鉗形接地電阻測試儀在防雷檢測中的應(yīng)用分析

代先進，張坤，仇艷瑋，孫自勝 （六安市氣象局，安徽 六安 237000）

1 引言

隨著現(xiàn)代化快速發(fā)展，高層或超高層建筑數(shù)量在逐年增加，大規(guī)模的集成電路更新?lián)Q代日益頻繁。實踐表明，建筑越高越容易遭受雷擊，隨著集成度的增加其耐受過電壓能力出現(xiàn)下降趨勢。雷電已被聯(lián)合國公認為十大自然災(zāi)害之一，也是目前中國十大自然災(zāi)害之一，具有偶發(fā)性、強破壞性等特點。全世界平均每分鐘發(fā)生雷暴2000 次，造成大量的森林火災(zāi)、油庫等易燃易爆場所燃燒和爆炸、通信和信息系統(tǒng)崩潰、電力系統(tǒng)癱瘓及人員傷亡等。全球氣候變暖，極端天氣頻發(fā)，雷雨季節(jié)雷擊事故逐年增多。加強雷擊災(zāi)害防范直接關(guān)系到生產(chǎn)發(fā)展和生命安全。隨著人們對雷電危害性的認知不斷加強，防雷檢測業(yè)務(wù)開展的領(lǐng)域也在逐年拓寬。我國相關(guān)行業(yè)要求密集型建筑、易燃易爆場所需要定期進行防雷檢測，檢測業(yè)務(wù)量大，傳統(tǒng)檢測方法費時費力。高層建筑大多數(shù)位于市區(qū)，且都是硬化地面，很難找到合適的土壤做輔助接地極，從屋面往下放接地線比較危險，很容易出現(xiàn)觸摸高壓線、墜落砸傷人員、中途盲區(qū)阻隔等現(xiàn)象，所以傳統(tǒng)防雷檢測方法局限性大。

目前，國內(nèi)不少學者對鉗形接地電阻測試儀的應(yīng)用進行了分析和研究。張寧等[1]在“ETCR2000 型接地測試儀在防雷檢測中的應(yīng)用”一文分析了其原理，總結(jié)了ETCR2000 型鉗形接地電阻測試儀測試接地電阻的優(yōu)點和缺陷；阮波[2]在“高鐵貫通地線接地電阻測試及斷點查找方法研究”一文中探索出鉗形接地電阻測試儀是不需設(shè)置測量電極的新測試方法，能很好地適應(yīng)高鐵貫通地線的環(huán)境，減小了測試工作量，找出了測試值變化的規(guī)律。本文將從鉗形接地電阻測試儀的基本原理入手，解決其使用的場所和條件，為防雷檢測業(yè)務(wù)工作提供參考[3-5]。

2 鉗形接地電阻測試儀原理

鉗形接地電阻測試儀的鉗頭包含兩個磁芯部分：一個是儀器信號發(fā)生的磁芯線圈，發(fā)出交流電壓信號E；另一個是信號接收磁芯線圈，電流測量I，由信號源E 發(fā)出激勵信號，感應(yīng)線圈接收電流I，構(gòu)成閉合回路，儀器即可計算出Z=E/I。若自身能夠形成閉合回路的情形，可以直接使用鉗形電阻接地測試儀；若不能，可以加輔助條件達到回路后使用。在防雷檢測活動中，有多個獨立接地體類型、多根共地接地體、單個接地體等多種情況。

3 鉗形接地電阻測試儀的應(yīng)用

3.1 多組獨立接地極

多組獨立接地極，是指接地極由多個獨立接地極組成（一般指多于2 根接地極），但是每個接地極都有各自單獨的接地體（如圖1）。一般的輸電桿塔、通信基站屬于此類情況，每個單獨接地體在地面0.3～1.8m 處都未設(shè)置斷接卡。采用傳統(tǒng)的三級法測量，由于傳統(tǒng)方法受到測試電極距離、周圍環(huán)境、土壤電阻率、接地延長線等多種因素影響，測量值與真實值誤差較大。

