第十三章 接地装置试验.docx
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第十三章接地装置试验
第十三章接地装置试验
第一节土壤电阻率测试
土壤电阻率是接地工程的重要参数，我们在设计、计算接地装置时应首先测量当地的土壤电阻率，并搞清土壤率在地面水平各方向的变化以及垂直方向的变化规律，以使用最小的投资达到最理想的设计结果。
一、三极法测量土壤电阻率（工程实际中很少采用）
在需要测土壤电阻率的地方，埋入几何尺寸为己知的接地体，按电压电流法测出接地体的接地电阻。
测量采用的接地体为一根长3m,直径50mm的钢管；或长3m,直径25mm的圆钢；或长10-15m,40mm×4mm的扁钢，其理入深度0.7-1.0m。
采用垂直打入土中的圆钢，测量接地电阻时，电压极距电流极和被测接地体20m远即可。
测得接地电阻后，由下式即可算出该处土壤电阻率。
即
（15-1）
式中
——土壤电阻率，
·m;
——钢管或圆钢埋入土壤的深度，m;
d——钢管或圆钢的外径m；
Rg——接地体的实测电阻，
。
用扁钢作水平接地体时，土壤的电阻率按下式计算，即
（15-2）
式中
——土壤电阻率，
·m;
L——接地体的总长度，m;
h——扁钢中心线离地面的距离，m;
b——扁钢宽度，m;
Rg——水平接地体的实测电阻，
。
用三极法侧量土壤电阻率时，接地体附近的土壤起着决定性作用，所测的土壤电阻率，在很大程度上仅反映了接地体附近的土壤电阻率。
所测得的接地电阻Rg中，还包括了接触电阻在内，从而引起较大误差。
此外，由于地的层状或剖面结构，用上述方法换算出来的等值电阻率，只能是对应于被测接地体的尺寸和埋设状况的地的等值电阻率。
这个等值电阻率对于不同类型和尺寸的接地体来说，差别是很大的，因而这种方法在工程实际中很少采用。
二、四极法测量土壤电阻率
采用四级法测量土壤电阻率时，其接线如图15-1所示。
图15-1四极法测地壤电阻率的试验接线图
由外侧电极C1、C2通入电流I，若电极的埋深为
，电极间的距离为a
，则C1、C2电极使P1、P2上出现的电压分别为
（15-3）
（15-4）
而两极间的电位差为
（15-5）
因此
（15-6）
式中
——土壤电阻率，
·m;
a——电极间的距离，m;
U——P1、P2点的实测电压，V；
Rg——实测土壤电阻，
。
由式（15-6）可知，当a己知时，测量P1、P2两极间的电压和流过的电流，即可算出土壤的电阻率。
Ø四极法测得的土壤电阻率，与电极间的距离a有关，当a不大时所测得的电阻率，仅为大地表层的电阻率，其反映的深度随a的增大而增加。
一般测得的
值是反映0.75a深处的数值。
Ø具有四个端头的接地电阻测量仪，均可用于四极法测量土壤的电阻率。
Ø用四极法测量土壤电阻率时，电极可用四根直径2cm左右，长0.5-1.0m的圆钢或钢管作电极，考虑到接地装置的实际散流效应，极间距离可选取20m左右，埋深应小于极间距离的
。
测量变电所的
值时，应取3-4点以上测量数的平均值作为测量值。
用以上方法测出的土壤电阻率，不一定是一年中的最大值，所以应按下式进行校正。
（15-7）
式中
max——土壤最大电阻率，
·m;
——考虑到土壤干燥的季节系数，其值如表15-1所示，测量时如大地比较干燥，则取表中的较小值，比潮湿时，则取较大值：
表15-1季节系数的选取范围表
埋深/m
水平接地体
长2-3m垂直接地体
埋深/m
水平接地体
长2-3m垂直接地体
0.5
1.4-1.8
1.2-1.4
2.5-3.0
1.0-1.1
1.0-1.1
0.8-1
1.25-1.45
1.15-1.3
注：
测量时，如果土壤比较干燥，计算时采用表中较小的
值；土壤比较潮湿，则采用较大
