如何準確測量接地電阻?

1、 前言
      有人認為接地電阻的測量很簡單而草率從事，不求甚解；有人認為接地電阻的測量不可能得到重復準確的結果而提出“廢棄接地電阻”。兩種態(tài)度都是不對的和不可取的。本文詳細介紹了接地電阻的測量原理和常用的幾種測量方法和經驗，以助人們正確掌握它，獲得準確的測量結果。
2、 接地電阻的定義和表達式
2.1 接地電阻的定義
       接地電阻就是通過接地裝置泄放電流時表現(xiàn)出的電阻，它在數(shù)值上等于流過接地裝置入地的電流與這個電流產生的電壓降之除。

      （1）式中，U——接地裝置的對地電壓，即接地體與大地零電位參考點之間的電位差。
I——通過接地裝置泄放入大地的電流。
經過運算，式（1）可演變成土壤介質的物理常數(shù)的表達式：
（2）
式中，x——土壤的介電系數(shù)；
r——土壤的電阻率，W·m
C——接地裝置的電容，F(xiàn)。

       從式（2）可見，在一個確定的地方，由于土壤的介電系數(shù)和土壤電阻率是確定的，接地電阻的大小取決于接地裝置自身的電容，而此電容又取決于接地裝置的大小和結構。為了得到小的接地電阻，要求接地網的設計使它有盡可能大的對地電容。另一方面，還可通過改變土壤（換土或用降阻劑），降低土壤的電阻率或增大土壤的介電系數(shù)來改變接地電阻的大小。

幾種特殊接地電極的電容和其接地電阻舉例：
半球接地電極，C=2peb，；
半圓盤接地電極， C=4eb，。
式中，b為半球或半圓盤的半徑。

     由上式可知，相同半徑的半球接地極比半圓盤接地極的電容大約1.6倍，相應接地電阻低約1.6倍。這說明，采用球形或立體接地極比采用平面接地極效率高，節(jié)省材料。
 
2.2 單根接地極的接地電阻
       單根接地電極的接地電阻的大小，主要取決于它的直徑和長度。單根園管、園棒電極的接地電阻約為 （3）式中，L和d分別為管或棒的長和直徑，單位米。

       從式（3）可知，一根直徑50mm的圓鋼管，打入地中深度2.5m，其電阻約為R = 0.3r。防雷設計人應好好記住這個0.3 的經驗系數(shù)，它對于設計接地網很有幫助。

3、 接地電阻的測量原理 
    接地電阻的測量是按照公式（1）來進行的：給接地裝置（接地極或接地網）施加一個電流I，測量出接地極（網）上的電壓U，電壓與電流相除，就得到了接地電阻。
看似簡單，但是，這個電流如何正確的施加，這個電壓如何測量準確，卻并不是每個測量者都知道。本文向讀者介紹的就是這方面的技術和經驗。

3.1測量電流的施加與電流輔助極
       在公式（1）中，測量電流是指“流過接地裝置入地的電流”。這個電流與導線中流過的電流是不一樣的。在導線中，電流沿導線流動，形成連續(xù)的閉合回路，其路徑是確定的和可預見的。而“流過接地裝置入地的電流”卻擴散到大地里，流到很遠很遠的地方。它是怎么形成閉合回路，以滿足電流的連續(xù)性和閉合性規(guī)律呢？

       如果這個電流是雷擊形成的雷電流，這個電流是從雷云經過雷電放電通道進入接閃器和引下線，再經過接地裝置向四周大地擴散傳播，最后經過云——地之間的廣大空間以位移電流的形式，回到雷云，滿足電流的連續(xù)性與閉合性的規(guī)律，如圖1A所示�？墒�，我們在進行接地電阻測試時，為了能夠向接地裝置注入（施加）測試電流，我們首先必須解決電流的歸路或收集問題。這就是必須找到或人為制作一個電流回路。在三極直線法和三角形法測量接地電阻時需要在遠方臨時打一個輔助電流極，其目的就是為了給電流提供一個回路。而在鉗表法中，不需要打臨時的輔助電流極，并不是電流不需要回路，而是要找尋現(xiàn)A 雷電流的分布 B 測量接地電阻時的電流分布成的可以用作為回路的電路。圖1描述了通過接地裝置流入地中電流的場的分布，圖1A是雷電流的場，這是一個向四周擴散的電流場，而圖1B是測試電流的場，是一個向一邊擴散的畸變的電流場。
輔助電流極的出現(xiàn)使電流場的分布變得不均勻了，畸變了。輔助電流極離被測接地極（網）越近，電流場的畸變越大；輔助電流極越遠，電流場的畸變越小，但測試工作量越大。因此，這里有一個合適的最佳的距離，在滿足測試準確度的要求的情況下，使輔助電流極比較近。

