回路法與三極法在防雷裝置接地電阻在線監測中的對比分析研究

何 靜 曾祥平 李衛平 廖國強 張宏偉

（1.重慶市防雷中心 2.金佛山國家綜合氣象觀測專項試驗外場）

0 引言

雷電作為常見的災害性天氣，因其強大的電流、炙熱的高溫、強烈的電磁輻射能夠在瞬間產生巨大的破壞作用，可以導致建（構）筑物、供配電系統、低壓電氣系統等損壞，造成人員傷亡和經濟損失，安裝防雷裝置并確保裝置有效是雷電防護的關鍵手段。防雷裝置因為使用環境、使用時長等因素的影響，隨著時間的推移會有不同程度的腐蝕、損壞，使防雷裝置接地電阻阻值發生變化，從而其安全性能需要定期檢測以確保達到防雷的要求。傳統的防雷裝置接地電阻現場人工檢測在實際操作中存在時效性差、技術水平參差不齊等問題，而智能化在線監測做到實時監測，并且還可以實現運行狀態、臨界預警、隱患風險實時可視化，可以全面、及時、系統地掌握所有監測點的防雷裝置性能，為安全生產提供防雷安全保障。本文基于在線監測試點應用項目2020～2021年采集到的在線監測數據，詳細分析了防雷裝置接地電阻在線監測技術的回路法和三極法，并與現場人工檢測數據進行對比分析，可以驗證何種監測方法與人工檢測數據的誤差更小，亦可以驗證何種監測方法采集到的監測數據更可靠。

1 接地電阻在線監測系統

接地電阻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。接地電阻受到多種自然因素影響，包括地形、地質、土壤等。具體而言，一般地質條件差、土壤干、干燥、土層稀薄的地區，電阻率往往較高；特別是對于巖石裸露的地區，其土壤電阻率大多超過1000Ωm，這將造成接地電阻同步增高［1］。防雷裝置接地電阻值體現著防雷裝置與“地”接觸的良好程度和反映接地網的規模。

接地電阻在線監測系統是通過接地電阻自動測量裝置，按照一定時間間隔進行防雷接地電阻實時在線監測和數據處理的系統，系統由測量與數據采集子系統、通信與網絡子系統和終端顯示子系統三部分組成。測量與數據采集子系統可實現接地電阻測量與數據采集，本機存儲與顯示、操作與控制等功能；通信與網絡子系統可實現與數據服務器之間的無線通信與報文傳輸，或通過不同電路接口實現與數據存儲設備之間的有線通信功能；終端顯示子系統可實現監測數據的顯示，歷史數據的查詢、統計、分析［2］。接地電阻測試儀是接地電阻在線監測系統的直接測試裝置，也是系統的末端裝置，位于測量與數據采集子系統中［3］。

2 接地電阻在線監測原理

2.1 回路法接地電阻在線監測原理

回路法接地電阻在線檢測儀由電壓線圈及電流線圈組成。接地電阻在線檢測儀的電壓線圈發出激勵脈沖信號，在被測量的接地回路上感應一個電勢E，在電勢E的作用下在被測回路產生電流I。檢測儀對E和I進行測量，根據歐姆定律：R＝E／I，即可得到被測回路電阻，并采集提取接地電阻信息。若沒有形成回路的接地系統，需要增加輔助接地網使其形成回路。因此，在地網布設時，兩組地網是獨立分開的。回路法接地電阻在線檢測儀所測量出的接地電阻R是由被測物地網A接地電阻R1、輔助接地極地網B接地電阻R2和其他回路電阻值R3（金屬連接線的阻值、接線之間的接觸電阻等之和）三部分組成，也就是檢測儀顯示出來的是R1、R2、R3總和。測量原理如圖1所示［4］。

圖1 回路法接地電阻在線監測原理圖

輔助接地極地網B的接地電阻要求滿足被測物地網A接地電阻要求，比如地網A的接地電阻要求為4Ω以下，則輔助接地極地網B的接地電阻要求小于4Ω；實際電阻值一定要小于檢測儀計讀數的1／2。