值。
——实测土壤电阻率，
·m;
Ø用四极法测量时有以下注意事项：
（1）对于已运行的变电所测土壤电阻率时，因电流要受到地中水平接地体的影响，因而测量时要找土质相同的远离接地网的地方进行。
（2）为了全面的了解电阻率的水平方向的分布情况，要在被测试的范围内找不同的4-6点进行测量。
（3）为了了解土壤的分层情况，应改变几种不同的a值进行测量，比如a=10、20、30、50m等。
（4）测土壤电阻率时尽量避开地下的管道等，以免影响测试结果。
（5）不要在雨后土壤较湿时测土壤电阻率。
第二节工频接地电阻试验
一、测量接地电阻的基本原理
根据接地电阻的意义，接地电阻是电流I经接地体流入大地时接地电位U和I的比值。
因此，为了测量接地电阻，首先在接地体上注入一定的电流。
如图15-2所示。
为简化计算，设接地体为半球形，在距球心X处的球面上的电流密度为
J=
（15-8）
式中J——距球心为X处的球面上电流密度,A/m2；
I——接地体入地的电流；
X——距球心的距离。
图15-2三极法测量接地电阻的试验接线
我们知道，电场强度E=
，ρ为土壤电阻率而电场中任意两点间的电位差，等于电场强度在两点之间的线积分。
设无穷无远处的电位为零，所以距离接地体球心x（x，rg）处所具有的电压为
（15-9）
由式（15-9）可知，电极1、2、之间出现的电位差为
（15-10）
电极3使1、2、之间出现的电位差为
（15-11）
1、2电极之间的总电位等于U’与U”之和，即
（15-12）
因此1、2极之间呈现的电阻Rg为
（15-13）
接地体1的接地电阻实际值为
R=
（15-14）
式中R——接地体的实际电阻；
rg——接地体的半径；
要使测量的接地电阻Rg，等于接地体的实际接地电阻R，就必须使式（15-13）和式（15-14）两式相等，即
（15-15）
令d12=d13,d23=（1-a）d13,代入式（15-15）得
而a2+a-1=0
解得a=0.618
Ø当接地体为半球形，球形中心位已知，土壤的电阻率一致，镜像的影响忽略不计的情况下，电压极放在电流与被测接地体两者之间，距接地体0.618d13处，即可测得接地体的真实接地电阻值，此方法称为0.618法或补偿法。
但实际情况与此有出入，如接地体几乎没有半球形，大多数为管状、带状以及由管带形成的接地网。
测量结果的差别程度随极间距离d13的减小而增大。
但不论接地体的形状如何，其等位面距其中心越远，其形状就越接近半球形，并在论证一个电极作用时，忽略了另一个电极的存在，也只在极距d13足够大的情况下才真实。
Ø实际的地网基本上是网格状，它介于圆盘和圆环两者之间，用上述论证方法，可以证明当接地体的圆盘（圆盘半径为r），电极布置采用补偿法时，其测量误差
为
（15-16）
将不同的d13代入式（15-13）可求得相应的测量误差，如表15-2所示，表中D为圆盘直径。
表15-2采用不同电极距离测量圆盘接地体接地电阻
电极距离d13
5D
4D
3D
2D
D
误差
（%）
-0.057
-0.089
-0.216
-0.826
-8.2
由表15-2看出，用2D补偿法测量圆盘接地体的接地电阻时，其误差比较小（小于1%）。
Ø如果地网是环形接地体，同理可证明，若采用补偿法，当接地导体的直径d=8mm，地网半径r=40m时，取不同的d13值，其相应的测量误差
，按式15-16计算的结果如表15-3所示。
表15-3用不同电极距离（d13）测量圆环接地体接地电阻误差
（%）
D13
5D
4D
3D
2D
（%）
-0.0322
-0.0595
-0.138
-0.498
由表15-3看出，用2D（为圆环直径）补偿法测量圆环接地体的接地电阻时，其误差亦小于1%。