3.2 測量電壓與輔助電壓極
       公式（1）中的電壓是指接地裝置（網）與大地零電位參考點之間的電壓。大地零電位參考點在哪里，如何取得，是接地電阻測試中的另一個重要問題。顯然我們不可能到無窮遠的地方去找零電位參考點，而是在一個較近的可以接受的地方尋找零電位參考點。

       在接地電阻測量中，需要在選做零電位參考點的地方打一個輔助電壓極，用一根導線將參考電位取回來，它與接地裝置（網）的電位之差，就是我們需要的電壓U。要找一個真正的零電位參考點在現(xiàn)實測量工作中可能很不容易，但我們能夠找到一個盡可能接近零電位的地方，或者其誤差是可以接受的地方。如果這個點的電位不是真正的零電位，而是比零電位大一點，或小一點，那最后得到的電壓和測得的接地電阻就會有或大或小的誤差。多大的誤差能夠為我們所接受，這就需要通過測量結果來判斷。在這里，不僅要了解測量原理，還要具備相應的實際測量經驗�？傊�，為保證接地電阻測量的準確，關鍵就在于零電位參考點選取的正確與否以及對測量結果的判斷。

       大地零電位參考點在哪里呢？有的人有一種誤解，認為大地總是處于零電位的。他們認為，地電位就是零電位，這是不正確的。其實，只要地中有電流流過，就有電壓降，這兒的地就不是零電位。沒有電流流過的地，才是電氣上的零電位地。因此，嚴格地說，零電位在離被測接地裝置（網）很遠的地方。對于單根金屬管接地極來說，離接地極的距離在20m以上才可以認為是零電位。

       輔助電壓極的任務就是取回零電位，因此怎樣獲得準確的零電位點，是測準接地電阻的關鍵。

4、 接地電阻測量的三極直線法
4.1 三極直線法的接線
     三極直線法是接地電阻測試中使用最多和最普遍的方法，測試時被測接地網1、電壓輔助極2與電流輔助極3三點（極）按一直線布置。

      在三極直線法測量中，這三個極如何布置呢，具體說，輔助電壓極與輔助電流極與被測接地裝置（網）的距離如何布置和掌握，這是測準接地電阻的關鍵之一。一般接地電阻測試儀器儀表都提供有兩根輔助接地極，并配套有兩根測試導線，一根40m，另一根20m。有些儀器，如日立Kyoritsu 4150A表，的配套導線還更短。用這樣的配套導線能否獲得準確的測量結果呢？這是每一個測量者都十分關心的問題。

E 測試電源 A 電流表 V 電壓表
1 被測接地裝置，2 電壓極， 3 電流極
D 接地網最大對角尺寸， d13 接地網到電流極的距離
d12 接地網到電壓極的距離，d23 電壓極與電流極的距離
圖2 三極直線法測量接地電阻的接線

4.2 三極直線法的測量原理
按圖2的接線，可以列出三個極的電壓方程：
U1= R1I1­ + R12I2 + R13I3　　　　　　　　　　　　（4a）
U2 = R21I1+R2I2 +R23I3　　　　　　　　　　　　�。�4b）
U3 = R31I1+R32I2+R3I3 （4c）
式中，I1——流入接地裝置的電流。
I2——流入電壓極的電流。
I3——流入電流極的電流。
R1——接地裝置1的自電阻，即接地裝置的被測接地電阻。
R2——電壓極的自電阻。
R3——電流極的自電阻。
R23和R32——電壓極和電流極之間的互電阻，它們相等。
R12和R21——接地裝置與電壓極之間的互電阻，它們相等。
R13和R31——接地裝置與電流極之間的互電阻，它們相等。

