蔡炎峰1 邓战满1 胡晓辉2 苏仲铭3
（1.湖南省防雷中心；2.武汉康达电气有限公司；3.娄底市气象局）
【摘 要】从接地装置和接地电阻表的分类出发，详细介绍不同接地电阻表的原理、特点，探讨影响接地电阻测量的各种因素，特别是接地装置自身电感和测试引线电感对测试的影响，归纳总结出不同接地电阻表的适应性和使用注意事项。
1．引言
为保障人身及设备的安全，减小雷电及电力故障造成的损失，接地装置已被广泛使用于电力、铁路、通信、油气储运、建筑等各行业部门，安全防护的基础设施。对各种接地装置接地电阻的测试是防雷检测的一项重要工作。随着各种电气工程的密集程度和复杂程度不断提高，接地电阻测试的工作量和工作难度显著增加。
接地电阻测试一般使用接地电阻表。现在市场上接地电阻表种类繁多，型号、性能各异。有的表很轻巧，有的表体积大、笨重。测试放线有的可以很近，有的却要求很远。对检测人员来说，选择合适的接地电阻表对不同接地装置的接地电阻进行有效测试，需要检测人员对接地装置的区别，以及接地电阻表的原理和性能有更深的认识。比如，不同的接地装置如何分类？对接地电阻测试有何要求？各种接地电阻表原理上有何不同？适用于哪些场合？接地电阻测试常见问题有哪些？现场如何处理？等等。
本文从接地装置和接地电阻表的分类出发，详细介绍不同接地电阻表的原理、特点，探讨影响接地电阻测量的各种因素，特别是接地装置自身电感和测试引线电感对测试的影响，归纳总结出不同接地电阻表的适应性和使用注意事项。
2．接地装置（地网）的作用、分类及其接地电阻的测试
2.1 接地装置（地网）的作用和分类
电气设备的接地装置是一种有意导电连接，由于这种连接，可使电气设备接到大地或代替大地的某种较大的导电体。接地装置是电气系统中重要的电压参考点，同时也起到将雷击、故障电流扩散进入大地的目的。
随着电气系统越来越复杂，在一个特定区域内会有许多电气设备需要接地，比如在变电站、电厂中的变压器、开关等设备都需要接地。如果其中某一个设备遭受雷击或者出现故障，导致该设备的入地电压骤然升高，就会形成局部过电压，进而对临近设备造成危害。为了限制局部过电压对电气系统中其他设备的危害，通常将系统内的所有设备都接到一个公共的接地装置（地网）上，这样在遭受雷击或者发生故障时公共接地装置（地网）的地电位同时升高，设备间的过电压大幅降低，从而大大提高整个电气系统防止雷电流和故障电流冲击的能力。
过电压大小与入地电流和接地装置的接地电阻有关。入地电流一般难以控制，但从工程上可以尽量减小接地装置的接地电阻，从而降低过电压，而且要从设计、施工、和日常维护中保障接地装置的接地电阻值在一个理想的范围内。
接地装置可分为一般接地装置和大型接地装置。在DL/T 475-2006“接地装置特性参数测量导则”中提出大型接地装置为“110kV 及以上电压等级变电所的接地装置，装机容量在200MW以上的火电厂和水电厂的接地装置，或者等效面积在5000m2以上的接地装置” 【475】。大型接地装置对其接地电阻阻值要求比较严格，比如在DL/T 621-1997中要求此类接地装置的接地电阻通常要求不大于0.5Ω【621】。在大型接地装置描述范围之外的接地装置为一般接地装置，比如用于避雷针、杆塔、建筑物、加油站和一般供配电等场合的接地装置。一般接地装置的接地电阻要求比较宽。比如GB/T 21431-2008中，对独立接地体接地电阻通常要求不大于4-10Ω【21431】；在DL/T 621-1997中，架空线路杆塔保护接地的接地电阻只要求不大于30Ω即可【621】。可以看到，不同接地装置的接地电阻大小要求不同，主要取决于被保护对象承受雷电流、故障电流的能力。
2.2 接地装置（地网）接地电阻的测试
接地装置的接地电阻一般由三个部分组成，它们是：a、引线电阻（或阻抗）; b、接地导体和周围土壤的接触电阻；c、入地电流在土壤中的扩散电阻【】。
a项引线电阻（或阻抗），通常对于直流或低频电流其量值不大，可忽略不计。但对于脉冲或射频电流，由于导线存在电感，应作专门的考虑。b项接触电阻，只要电极和土壤紧密接触，占整个接地电阻的比例不大，所以不必特别考虑。c项扩散电阻，主要由电极周围土壤的电阻率所决定。它通常是接地电阻的主要部份。
接地电阻测量的基本方法是电位降法【475】，其原理如如图1所示：通过一个电流源将测试电流在离被测接地装置足够远的地方，即电流极C1，注入地下。测试电流通过大地从被测接地装置C2流回电流源。同时，在电流极C1与被测接地装置之间的一个位置布置一个电压取样点，即电压极P1，用电压表测量电压极P1与被测接地装置P2之间的电压。