所以对于实际的接地网，用2D补偿法测量接地电阻的误差均在1%以下。
此时测量电极的布置是电流极距离地网中心d13=2D，电压极距地网中心是d12=0.618d13=1.235D。
DL475—92《接地装置工频特性参数的测量导则》规定：
当被测接地装置的面积较大而土壤电阻率不均匀时，为了得到较为可信的测试结果，建议把电流极离被测接地装置的距离增大，例如增大到10km，同时，电压极离被测接地装置的距离也相应增大。
Ø如果在测量工频接地电阻时，d13取（4-5）D值有困难，那么当接地装置周围的土壤电阻率较均匀时，d13可以取2D值，d12取D值；当接地装置周围的土壤电阻不均匀时，d13可以取3D值，d12取1.7D值。
二、测量方法及接线
测量接地电阻的方法最常用的有电压、电流法，比率计法和电桥法。
对大型接地装置如110kV及以上变电所接地网，或地网对角线D≥60m的地网不能采用比率计法和电桥法，而应采用电压、电流表法，且施加的电流要达到一定值，测量导则要求不宜小于30A。
（一）电压、电流法
采用电压、电流法测量接地电阻的试验接线如图15-3所示。
这是一种常用的方法。
施加电源后，同时读取电流表和电压表值，并按下式计算接地电阻，即
（15-17）
式中Rs——接地电阻，Ω；
U——实测电压，V；
I——实测电流，A。
图15-3电压电流法测接地电阻的试验接线
T1-隔离变压器；T2-变压器；1-接地网；
2-电压极；3-电流极
图15-3中，隔离变压器T1可使用发电厂或变电所的厂用变或所用变50-200KV，把二次侧的中性点和接地解开，专作提供试验电源用；调压器T2可使用50-200KVA的移圈式或其它形式的调压器；电压表PV要求准确级不低于1.0级，电压表的输入阻抗不小于100kΩ，最好用的分辨率不大于1%的数字电压表（满量程约为50V）；电流表PA准确级不低于1.0级。
1、电极为直线布置
发电厂和变电所接地网接地电阻采用直线布置三极时，其电极布置和电位分布如图15-4所示，其原理接线如图15-5所示。
图15-4测量工频地装置的直线三极法电极和电位分布示意图
直线三极法是指电流极和电压极沿直线布置，三极是指被测接地体1、测量用的电压极2和测量用的电流极3。
一般，d13=（4～5）D，d12=（0.5～0.6）d13，D为被测接地装置最大对角线的长度，点2可以认为是处在实际的零电位区内。
实验步骤如下：
（1）按图15-3接好试验接线，并检查无误。
（2）用调压器升压，并记录相对应的电压和电流值，直之升到预定值，比如60A，并记录对应的电压值。
（3）将电压极2沿接地体和电流极方向前后移动三次，每次移动的距离为d13的5%左右，重复以上试验；三次测得的接地电阻值的差值小于5%时即可。
然后三个数的算术平均值，作为接地体的接地电阻。
如令
，取
时，
时，分别测得接地体的接地电阻为
Rg1、Rg2、Rg3、,则接地体的接地电阻Rg为
Rg=2.16Rg1-1.9Rg2+0.73Rg3（15-18）
图15-5三极法的原理接线图
如果d13取4-5D有困难时，在土壤电阻率较为均匀的地区可取d13=2D,d12=1.2D;土壤电阻率不均匀的地区可取d13=3D,d12=1.7D。
2、电极为三角形的布置
电极三角形布置示意图如图15-6所示。
此时，一般取d12=d13≥2D，夹角
图15-6电极三角形布置图
1-接地体；2-电压极；3-电流极
Ø测量大型接地体的接地电阻时，宜用电压、电流表达、电极采用三角形布置。
因为它与直线法比较有下列优点：
1）可以减小引线间互感的影响；
2）在不均匀土壤中，当d13=2D时，用三角形法的测量结果，相当于d13=3D直线法的测量结果；
3）三角形法，电压极附近的电位变化较缓，从29℃到60°的电位变化相当于直线法从0.618d13到0.5d13的电位变化。
