淺論防雷接地電阻值的檢測

周國軍,黃玲霞,周維才,周正明,江 波

(湖南省湘西自治州氣象局,湖南 吉首 416000)

淺論防雷接地電阻值的檢測

周國軍,黃玲霞,周維才,周正明,江 波

(湖南省湘西自治州氣象局,湖南 吉首 416000)

在防雷檢測實際工作當中,經常出現的接地電阻值讀數偏大、偏小、甚至出現檢測值為負值等不穩定的情況,該文通過分析各種接地電阻的檢測方法、測試儀的工作原理及使用范圍,結合工作實踐經驗,分析造成接地電阻測量值偏離真值的常見原因,淺論避免或減小接地電阻值偏離真值的方法。

雷;接地電阻值;檢測

1 前言

在綜合防雷系統工程中,無論是接閃器還是防雷電感應的電涌保護器 (SPD),都要進行最重要的一環——防雷接地 (現代建筑物中防雷接地、保護接地、工作接地、防靜電接地等多為聯合接地)。防雷接地系統做得好壞,對于整個防雷系統的安全可靠運行,保障設備和人身的安全具有重要意義。接地電阻是接地系統的主要技術參數,是衡量防雷裝置工程質量的重要指標,理論上是接地電阻越小,泄流越快,落雷物體高電位保持時間就越短,以至于對電氣安全的干擾時間就越短、幅值越小,跨步電壓和接觸電壓也越小,相對來說防雷接地系統效果就越好。

接地電阻的測量是檢驗接地系統接地效果的重要措施。而在日常的實際防雷檢測工作當中,經常出現的接地電阻值讀數偏大、偏小、甚至出現檢測值為負值等不穩定的情況,本文就針對這些情況,對接地電阻值的的準確性問題作一些探討。

2 接地電阻的定義

接地電阻實質上是電流由接地裝置流入大地再經大地流向另一接地體或向遠處擴散所遇到的電阻,它包括接地線和接地體本身的電阻、接地體與大地的電阻之間的接觸電阻以及兩接地體之間大地的電阻或接地體到無限大遠處的大地電阻。

接地電阻有沖擊接地電阻和工頻接地電阻之分。沖擊接地電阻是按通過接地體的電流為沖擊電流時求得的接地電阻值,它對通過雷電電流時的情況下很有研究價值;而工頻接地電阻是按通過接地體的電流為工頻電流時求得的接地電阻。

在我們日常工作中所測得的接地電阻值數值是工頻接地電阻值,故一般在不指明是哪一種接地電阻時,接地電阻均指工頻接地電阻而言。為了便于衡量其接地電阻是否符合規程要求,可以通過計算公式轉換。

式中：R——接地裝置各支線的長度取值小于或等于接地體的有效長度le或者有支線大于le而取其等于le時的工頻接地電阻 (Ω);A——換算系數,其數值宜按圖 1確定;Ri——所要求的接地裝置沖擊接地電阻 (Ω)。

3 接地電阻的測量方法

3.1 三極法和四極法

接地裝置的工頻接地電阻值測量常用三極法(三線法)和四極法。

3.1.1 三極法 三極法也稱三線法,具體如下：三極法的三極是指圖 1上的被測接地裝置G,測量用的電壓極P和電流極C。圖中測量用的電流極C和電壓極P離被測接地裝置G邊緣的距離為dGC=(4

圖 1 換算系數 A

把電壓表和電流表的指示值U0和Id代入式R=U0/Id得到被測接地裝置的工頻接地電阻R0G——被測接地裝置;P——測量用的電壓極;C——測量用的電流極;E——測量用的工頻電源;A——交流電流表;V——交流電壓表;D——被測接地裝置的最大對角線長度。

圖 2 三極法的電極布置圖 (a)和原理接線圖 (b)

3.1.2 四極法 四極法也稱四線法,基本上與三極法相同,只是測量時把測量儀接往接地裝置的兩極必須單獨用兩根線直接連接到被測地上。這種方法是在低接地電阻測量和消除測量電纜電阻對測量結果的影響時替代三極法,這是所有接地電阻測量方法中準確度最高的。

3.2 電壓電流表法

電壓電流表測量接地電阻法的電流輔助極是用來與被測接地電極構成電流回路,電壓輔助極是用來測得被測接地電位。采用該方法保證測量準確度的關鍵在于電流輔助極和電壓輔助極的位置要選擇適合。如在輔助電流極以前,電壓表已有讀數,說明存在外來干擾。