圖1 多組獨立接地極

若使用鉗形接地電阻測試儀，建（構(gòu)）筑物的整體接地電阻與各自獨立接地極的單體電阻的關(guān)系為R=R1+（R2//R3//R4），而（R2//R3//R4）阻值很小，可以忽略不計，所以R≈R1。

測量當?shù)氐耐寥离娮杪?，通過《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》（GB 50057-2010）[3]附錄一中關(guān)于工頻電阻與沖擊電阻的轉(zhuǎn)化，得到最終檢測數(shù)據(jù)。

3.2 多組共用接地極

現(xiàn)代建筑大多數(shù)都是利用建筑物基礎(chǔ)作為自然接地體，引下線利用構(gòu)造柱內(nèi)的鋼筋，鋼筋都隱蔽在混凝土內(nèi)，一般在屋面部分預(yù)留引下線端子，供屋面接閃帶與之連接。圖2 是一棟利用地基基礎(chǔ)作為防雷自然接地體的模型。

圖2 多組共地接地體

Z=Rx+Ze+(R1//R2...//Rn)+Zg

其中，Rx為被測接地極接地電阻；Ze為大地阻抗值，通常小于1Ω；（R1//R2...//Rn）為多個接地極接地電阻的并聯(lián)值，其值非常小，可忽略不計；Zg為保護線電阻，通常小于1Ω。因此，最終Z值近似于Rx。

3.3 單個接地極接地電阻的檢測

從測試原理來說，鉗形接地電阻測試儀只能測量回路電阻，單點接地無法測量。但是可以采用一根測試線連接附近的其他接地系統(tǒng)，輔助構(gòu)造一個測試回路進行測試。下文將介紹常單點接地的兩種鉗形表測量方法。

①簡易兩點法

在被測接地體RA附近找一個獨立的接地較好的接地體RB（例如臨近的自來水管、建筑物等），將RA和RB用一根測試導線連接起來（如圖3），由測試體RA、輔助接地體RB以及大地之間構(gòu)成一個回路，得出：RT=RA+RB+RL。

圖3 兩點法測量（鉗形法）

其中，RT為鉗形表所測的阻值；RL為測試線的阻值。

將測試線頭尾相連即可用鉗表測出其阻值RL，由于測試接與輔助電極相距很近，RL可以忽略不計。如果此時鉗形表的測量值小于接地電阻的允許值，那么此時的讀數(shù)近似認為是該接地體的接地電阻。

②三點法

在被測接地體RA附近找兩個獨立的接地體RB和Rc。

第一步，利用簡易兩極法，將RA和RB用一根測試導線連接起來，用鉗形表測量讀數(shù)為R1；

第二步，通用利用簡易兩極法，將RB和Rc連接起來，用鉗形表測量讀數(shù)為R2；

第三步，將Rc和RA連接起來，用鉗形表測量讀數(shù)為R3（如圖4）。

圖4 三點法（鉗形法）

上述每一步所測得的讀數(shù)都是兩個接地電阻的串聯(lián)值。通過簡易計算得出：

R1=RA+RB、R2=RB+RC、R3=RA+RB

RA=(R1+R3-R2)/2

RB=(R2+R3-R1)/2

RC=(R1+R2-R3)/2

3.4 傳統(tǒng)測試儀與鉗形測試儀檢測數(shù)據(jù)對比分析

3.4.1 兩種測試方法在易燃易爆場所的應(yīng)用對比分析

分別采用MI2126 接地電阻測試儀、CA6416 鉗形電阻測試儀對罩棚和加油機進行檢測。測試點位置分布如圖5 所示。本次選取了六個位置進行測試。經(jīng)過現(xiàn)場測量，MI2126接地電阻測試儀的線阻為1.0Ω（表1 已扣除），精度為0.01Ω，CA6416鉗形測試儀的精度為0.01Ω，兩者檢測數(shù)據(jù)數(shù)如表1所示。將CA6416 檢測數(shù)據(jù)代入上述三點法公式，得知R1=0.855Ω、R2=0.905Ω、R3=0.875Ω、R4=0.86Ω、R5=0.91Ω、R6=0.83Ω。對比MI2126 數(shù)據(jù)可以看出CA6416檢測數(shù)據(jù)具有可靠性。