接地电阻Rg为
（15-19）
式中U12——电压极与被测接地装置之间的电压；
I——通过接地装置流入地中的测试电流；
a——被测接地装置的等效球半径；
d12——电压极和被测接地装置的等效中心距离；
d13——电流极和被测接地装置的等效中心距离；
——电流极和接地装置等效中心的连线与电流极和接地装置等效中心的连接线之间的夹角，一般取d12
d13
2D,
=30°。
3、测量工频接地电阻
Ø当被测接地装置的对角线较长，或在某些地区（山区或城区）按要求布置电流极和电压极有困难时，可以利用变电所的一回输电线的两相导线作为电流线和电压线。
由于两相导线即电压线与电流线之间的距离较小，电压线与电流线之间的互感会引起测量误差。
这时可用四极补偿法进行测量。
图15-7是消除电压线和电流线之间的互感影响的四极法的原理接线图。
图15-7的四极是指被测接地装置1、测量用的电压极2、电流极3以及辅助电极4。
辅助电极4离被测接地装置边缘的距离d14=30-100m，用高输入阻抗电压表测量1、2，1、4和2、4之间的电压。
电压U12、U14和U24以及通过接地装置流入地中的电流I，得到被测接地装置的工频接地电阻。
图15-7四极法测量工频接地电阻的原理接线图
1-被测接地装置；2-测量有电压极；3-测量有电流极；4-辅助电极
Rg=
（15-20）
式中U12——被测接地装置1和电压极2之间的电压；
U14——被测接地装置1和辅助极4之间的电压；
U24——电压极2和辅助极4之间的电压；
I——通进接地装置流入地中的试验电流。
同时为了减少电压线和电流线之间互感的影响，可使用架空线的一相作电流线，另外再从地面放一根电压测试线，两根丝沿同一方向布线，但应间距一定的距离，最好能大于10m。
在试验中如遇到升电流有困难时，应检查架空线路的导线接头是否接触好，接触电阻是否过大，电流极和电压极的接地是否可靠，如发现电流极和电压极的接地不可靠，应在测试时对电流极和电压极四周加盐水处理。
如我们有一次在做一水电厂的接地电阻测试时，调压器调到满量程却升不起电流，最后检查是由于试验时所用的35kV架空线路导线弓子接头长期失修、氧化，使接头处电阻过大所致，经处理后电流才会升到预定值。
4．测量注意事项
（1）试验时用交流电源测量接地电阻时，应采用独立电源，通常单独的所用变压器，并把中性点和接地点打开，以防分流引出误差，或升不起电流，也可使用1：
1的隔离变压器，其中性点接至被测接地体，相线接至电流极。
电压的高低根据电流回路阻抗和所需要升高的电流进行估算。
在满足测量要求的前提下，应尽量采用较低的电压。
（2）在许多变电所中，输电线路的架空地线是与变电所接地装置连接在一起的，这会影响变电所接地装置接地电阻的测量结果，因此，在测量时应把架空线路的避雷线与变电所接地装置连接断开。
（3）电流极处因要注入较大的电流，会对附近的人畜造成伤害，因此，在测量时要有专人临护。
（4）在试验时电流引线要流过较大的电流，因此，电流回路要有较大的导线截面。
（二）比率计法
图15-8比率计法的试验接线
1-接地体2-电压极；3-电流极；M-比率计
采用比率计法测量接地电阻的试验接线如图15-8所示。
比率计M指针的偏转与两个线圈流过的电流比成比例，事先将比率计的刻度由电阻值校准，测量时可以直接从刻度上读出接地电阻值。
如MC—07、MC—08型和L—8型比率计即是这种接线。
（三）电桥法（也称电位法）
图15-9电桥型接地电阻测量仪的原理接线
（a）接线方法一；（b）接线方法二
1-接地体；2-电压极；3-电流极；P检流计；S-开关；
Sa、Sb-滑动电阻调节手柄；T-试验变压器