图1中，E为被测接地装置，（加注C1，C2，P1，P2），I为测试电源，A为电流表，读数为IC，V为电压表，读数为VP，C1为电流极，b为电流极与被测接地装置的距离，P1为电压极，p为电压极与被测接地装置的距离。可以通过欧姆定律计算得到接地电阻测试值：
如果电流极足够远，而且电压极距离与电流极的关系为p=0.618b，则接地电阻的测试值会非常接近被测装置接地电阻的真实值【ref】。
总体来说，接地电阻表的组成可以用电流源、电压表、控制显示这三个部分来表示，但是不同接地电阻表的技术参数、性能和结构相差很大。有的接地电阻表是四端子的（C1、P1、C2、P2），有的是三端子的（即c2和P2合并为E）。而且不同接地电阻表的适用场合，对测试布线的要求，以及现场常见问题等方面也不尽相同。这些差异常给一线检测人员带来困惑，因此，需要对接地电阻表进行分类并进一步说明。
3.2 接地电阻表的分类
依照DL/T 845.2“工频接地电阻测试仪”，接地电阻表可分为：A类，适用于一般接地装置接地电阻测量，简称为“一般接地电阻表”；B类，适用于大型接地装置接地电阻的测量，简称为“大地网接地电阻表”【845.2】。
3.2.1 一般接地电阻表
一般接地电阻表的有如下特点：
a）测试频率一般都高于50Hz，比如ZC-8【】和瑞士GEO X的测试频率为120Hz【】，康达KD2571B的测试频率为512Hz【】，共立4102的测试频率为800Hz【】。使用较高的测试频率可以躲开工频干扰，并使用滤波器大幅降低工频干扰对测试的影响，并且接地装置电感分量对一般接地装置接地电阻的影响不大【】；
b）测试电流一般为几mA至几十mA量级，有的使用正弦波，有的使用方波。
C）电流极、电压极距离被测接地装置不超过100m。
常用的一般接地电阻表测试端子有三端子和四端子两种，其测量等效电路如图x所示。三端子测试仪的测试孔为电流极C1、电压极P1、接地极E；四端子测试仪除了有C1、P1之外，将接地极E分开为C2、P2。三端子、四端子测试仪的主要区别在于三端子测试结果包括接地电阻和接地极E测试线线阻rE，而四端子测试仪可以从原理上消除测试线线阻，从而使测量值更准确。
图3 三端子、四端子接地电阻表
现场测试时，有时需要将E或者C2、P2接线延长几十米，测试线线阻可达0.5-1欧，与被测接地电阻量级相当。在这种情况下，为了准确获得接地电阻测试值，需要使用四端子测试仪。
3.2.2 大型地网地电阻表
大型接地装置接地电阻一般要求小于0.5欧，接地装置电感分量的影响不可忽略，因此测试频率不能太高。大型地网地电阻表有如下特点：
a）测试频率为50Hz（工频法，倒相法）或接近50Hz（异频法）【475】，以减小电感分量对测试的影响；
b）测试电流为几A至几十A，来产生足够大的测试信号；
c）由于被测接地电阻很小，仪表应是四端子式，以消除引线电阻的影响；
d）电流极、电压极位置离被测接地装置较远，具体距离与接地装置的场区尺寸相关，应依照DL/T 475要求选点、布线。
适用于大型接地装置接地电阻测试的几种方法简介如下：
大电流法采用30~50A工频电流注入地网作测试电流,来抑制由于输电系统三相不平衡产生的地回流引起的地干扰【大电流法文献】。比如当干扰电流为5A，测试电流为50A时，信噪比可达20dB，即测试信号比干扰大10倍。大电流法测试仪体积笨重，抗干扰能力较弱。
相对于大电流法，为提高信噪比，异频法采用异与但接近50Hz的交流测试电流，比如45Hz和55Hz两个频率，并通过滤波器衰减50Hz干扰信号，在测得45Hz和55Hz的接地电阻后，折算出50Hz的工频接地电阻。【异频法文献】比如当干扰电流为5A，且被衰减了10倍时，使用5A的异频电流测试就可以达到20dB的信噪比，这样就能以较小电流实现在干扰情况下测出工频接地电阻的目的。
倒相法是DL/T 475-2006《接地装置特性参数测量导则》中推荐的一种抗干扰方法【475】，其原理是首先测量地干扰电压，再通过测量仪器施加一个与地干扰幅值一样，但是相位相反的电流，完全抵消地干扰，使得合成电压为零。施加电流的大小与地干扰电流大小一致，因此可以通过测得的电压除以电流得到接地电阻。【】
4．不同接地装置接地电阻测试常见问题及分析
影响接地电阻测试值大小和稳定性的因素有很多，比如土壤电阻率，电极位置和布线，地下管道，高频、工频干扰等等，这些因素在文献中已有所讨论【x-x】，归纳如下：土壤电阻率越小，接地电阻值越低，因此接地电阻一般需要在天晴时进行测试。电极布置位置不一样测试值会不同，因此选择合适且相对固定的电流极、电压极位置，特别是大地网，电流极距离足够远，才能获得比较准确的、有可比性的测试值。另外，地下金属管道会造成分流，使测量值变小；架空线路或者移动基站会引起高频干扰，影响测试稳定性，因此，布线时应尽量避开以上干扰源。