       測試時電流是從接地裝置流入大地，而從電流極流出，回到電源。取流入大地的電流方向為正，則I1=－I3。因為流過電壓極的電流極小，故可以認為I2=0。又因三對互電阻相等：R23=R32，R12=R21，R13=R31，則方程組可改寫為：
（5a）
（5b）
（5c）
由式（5a）－式（5b），得U
（6）
由此可得接地電阻的測量值為：
（7）
在式（7）的等式右邊，第一項R1為接地裝置接地電阻的真值，于是，后三項互電阻（R23－ R12－R13）就為測量誤差：
（8）
從式（7）和（8）可知，測量誤差由三個互電阻構成，而互電阻又是由各電極的相對位置引起，取決于各電極位置的布置。正確的電極位置的布置應使
（9）
則測量誤差就可等于或接近于零。
        如果電極周圍土壤電阻率是均勻的，兩個極的互電阻與土壤電阻率成正比，而與兩電極間的距離成反比：
（10）
（11）
（12）
式中，ρ——電極周圍土壤電阻率；
α＝d12／d13；
d12、d13和d23分別為接地裝置與電壓極、接地裝置與電流極和電壓極與電流極之間的距離。
將式（10）、（11）和（13）代入（9），得：

此方程有兩個解，舍去無意義的負數(shù)解，最后得：α = 0.618。
即是說，為了使測量誤差等于零，應將輔助電壓極打在距接地裝置邊緣的距離為0.618d13的地方。此法稱0.618布極測量法，或補償法。實際上，由于現(xiàn)場各種原因的影響，很難保證電壓極打在這個準確的位置。再考慮d13受現(xiàn)場選擇的條件，可計算出在不同測量允許誤差和d13的情況下，α的具體范圍如表1所示。
從表1可見，d13的距離越短，即電流輔助極的位置越近，保證測量準確度所要求的α的區(qū)間越小，電壓輔助極的準確位置越難掌握。

允許測量誤差δ
% 下列d13距離下的α值范圍
5D 3D 2D
5 0.56～0.67 0.59～0.65 0.59～0.63
10 0.50～0.71 0.55～0.68 0.58～0.66

注：D為接地裝置最大對角長度。

4.3 三極直線法電壓極位置的調整
       上面介紹了準確測量接地電阻要求的三電極的布置，表1所列α的范圍就是測量時布置電壓極的位置�？墒窃趯嶋H現(xiàn)場條件下測量地區(qū)的土壤電阻率不一定都是均勻的，由于各種溝道、巖石以及在地下還可能有各種金屬管道，它們都將影響電流場的分布，給測量結果帶來誤差。

       在具體測量中電壓極位置的調整就是零電位準確位置的尋找。
       通常是采用試探法找尋大地零電位點的準確位置。其方法就是在三極連成的直線上，在比表1所列α的范圍稍大的區(qū)域內，例如（0.5～0.7） d13范圍內，以d13的3%為間距，連續(xù)打打5～7個電壓輔助極，進行5～7個點的測量。在具體操作上，可以打一點測一點，拔起電壓極再打下一點位，測下一個數(shù)據。對于電壓極的每一個點位，可以測得一個接地電阻值。

4.4 接地電阻測試結果的判斷
        以接地電阻為縱坐標，以距離為橫坐標，將測得的幾個接地電阻值描繪在一張坐標圖上，形成一條接地電阻的曲線。如果其中有至少三個電阻值的連線趨勢走平，那這個位置對應的接地電阻值就是其準確值。不繪圖也可直接判斷，在所有測得值中，如果有三個以上電阻值之間相對誤差小于3%時，就取這幾個值的平均值為最后的測量結果。
 
5、 接地電阻測量之三極三角形法
        在某些情況下，在測量大型接地網的接地電阻時，由于地形的限制，很難將電流極打到（3～5）D遠的地方。為縮短電流極的距離，可采用三角形法測量接地電阻。

       三角形法是將輔助電壓極與輔助電流極以夾角q向兩個方向布置，接地裝置、電壓極與電流極三點呈等腰三角形，如圖3 所示。由于d12=d13，所以R12=R13，將此關系代入式（9），得：
R23=2R13
因此，
由此計算出等腰三角形的頂角θ= 29°。
經理論計算和實測表明，當d12=d13 ≥ 2D，θ= 30°時，測量誤差δ≈±10%。