表1 MI2126與CA6416檢測數(shù)據(jù)（單位：Ω）

圖5 中石化六安前進路加油站平面圖

圖6 某小區(qū)高層建筑平面圖

3.4.2 兩種測試方法在高層建筑檢測中的應(yīng)用對比分析

傳統(tǒng)方法在高層建筑防雷檢測中受環(huán)境因素影響較大。

高層放接地線時很容易受到風向、附近高壓線、自身裙樓等不確定因素影響，給防雷檢測工作者帶來極大不便，費時費力。尤其是當高層建筑附近有高壓線時，檢測人員放線時存在很大的安全隱患，甚至有生命危險。

其次，現(xiàn)代住宅、商業(yè)區(qū)基本都在城鎮(zhèn)，周邊都是混凝土，傳統(tǒng)檢測無法找到合適的地點作為輔助電極。而鉗形電阻測試儀可以利用環(huán)路定理，可以直接在高層建筑屋面測量，不需要放線，尋找接地點、扣除線阻等，減少了防雷檢測人員的工作量，縮短了檢測時間，提高了防雷檢測效率。

使用以上兩種防雷檢測方法分別對某小區(qū)的一棟高層建筑同一位置進行檢測，逐一進行數(shù)據(jù)對比分析。已知MI2126 接地電阻測試儀的線阻為1.0Ω（表2 已扣除），精度為0.01Ω，CA6416鉗形測試儀的精度為0.01Ω，1、2、3、4為該高層建筑屋面接閃帶東南西北四個方位的檢測點，CA6416 鉗形測試儀在檢測點1～4 可以直接讀取數(shù)據(jù)，MI2126接地電阻測試儀分別對以上四個點進行測試，最終檢測結(jié)果如表2 所示。從表中可以看出MI2126 接地電阻測試儀的測試數(shù)據(jù)略小于CA6416 的測試結(jié)果，誤差控制在0.03Ω 以內(nèi)，檢測點1：MI2126 的測量結(jié)果是0.89，CA6416 的測試結(jié)果是0.90，二者誤差為1.12%。同樣原理分析其余3 個檢測點，其誤差分別為1.25%、3.80%、3.84%，顯然誤差控制在5%以內(nèi)，不影響最終結(jié)果的判定。

表2 MI2126與CA6416檢測數(shù)據(jù)對比表（單位：Ω）

4 結(jié)語

防雷設(shè)施檢測涉及類型多、范圍廣、環(huán)境復雜[6-7]，如何選擇最優(yōu)測試方法，需要因地制宜進行綜合防雷設(shè)施類型分析。結(jié)合筆者實踐經(jīng)驗，現(xiàn)將成熟用于鉗形電阻測試儀的情景總結(jié)如下：

①屋面接閃帶、側(cè)擊雷、樓層等電位閉合回路的電氣導通性以及配電柜過渡電阻的測試；

②無法找到適合輔助電極插樁的場所或者檢測區(qū)域為水泥路面；

③防雷設(shè)施周邊有裙樓、高壓線等無法放線的場所；

④位于高山上的采用深井接地防雷設(shè)施。

隨著城市現(xiàn)代化的快速發(fā)展，建筑的數(shù)量和高度也在與日俱增，辦公信息化設(shè)備也在不斷地更新?lián)Q代。超大規(guī)模的集成電路應(yīng)用，雖然集成度大幅度提升，但是耐受過電壓的能力在降低，因此，合理的防雷電過電壓顯得尤為重要。

隨著人們安全意識的不斷提高，防雷設(shè)施檢測呈現(xiàn)幾何倍的增長，這對檢測人員提出了新的挑戰(zhàn)，鉗形電阻測試儀的使用既避免傳統(tǒng)測試法因電極位置分布、環(huán)境因素的帶來限制，又大幅壓縮了防雷檢測業(yè)務(wù)人員的工作量，節(jié)約了檢測時間，提高了檢測的效率[8-9]。