如图15-9（a）所示电桥型接地电阻测量仪的桥路中，有两个不变的电阻r1和r2，一个具有两个滑动触头的电阻，可形成ra和rb两种电阻值。
在测量时需进行两次平衡。
电源电流通过两个并联支路，在一支路中有电阻r2，被测接地体1，大地和电压极。
另一支路中有r1和rao第一次平衡时，将检流计接到a侧，调节滑动触点Sa，使电桥得到平衡，即检流计（P）中电流为零。
此时，两支路中电流与电阻r1和r2成正反比即
（15-21）
然后将检流计接到b侧，调节滑动接点Sb，使电桥检流中心电流为零，电桥第二次平衡，这时1与2之间的电压降等于rb上的电压降。
即
I1（r1+rb）=I1（r2+Rg）
I1r1+I1rb=I2r2+I2Rg
因为I1r1＝I2r2（第一次平衡时得）
所以Rg=rb
（15-22）
式中Rg——接地电阻，
；
r1,r2——电桥中桥臂固定电阻，
；
rb——调节电阻；
从式（15-22）看出，利用电桥平衡原理制造的接地电阻测量仪，可以直接从刻盘上读取被测接地电阻，比较方便。
电桥法另一种常用的原理接线，如图15-9（b），所示。
调节滑线电阻r，使检流计（P）指针指零（或接近零）。
此时，I1Rg=l2r,接地电阻为
Rg=
在实际接地电阻测试中，取
，n为电桥倍率，于是得
Rg=nr（15-23）
式中Rg——接地电阻，
。
使用时，调节滑线电组r，使检测流计中的电流为零（或接近零），从刻度盘上取电阻值，乘以所选择的倍率n,即为被测的接地电阻值Rg。
常用的ZC-8、ZC-29、JD-1、L-9型等接地电阻测试仪，都属于这类接线。
三、消除干扰的措施
1、消除接地体上零序电流的干扰
发电厂、变电所的高压出线由于负载不平衡，接地体总有一些零序电流流过，这些电流流过接地装置时会在接地装置上产生电压降，给测量结果带来误差，常用如下措施进行消除。
（1）增加测试电流的数值，消除杂散电流对测量结果的影响。
我们知道接地电阻Rg=
即接地电阻等于接地装置上的电压降与电流的比值。
这个电压主要是试验时施加的测试电流产生的，但是如果地网中的零序电流较大，这个电流也会在接地装置上产生压从而降影响测试结果。
为了提高测试精度，最有效的办法是加大测试电流，以减小零序电流分量所占比例。
因此，DL475—92《接地装置工频特性参数的测量导则》规定：
“通过接地装置的测试电流大，接地装置中零序电流和干扰电压对测量结果的影响小，即工频接地电阻的实测值误差小。
为了减小工频接地电阻实测值的误差，通过接地装置的测试电流不宜小于30A”。
可见，加大测试电流的办法是减小零序电流干扰的最有效措施。
（2）测出干扰电压U’，估算干扰电流I’。
在使用电流电压法测量工频接地电阻时，在开始加压升流前，先测出接地装置的零序干扰电压U’，如图15-10所示。
按图接好线后，升压前先将S1断开，用电压表先测量零序干扰电压U＇12、U’14和U’24，然后按式（15-24）估算零序干扰电流的值
（15-24）
式中
——零序干扰电压，V；
——零序干扰电流，A；
——接地电阻估算值，
。
当零序干扰电流估出后，试验时所升的电流I=（15～20）I’，可使没量误差不大于5%-7%。
图15-10消除干扰测量结果影响的原理接线
（3）利用两次测量的结果，对数值进行校正，即先用电源正向升流侧出U1，然后将电源反向，测量另一组数据U2并测出干扰U’。
则
（15-25）
式中U——校正后的电压，V；
U1——电源反向前所测数值，V；
U2——电源反向后所测数值，V；
U’——电源断开后测得的零序干扰电压，V。
如果外界干扰电流的频率与测量电流的频率不同，其为谐波时，则U1=U2，此时，
（15-26）
（4）对每一个测点用三相电压轮流测量三次，然后按下式计算接地电阻，即
（15-27）
式中Rg——接地电阻，