6、 現(xiàn)場接地電阻測量經驗點滴
6.1、錯誤的測試操作
      根據筆者觀查，在測量接地電阻方面常出現(xiàn)的不正確操作有以下幾種。

（1） 電流極和電壓極打在接地網以內
      筆者曾到一個大型工廠講課，在講課之前訪問了工廠電氣試驗班，參看了試驗人員所做的避雷針接地電阻的試驗報告。該廠電氣試驗負責人向我介紹，他們買了一塊新的接地電阻測試表，日立Kyoritsu 4150A型，用它測量接地電阻又快又準。這種儀表自帶的電流、電壓輔助極導線分別只有25m和15m，由于導線短，測試工作量不大，測試結果變化不大，很“準確”。他還說，他們近幾年都這么測量，從來沒有出現(xiàn)過任何問題。我看到，幾頁紙的試驗報告，幾十根避雷針的測點的接地電阻結果都是0.2歐左右。我告訴他們，不是你們工廠的避雷針沒問題，而是你們的測量方法有問題。你們的所謂測量結果根本不是避雷針的接地電阻，只能是避雷針與工廠接地網之間的連接電阻。因為你們測量時打的電流、電壓輔助極都位于工廠接地網之內，還沒有超出接地網的范圍。測量電流只在接地網內流，還沒有流入周圍土壤中。沒有掌握正確的測量方法，不單是測不準的問題，而是測得的根本就不是接地電阻。所測的只能是避雷針與接地網之間的連接地電阻。

（2） 不管接地網大小，都按40m和20m測量
        不少人在測量接地電阻時不問接地網的大小，都按接地儀器儀表的說明書操作。儀表所帶電流極和電壓極的導線分別只有40m和20m，所打電流極和電壓極也只有40m和20m遠。

        對于接地裝置對角尺寸不大于10m的小接地網，電流極和電壓極采用40m和20m是可以的。但對于大型接地網，測量誤差就大了。

（3） 缺乏尋找零電位的操作
        不少測量者只采用電壓極的一個位置，測量一個接地電阻的數(shù)值，就完事大吉。他們沒有通過電壓極的移動來尋找零電位，所得結果是否正確，有多大誤差，他們自己也不知道。

6.2、如何降低輔助電流極本身的接地電阻
       如果輔助電流極本身的接地電阻太大，在一定的測量電壓下，測量電流就很小，不僅影響測量靈敏度，而且測量誤差也大。有時甚至測量儀器或儀表都沒有反映，測不出結果來。

        減小電流極接地電阻的方法有：加大接地極直徑，增加長度，用多根電流極并聯(lián)，給電流極周圍注水，注鹽水，降低它的接地電阻。
 
        如果電流極周圍有樹，可巧妙地利用樹當做電流極：將多根樹的樹皮輕輕削開一點，用裸銅線纏繞，并聯(lián)起來，再與電流極并聯(lián)，就組成了一個輔助電流極系統(tǒng)。在某些特殊場合，這種方法即省事又管用。

6.3、多種土壤電阻率地區(qū)的經驗
        當測量地區(qū)的土壤電阻率不均勻時，會影響零電位參考點的位置的尋找。如果主要土壤的電阻率為ρ1，當接地網與電壓極之間存在一條高土壤電阻率ρ2的地層，ρ2>ρ1，例如凹陷的干涸溝道河床，零電位點距接地網的距離要小于0.618d13。隨著ρ2/ρ1比值的增大，零電位點越靠近接地網。

        當電壓極與電流極之間有一條高土壤率的地層時，則零電位點的位置會比0.618d13大。隨著ρ2/ρ1比值的增大，零電位點離接地裝置越遠。

       當測量地區(qū)的土壤為兩層結構時，即有兩種不相同的土壤電阻率時，應適當加大電流極的距離。

6.4、水泥地不能打測量電極時
       如果在城市地區(qū)周圍都是水泥地難于打輔助電流極或電壓極時，可用25×25cm2鋼板放在水泥地上，澆上鹽水，代替測量電極，一般情況下就可進行測量了。

7、 小結
（1） 在任何情況下，接地電阻都是可測的，只要掌握了正確的測量方法，也是能測準的。
（2） 要準確測量接地電阻，輔助電流極距被測接地裝置的距離d13不能太小，至少應大于接地裝置最大對角尺寸的3倍以上。電壓極的位置在0.618d13處，但測量時應前后移動電壓極5～7個點位，測得5～7個接地電阻的數(shù)值，選擇其中至少三個相互誤差小于3%的數(shù)據，取其平均值為最后的測量結果。
（3） 大型接地裝置（網）接地電阻的測量是比較困難一些，但不是不可測。那種遇到困難就放棄測量，甚至提出“廢棄接地電阻”的思想是因膩廢食的懶漢思想

發(fā)布時間:2011-7-21 訪問次數(shù):6197