除此之外，接地装置的自感、测试线电感对测试也有影响，在此进一步讨论。
4.1 接地装置自感对测试的影响
对于一般接地装置来说，其接地电阻值较为几欧至几十欧。由于被测接地电阻阻值较大，接地装置的电感分量对测试的影响较小【17949】。但是，由于一般接地电阻表测试频率不一样，电感分量的影响不尽相同。本文在此针对电感分量对一般接地电阻表测试的影响给出定量分析。
假设接地电阻为0.5/4/10 Ω，地网自感为0.5mH。感抗ZL=ωL=2πfL。接地电阻表测量值为阻抗Z=。在不同频率下，感抗、阻抗值如表1。可以看到，地网电感分量使接地电阻表测试值偏大，而且测试电流频率越高，被测接地电阻越小，测试误差越大。因此，在同一地点相同布线情况下，不同的表测试结果不一样，很可能就是因为测试电流频率不一样所致。
为了获得更真实的接地电阻测量值，使用低频率比高频率更准确。但是频率过于接近工频会降低低通滤波器消除工频干扰的能力，导致在工频干扰大的场合，仪表测试跳动变大，让现场人员误认为是高频干扰影响了测试。
表1. 接地装置电感对接地阻抗测量的影响
注：接地电阻分别为0.5Ω、2Ω、4Ω，地网等效自感为0.5mH
对于大型接地装置，其接地电阻一般要求不大于0.5欧，接地装置的电感分量对测试的影响不可忽略【17949】。可以看到，一般接地电阻表测量0.5欧电阻时，由于感抗的原因，测量误差为25～550%。而测试频率为50Hz时，测量误差仅为4.8%。因此，使用一般接地电阻表来测量大型接地装置的接地电阻是不合适的。
4.2 引线电感对测试的影响
现场还有一种情况会影响测试，即是测试线引线电感，特别是电流极引线电感。为了方便现场收线、放线，电流极引线一般缠绕在绕线盘上，放线时将电流极引线从接地电阻表C1测试孔向电流极布置。有时候布置到电流极时，绕线盘上仍有不少引线未放开。这些引线缠绕在绕线盘上形成引线电感，对测试也会有影响。
表2是在测试引线完全散开和未散开情况下，使用一般接地电阻表（KD2571B）和大地接地电阻表（KD2571C）测量0.5欧大型接地装置接地电阻的测试值及误差。对于使用正弦测试信号的接地电阻表，引线电感形成了等效阻抗，导致测试值增大。对于使用方波测试信号的接地电阻表，引线电感会在测试信号上形成尖脉冲，造成电流源饱和，使测试值变小。因此，使用一般接地电阻表时，应将绕线盘上的电流极引线完全散开，尽量消除引线电感，否则对测量会有很大影响。对于大地网接地电阻表，比如KD2571C，由于仪表开路电压较高，电流不会源饱和，因此测试不受影响。
表2 电流极引线电感对接地电阻测试的影响
注：接地电阻为0.500 Ω，电流极引线电感为10mH。
5．小结
接地装置分为一般接地装置和大型接地装置，对接地电阻要求相差大。相应的，接地电阻表也分为一般接地电阻表和大型地网接地电阻表。
一般接地电阻表的测试电流不大，不超过200mA，测试频率多高于工频。但是测试频率越高，接地装置自身电感影响越大。除了地下管道分流，高频干扰影响测量值的大小和稳定性之外，引线电感也会影响测试值，使正弦电流源测量值增大，会使方波电流源饱和造成测量值变小，因此，放线时应将电流线散开，尽量消除引线电感。另外，由于测试频率高，一般接地电阻表不适合用来测量大型接地装置的接地电阻。
大地网接地电阻表的测试电流较大，一般不小于0.5A，测试频率为工频或接近工频，地网自感对测试影响不可忽略。测试放线距离需要足够远，而且电压极位置合适才能获得有效测试值。大地网接地电阻表基本不受引线电感影响，可以用来测量一般接地装置的接地电阻。
综上所述，进行接地电阻测试需要判断被测接地装置的类型，选择合适的接地电阻表，深入了解接地电阻表的特性和影响测试的各种现场因素，分析测试读数跳动可能产生的原因，并有针对性进行调整，才能保证测试工作的顺利进行。
参考文献：
[1]GB/T 17949.1-2000
[2]GB/T 21431-2008
[3]DL/T 475-2006
[4]DL/T 621-1997
[5]DL/T 845.2-2004
论文作者:蔡炎峰1,邓战满1,胡晓辉2,苏仲铭3
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年8月供稿
论文发表时间:2015/12/7
标签：电阻论文; 测试论文; 装置论文; 电流论文; 电感论文; 引线论文; 测量论文; 《工程建设标准化》2015年8月供稿论文;