2.2 三極法接地電阻在線監測原理

三極法接地電阻在線檢測儀由接地裝置、電流極和電位極組成的三個電極測量接地裝置接地阻抗的方法。測量原理如圖2所示。

圖2 三極法接地電阻在線監測原理圖

此方法使用兩個輔助電極，電壓極（P）、電流極（C）。把電壓表和電流表的指示值UG和I代入式中去，可得到被測物地網A的接地電阻RG。接線原理圖如圖3所示。

圖3 三極法接地電阻在線監測接線原理圖

如果兩個輔助電極的接地電阻較被測物的接地電阻大許多，則每項測量的誤差將在最后的結果中放大許多。測量時，電極間必須相距一定距離，否則計算結果可能變得很荒謬，如出現零電阻或負電阻等。被測物地網A與兩個輔助電極應布置在一條直線上且垂直于地網。測量用的電流極（C）和電壓極（P）離被測物（G）接地網邊緣的距離為dGC＝（4～5）D和dGP＝（0.5～0.6）dGC，D為被測物接地網的最大對角線長度。

3 接地電阻在線監測與人工檢測數據對比分析

3.1 在線監測數據分析

重慶市防雷中心利用上述兩種監測方法在重慶市南川區金佛山國家綜合氣象觀測專項試驗外場（簡稱“試驗外場”）開展了試點應用，從2020年12月1日至2021年9月17日（共291天），接地電阻在線檢測儀對該試驗外場獨立接閃桿1＃、接閃桿2＃分別進行了不間斷的實時監測。利用回路法對接閃桿1＃接地電阻進行在線監測，共采集到100812個數據，接地電阻最大值為0.92Ω，最小值為0.84Ω，平均值為0.88Ω，接地電阻值變化不大，僅在2021年3月9日從0.84Ω變為了0.92Ω。利用三極法對接閃桿2＃接地電阻進行在線監測，共采集到49948個數據，接地電阻最大值為1.84Ω，最小值為0.77Ω，平均值為1.28Ω，接地電阻值相對于回路法變化更為明顯。接地電阻日平均阻值變化趨勢如圖4所示。從圖4可以看出利用三極法進行接地電阻在線監測數據波動更為明顯。

圖4 接地電阻日均值變化趨勢圖

3.2 在線監測數據與人工檢測數據對比分析

從2021年5月至9月，利用GEO－1022N多功能土壤電阻率測試儀對試驗外場接閃桿1＃、2＃接地電阻進行了31次人工檢測。人工檢測數據和同一時間的在線監測數據見下表。

表 接地電阻數據表

（續）

該檢測儀器是人工檢測的常用儀器，測量數據在實踐中證實是可靠的。因此，我們以人工檢測得到的接地電阻值作為標準值，將在線監測與人工檢測接地電阻值進行對比，分析在線監測數據誤差大小。經計算可知，回路法在線監測數據相對誤差范圍為－9.78%～－115.22%，三極法在線監測數據相對誤差范圍為－27.94%～37.80%；回路法在線監測數據的平均絕對誤差MAE為0.65，三極法在線監測數據的平均絕對誤差MAE為0.26。因此，經分析可知，回路法在線監測數據相對于人工檢測數據偏低，并且與人工檢測數據的誤差明顯大于三極法與人工檢測數據的誤差。相對而言，三極法在線監測數據與人工檢測數據更為接近，監測數據更可靠。

4 結束語

基于試驗外場接地電阻在線監測試點應用項目在線監測數據，經對比分析，三極法接地電阻在線監測的接地電阻日平均阻值變化趨勢相對于回路法更為明顯，并且接地電阻值時變化呈現出一定的規律，這為后續開展溫度、濕度、土壤含水量等氣象因素與接地電阻變化的相關性研究提供了思路。通過在線監測數據與人工檢測數據對比分析，結果表明：回路法接地電阻在線監測數據與人工檢測數據的誤差明顯大于三極法與人工檢測數據的誤差，三極法在線監測數據與人工檢測數據更為接近，監測數據更可靠。