工频接地电阻试验方法

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1-1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＝1／2πX²
    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1-1 三极法测量接地电阻的试验接线

 我们知道，电场强度E=Jρ，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，r_g)处所具有的电压为
        U＝∫_∞^x－Edx＝∫_∞^x(－ρ／2πx²)dx＝(ρι／πx)_∞^x    (15-9)
    由式(15-9)可知，电极1、2、之间出现的电位差为
        U'＝Iρ／2π(1／r_g－1／d₁₂)    (15-10)
    电极3使1、2、之间出现的电位差为
        U”＝Iρ／2π(1／d₂₃－1／d₁₃)    (15-11)
    1、2电极之间的总电位等于U'与U”之和，即
        U＝U'＋U”＝Iρ／2π(1／r_g－1／d₁₂＋1／d₂₃－1／d₁₃)
    即因此1、2极之间呈现的电阻Rg为
        R_g＝U／I＝ρ／2π(1／r_g－1／d₁₂＋1／d₂₃－1／d₁₃)    (15-13)
    接地体1的接地电阻实际值为
        R＝ρ／2πr_g    (15-14)
    式中 R——接地体的实际电阻；
         r_g——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
        1／d₂₃－1／d₁₂－1／d₁₃＝0
    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。
    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ξ为
        ξ＝2r／π[1／d₂₃－1／d₁₃－(1／r)sin^-1r／d₁₂)]    (15-16)
    将不同的d₁₃代入式(15-13)可求得相应的测量误差，如表1-1所示，表中D为圆盘直径。

 由表1-1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%)。
    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ξ，按式15-16计算的结果如表1-2所示。

 由表1-2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。
    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1-2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
        R_s＝U／I    (15-17)
    式中 R_s——接地电阻，Ω；
         U ——实测电压，V；
         I ——实测电流，A。

图1-2 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1-2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1-3所示，其原理接线如图1-4所示。

图1-3 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1-2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λ＝d₁₂／d₁₃，取λ＝0.5时，λ2＝0.7时，分别测得接地体的接地电阻为R_g1、R_g2、R_g3，则接地体的接地电阻R_g为
          R_g＝2.16 R_g1－1.9R_g2＋0.73R_g3            (15-18)

图1-4 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。