3.2.1 電壓電流三極直線法 電壓電流三極直線法是指電流極和電壓極沿直線布置,三極是：被測接地體、測量用電壓極和電流極,其原理接線與圖 2(a)一樣,這里不再重復。

3.2.2 電壓電流三極三角形法 電極如圖 3所示布置,一般取d2=d1≥2D,夾角約為 30°。測量步驟與電壓電流三極直線法相同。

4 幾種常用測量儀的原理、使用范圍

圖 3 電壓電流三級三角形法電極布置圖

接地電阻測量儀常用的大致可分為三類：手搖式地阻測量儀、數字式地阻測量儀、鉗形地阻測量儀。這幾種地阻儀的基本測量原理都是相同的,即：歐姆定律：R=U/I0但是,針對測試現場的紛繁復雜的情況,三種儀表的性能測試方法和適用范圍等卻相差很大,下面進行具體分析：

4.1 手搖式地阻測量儀

手搖式地阻表是一種較為傳統的測量儀表,它的基本原理是采用三點式電壓落差法。

手搖式地阻表的代表主要是國產 ZC-8系列的傳統“搖表”,其基本測量方法是：測量時應先將地網引線與負載斷開,然后在遠離地網對角線同一方向約 20m和 40m處各打一輔助地樁 (遠端為電流輔助極,近端為電壓輔助極),然后用導線將兩極與儀表相應接柱相連,地網引線也與儀表相應接柱相連,通過搖動儀表手柄來測量地阻。該類儀表及測試方法有以下缺點：由于兩個輔助地極線較長,在許多現場無法滿足;儀表精度很低,無法滿足高精度地阻值的測量;由于是手搖式發電,故測試時手柄搖動速率對測試結果影響很大。

4.2 數字式地阻測量儀

數字式接地電阻測量儀摒棄了傳統的人工手搖發電工作方式,采用先進的中大規模集成電路,應用DC/AC變換技術將三端鈕、四端鈕測量方式合并為一種機型的新型接地電阻測量儀。工作原理為由機內DC/AC變換器將直流變為交流的低頻恒流,經過輔助接地極和被測物組成回路,被測物上產生交流壓降,經輔助接地極送入交流放大器放大,再經過檢波送入表頭顯示。借助倍率開關,一般可得到幾個不同的量限：0～1Ω,0～10Ω,0～100Ω,0～1 000Ω等。

其代表主要有BY2571接地電阻儀和日本共立的 4102A、4105A等。這些表電路上為防止工頻、射頻干擾采用鎖相環同步跟蹤檢波方式并配以開關電容濾波器,使儀表有一定的抗干擾能力,采用的DC/AC變換技術將直流變為交流的低頻恒定電流更便于測量,允許輔助接地電阻在幾個檔位之間切化,測量結果影響較小。

4.3 鉗形地阻測量儀

鉗形地阻測量儀的測量原理是：鉗形接地電阻測試儀鉗口內有兩個獨立線圈,一個產生交流電壓U,另一個用于測試回路電流I,測試框圖如圖 4。鉗住地線,接通電源后,可測得回路總電阻 R總：

式中：RX——被測接地體接地電阻值;RZ——輔助測試電極接地電阻值。假如知道輔助測試電極接地電阻值 RZ,就可算出被測接地體接地電阻RX=R總-RZ。若RZ≤RX,則RX≈R總。

圖 4 鉗形接地電阻測試儀測量原理圖

從測量原理可知,測量時必須要有一個供電流流過的有效的閉合回路,才能根據歐姆定律測出被測接地體接地電阻值。閉合回路包括被測接地體,輔助測試電極及鉗形表的交流電壓發生器和電流表。實際上,該表測出的是整個回路的阻抗,而不是電阻,在分布式的多點接地系統中,通常情況下他們相差極小,該阻值近似于我們要測的接地網的地阻。不過也因該表測出的是整個回路的阻抗,而不是電阻,故在單點接地系統中和對于已埋設好而尚未與設備連接的開路接地網中,該表所測數值與正常的接地電阻值相差就比較大了,其地阻就不能用該儀表進行測量。

鉗形地阻表是一種新穎的測量工具,它方便、快捷,外形酷似鉗形電流表,受周圍環境限制較小,在測試時可使用一定頻率的信號以排除干擾,以對在用設備的地阻進行在線測量,而不需切斷設備電源或斷開地線,而且測試時不需輔助測試極,極大的方便了地阻測量工作。不過因該表測出的是整個回路的阻抗,而不是電阻,故在單點接地系統中和對于已埋設好而尚未與設備連接的開路接地網中,該表所測數值與正常的接地電阻值相差比較大 (基本上是偏高),其地阻就不能用該儀表進行測量。

