小型接地裝置，等邊三角形法測量接地電阻可以避免輔助電流極和輔助電壓極由于電磁感應(yīng)引起的測量誤差及土壤電阻率不均勻的影響；對于大型接地裝置，測試的電氣完整性來代替接地電阻的測量，更具有應(yīng)用性和可行性。