；
Ua、Ub、Ue——分别用A、B、C三相电压时测得的电压值，V；
Ia、Ib、Ie——与Ua、Ub、Uc电压相应的测量电流，A；
U’、I’——干扰电压和电流。
（5）为了准确的找到“零电位”区，可求d13=（4-5）D,d12=（0.5-0.6）d13如d13取（4-5）D有困难，而接地装置周围的土壤电阻率又比较均匀，测量引线可适当缩短。
当采用电极直线法布置，允许测量误差为±5%时，电压极的允许范围是表15-4；
表15-4电极直线法布置误差±5%时电压极的允许范围
d13
5D
3D
2D
d12/d13
规定值
0.56-0.666
0.585-0.646
0.594-0.634
近似值
0．62±0.05
0.62±0.03
0.62±0.02
2、消除引线互感对测量的干扰
当采用电流电压法测量接地电阻时，因电压线和电流线要一起放很长的线距离，引线的互感就会对测量结果造成影响，为了消除引线互感影响，通常采用以下措施。
（1）采用三角形法布置电极，因三角形布置时，电压线和电流线相距的较远，互感也就小，不会造成大的影响。
（2）当采用停电的架空线路，直线布置电极时，可用一根架空线作为电流线，而电压线则要沿着地面布置，两者应相距5-10m。
（3）采用四极法可消除引线电感影响，另外还可采用电压、电流表法和功率表法测量。
四、对测量仪表和引线截面的要求
（1）电压表内，电压表与电压极相串联，其内阻对测量准确有影响，此时电压表的读数为
Uv=U-IvR2（15-28）
Iv=
（15-29）
解此两式得
（15-30）
式中Uv——电压表的读数，V；
U——电压表和接地体之间实际电压，V；
RV——电压表的内阻，
；
R2——电压极的电阻，
；
IV——通过电压表的电流，A。
由于RV存在，使得测出的电阻误差为
（15-31）
式中负号表示测出的接地电阻较实际值偏小。
从式（15-31）看出，如果要求由电压表内阻引起的误差小于3%时，则电压表的内阻应等于或大于电压极电阻50倍。
若RV小于R250倍，采用电磁或电动式电压表时，则应按下式校正，即
（15-32）
然后近下式计算接地电阻，即
（15-33）
式中Rg——接地电阻，
；
U——校正后的电压，V；
I——试验电流，A。
因此，电压表应采用高内阻的，如数字电压表、静电电压表等。
（2）表计准确级，测量接地电阻所用的电压表、电流表、电流互感器等的准确度应不低于0.5级。
（3）导线截面，测量时电压极引线的截面不应小于1.0-1.5mm2；电流极引线的截面由电流值的大小而定，选用以每平方毫米5A为宜，与被测接地体连接地导线电阻，应不大于接地电阻的2%-3%，并要求接地体的引线处需经除锈处理，接触良好，以避免测量误差。
第三节电位分布、跨步电压和接触电压试验
Ø当发生接地故障时，若出现过高的接触电压或跨步电压，可能发生危及人身安全的事故。
所以对电压在1000V以上的电气设备，应测量其接触电压和跨步电压。
在发电厂和变电所附近地区还应测量地面的电位分布。
Ø一般将距接地设备水平距离为0.8m处，及沿该设备外壳（或构架）垂直于地面的距离为1.8m的两点间的电压，称为接触电压，人体接触该两点时就要承受接触电压。
测量接触电压，即测量这两点之间的电压如图15-11所示。
Ø人的跨步约为0.8m,所以在接地体径向地面上水平距离为0.8m两点间的电压，称为跨步电压。
人体两脚接触该两点时，就要承受跨步电压。
测量电压分布和跨步电压，应该选择经常有人出入的地区进行。
距接地体最近处，其测量间距约为0.8m，测量点数可选5-7点，以后的间距可增大到5-10m,一般测
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