5 造成接地電阻真值偏離的主要原因和避免的方法

5.1 造成接地電阻真值偏離的主要原因

檢測時的天氣的影響;選擇使用的儀器的影響;選擇使用的檢測方法的影響;檢測環境的影響;檢測人員的操作的影響。

5.2 避免或減小接地電阻值偏離真值的方法

①應在非雨天和土壤未凍結時檢測接地電阻值,天氣氣候條件應能保證正常檢測。

②檢測儀器應在檢定合格有效使用期內使用;測量和測試儀器應符合國家計量法規的規定,檢測儀器見《建筑物防雷裝置檢測技術規范》GB/T 21431—2008附錄 E(資料性附錄)。并且應根據實際檢測對象的接地方式選定檢測儀器：在檢測時應注意所測地網是否單點接地,被測地線是否已與設備連接,有無可靠的接地回路,如果是開路接地樁,就不能用鉗型地阻測量儀進行測量;應就應選用手搖式和數字式地阻測量儀。

③應根據實際檢測對象對接地電阻的要求精確度來選定檢測方法。一般情況可使用三極法,但在接地電阻精確度要求較高 (如≤1Ω的情況)的地方必須采用四極法,而且也進行方位、多點測試。

④檢測環境對接地電阻的影響較大,在檢測時,應注意：檢測時,接地電阻測試儀的接地引線和其他導線應避開高、低壓供電線路,以免干擾和造成危險;當地網帶電影響檢測時,應查明地網帶電原因,在解決帶電問題之后測量,或改變檢測位置進行測量;諾在測量過程中由于雜散電流、工頻漏流、高頻干擾等因素,使接地電阻表出現讀數不穩定時,可將測試儀與地網測試點的連線改成屏蔽線(屏蔽層下端應單獨接地),或選用能夠改變測試頻率、采用具有選頻放大器或窄帶濾波器的接地電阻表檢測,以提高其抗干擾的能力;按 DL475-92《接地裝置工頻物性參數的測量導則》規定,當大型接地裝置如 110kV以上變電所接地網,或地網對角線D≥60m需要采用大電流測量,施加電流極上的工頻電流應≥30A,以排除干擾減少誤差;在測試時,當建筑物周邊為巖石或水泥地面而無法打樁 (電極)時,可將電壓、電流極與平鋪放置在地面上每塊面積不小于 250mm×250mm的鋼板連接,并用水潤濕后實施檢測。

⑤檢測人員的操作對接地電阻值的影響也非常大,在檢測中應注意：檢測儀的三極應在一條直線上且垂直于地網,應避免平行布置;測試儀與地網測試點的連接線長度宜小于 5m。當需要加長時,應將實測接地電阻值減去加長線阻值后填入表格(加長線線阻應用接地電表二極法測量)等。

6 結束語

防雷是一個系統工程,防雷裝置特別強調可靠性,合格的地網是有效防雷裝置的保證,而接地電阻是接地系統的主要技術參數,是衡量防雷裝置質量的重要指標,故接地電阻的準確測量是也顯得尤為重要。我們在工作當中應該根據實際檢測對象的接地方式選定檢測儀器和檢測方法及一些其他注意事項,以提高接地電阻測試的可信度。

＊注：本文在寫作過程中得到了湖南省防雷中心賈綻云主任的大力幫助和指導,在此特別表示感謝!

[1] GB/T.21431-2008.建筑物防雷裝置檢測技術規范[S].

[2] GB50057-1994.建筑物防雷設計規范[S].

[3] GB50343-2004.建筑物電子信息系統防雷技術規范[S].

[4] DL475-92.接地裝置工頻物性參數的測量導則[S].

T M866

B

1003-6598(2010)增刊-0190-04～5)D和dGP=(0.5～0.6)dGC,D為被測接地裝置的最大對角線長度,點P可以認為是處在實際的零電位區內。為了較準確地找到實際零電位區時,可把電壓極沿測量用電流極與被測接地裝置之間連接線方向移動 3次,每次移動的距離約為dGC的5%,測量電壓極P與接地裝置G之間的電壓。如果電壓表的 3次指示值之間的相對誤差不超過5%,則可以把中間位置作為測量用電壓極的位置。

2010-09-10

周國軍 (1980-),男 (苗族),助工,主要從事氣象防雷減災工作。