鉗形接地電阻測試儀在防雷檢測中的應用分析

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

隨著現代化快速發展，高層或超高層建筑數量在逐年增加，大規模的集成電路更新換代日益頻繁。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下降趨勢。雷電已被聯合國公認為十大自然災害之一，也是目前中國十大自然災害之一，具有偶發性、強破壞性等特點。全世界平均每分鐘發生雷暴2000 次，造成大量的森林火災、油庫等易燃易爆場所燃燒和爆炸、通信和信息系統崩潰、電力系統癱瘓及人員傷亡等。全球氣候變暖，極端天氣頻發，雷雨季節雷擊事故逐年增多。加強雷擊災害防范直接關系到生產發展和生命安全。隨著人們對雷電危害性的認知不斷加強，防雷檢測業務開展的領域也在逐年拓寬。我國相關行業要求密集型建筑、易燃易爆場所需要定期進行防雷檢測，檢測業務量大，傳統檢測方法費時費力。高層建筑大多數位于市區，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，很容易出現觸摸高壓線、墜落砸傷人員、中途盲區阻隔等現象，所以傳統防雷檢測方法局限性大。

目前，國內不少學者對鉗形接地電阻測試儀的應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用”一文分析了其原理，總結了ETCR2000 型鉗形接地電阻測試儀測試接地電阻的優點和缺陷；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置測量電極的新測試方法，能很好地適應高鐵貫通地線的環境，減小了測試工作量，找出了測試值變化的規律。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，為防雷檢測業務工作提供參考[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：一個是儀器信號發生的磁芯線圈，發出交流電壓信號E；另一個是信號接收磁芯線圈，電流測量I，由信號源E 發出激勵信號，感應線圈接收電流I，構成閉合回路，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 處都未設置斷接卡。采用傳統的三級法測量，由于傳統方法受到測試電極距離、周圍環境、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）筑物的整體接地電阻與各自獨立接地極的單體電阻的關系為R=R1+（R2//R3//R4），而（R2//R3//R4）阻值很小，可以忽略不計，所以R≈R1。

測量當地的土壤電阻率，通過《建筑物防雷設計規范》（GB 50057-2010）[3]附錄一中關于工頻電阻與沖擊電阻的轉化，得到最終檢測數據。

3.2 多組共用接地極

現代建筑大多數都是利用建筑物基礎作為自然接地體，引下線利用構造柱內的鋼筋，鋼筋都隱蔽在混凝土內，一般在屋面部分預留引下線端子，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，輔助構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，用鉗形表測量讀數為R2；

第三步，將Rc和RA連接起來，用鉗形表測量讀數為R3（如圖4）。

圖4 三點法（鉗形法）

上述每一步所測得的讀數都是兩個接地電阻的串聯值。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 傳統測試儀與鉗形測試儀檢測數據對比分析

3.4.1 兩種測試方法在易燃易爆場所的應用對比分析

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。經過現場測量，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，兩者檢測數據數如表1所示。將CA6416 檢測數據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 數據可以看出CA6416檢測數據具有可靠性。

表1 MI2126與CA6416檢測數據（單位：Ω）

圖5 中石化六安前進路加油站平面圖

圖6 某小區高層建筑平面圖

3.4.2 兩種測試方法在高層建筑檢測中的應用對比分析

傳統方法在高層建筑防雷檢測中受環境因素影響較大。

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，現代住宅、商業區基本都在城鎮，周邊都是混凝土，傳統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的一棟高層建筑同一位置進行檢測，逐一進行數據對比分析。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 可以直接讀取數據，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據略小于CA6416 的測試結果，誤差控制在0.03Ω 以內，檢測點1：MI2126 的測量結果是0.89，CA6416 的測試結果是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，不影響最終結果的判定。

表2 MI2126與CA6416檢測數據對比表（單位：Ω）

4 結語

防雷設施檢測涉及類型多、范圍廣、環境復雜[6-7]，如何選擇最優測試方法，需要因地制宜進行綜合防雷設施類型分析。結合筆者實踐經驗，現將成熟用于鉗形電阻測試儀的情景總結如下：

①屋面接閃帶、側擊雷、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域為水泥路面；

③防雷設施周邊有裙樓、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施。

隨著城市現代化的快速發展，建筑的數量和高度也在與日俱增，辦公信息化設備也在不斷地更新換代。超大規模的集成電路應用，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，防雷設施檢測呈現幾何倍的增長，這對檢測人員提出了新的挑戰，鉗形電阻測試儀的使用既避免傳統測試法因電極位置分布、環境因素的帶來限制，又大幅壓縮了防雷檢測業務人員的工作量，節約了檢測時間，提高了檢測的效率[8-9]。