三極法測(cè)量接地電阻原理誤差探究

中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司天生橋局 張金磊

接地電阻測(cè)試過程中會(huì)受到多方面因素影響，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性無法保證，必須從測(cè)試方法本身出發(fā)，提出具體可行的控制措施，以求最大程度規(guī)避其中存在的誤差問題，為后續(xù)的其他工作提供參考。三極法測(cè)量接地電阻工作是目前較為常見的一種技術(shù)手段，但在實(shí)際應(yīng)用過程中還會(huì)受到諸多因素影響，需要結(jié)合實(shí)際進(jìn)行分析，以此讓誤差降至最低。

1 三極法測(cè)量接地電阻過程中的影響因素

輸電線路的接地線是一種比較特別的施工方式，對(duì)于新裝設(shè)的接地裝置，應(yīng)在按《電氣裝置安裝工程 接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB50169-2016)和設(shè)計(jì)規(guī)定進(jìn)行驗(yàn)收后方可正式投入使用。與線性三角法、四極法相比，線性三極法具有更好的數(shù)據(jù)可靠性，并且具有更高的穩(wěn)定性，因此被廣泛應(yīng)用于野外。圖1為三極法測(cè)量接地電阻原理接線圖，從中可以看出三極法測(cè)量使用了兩個(gè)輔助電極展開測(cè)量，而如果兩個(gè)輔助電極的接地電阻較被測(cè)物的接地電阻大許多，則測(cè)量誤差可能會(huì)變大。因此，必須對(duì)電極之間的距離進(jìn)行計(jì)算，從而最大程度避免誤差。圖2為三極法測(cè)量接地電阻圖，圖3三極法測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)，從這兩張圖片中可以看出，借助接地裝置、電流極、電壓極展開測(cè)試，但需要注意的是，在測(cè)定時(shí)要采用適當(dāng)?shù)姆绞剑喾N因素的影響，以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果[1]。由于大、中、小三型接地網(wǎng)的工作頻率范圍內(nèi)的接地阻抗均較低，一般不超過10mΩ，且測(cè)試線路的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，測(cè)試是在工作頻率范圍內(nèi)進(jìn)行，測(cè)試線路之間的互感會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。接地網(wǎng)竣工后，由于電力設(shè)備負(fù)荷不平衡而引起的單相短路會(huì)引起三相供電不平衡，從而在接地網(wǎng)中形成“地網(wǎng)電壓”。在非均勻的電壓條件下，零序電壓的頻率、相位和峰值都會(huì)出現(xiàn)顯著的動(dòng)態(tài)變化，嚴(yán)重影響了監(jiān)測(cè)精度，必須重復(fù)測(cè)量，才能排除誤差。在干燥的時(shí)節(jié)，由于氣候干燥，連續(xù)七天以上都沒有下雨，就需要測(cè)量接地電阻值，否則測(cè)量出來的電阻值和真實(shí)值會(huì)有一定的差距。

圖1 三極法測(cè)量接地電阻原理接線圖

圖2 三極法測(cè)量接地電阻圖

圖3 三極法測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)

此外，氣溫升高還會(huì)對(duì)模式的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，有關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，夏季氣溫升高會(huì)引起模式更大程度的蒸發(fā)量，進(jìn)而彌補(bǔ)由氣溫升高引起的模式減阻作用。但在冬季，由于冰層的降低和冰層的凝結(jié)，冰層的表面會(huì)隆起[2]。在真實(shí)的野外工作環(huán)境中，因測(cè)試區(qū)內(nèi)土體的非均質(zhì)性和各種溝槽、巖體、地下金屬管道等的存在，會(huì)對(duì)測(cè)試區(qū)內(nèi)的電流場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差。所以，要反復(fù)調(diào)節(jié)電極的電位。在每個(gè)電壓電極上，都有一個(gè)地阻值，將實(shí)測(cè)的地面電阻作為縱、橫坐標(biāo)，畫出地面電阻曲線。若在導(dǎo)線趨向上有三個(gè)以上的電阻是平坦的，那么相應(yīng)的地電阻就是它的確切數(shù)值。當(dāng)三個(gè)或更多個(gè)被測(cè)數(shù)據(jù)的相對(duì)偏差不超過3%時(shí)，其平均值就是最后的測(cè)試數(shù)據(jù)。

2 三極法測(cè)量接地電阻過程中的技術(shù)分析

輸電線路的塔式接地設(shè)備通常采用獨(dú)立的接地系統(tǒng)，在建設(shè)及運(yùn)行時(shí)均需檢測(cè)其接地電阻，確保其滿足工程驗(yàn)收及應(yīng)用的需要。目前常用的大地電阻抗測(cè)量方法主要是三極法，但是三極法測(cè)量結(jié)果存在一些不統(tǒng)一的問題。本文首先分析了三極法測(cè)量接地電阻的原理，分析了由于電極布置的不同而造成的測(cè)量結(jié)果差別的因素，并通過實(shí)踐，說明了如何正確應(yīng)用三極法來精確測(cè)量接地裝置的接地電阻。地阻抗測(cè)試儀的試驗(yàn)導(dǎo)線包括三個(gè)極：電源（E）、電流輔助（C）和電壓（P）。利用接地電阻計(jì)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，從電源極通過被測(cè)接地裝置，將一個(gè)電流輸入大地，因?yàn)殡娏魇沁B續(xù)的，所以，在距離接地裝置一定距離處，設(shè)置一個(gè)電流輔助極，將電流反流到電源上[3]。在一條測(cè)量環(huán)路上，將R作為接地裝置的一種接地電阻，將R作為一種用來執(zhí)行該測(cè)量環(huán)的一種接地電阻。不管該測(cè)試線的電阻如何，該測(cè)試供電端的全部電壓均降至該接地裝置的該接地電阻R和該電流輔助電極的該接地電阻R上。在此電壓分布曲線上有一電位區(qū)，此零電位區(qū)與此接地機(jī)之間的壓降U為此接地機(jī)的接地機(jī)所消耗的電壓；而且，該電壓U是供電電極的接地電阻R損耗的。而測(cè)量接地電阻的工作就是要準(zhǔn)確地測(cè)電壓U的值，并與測(cè)量電流I 相比較，得到所需要的接地電阻。

因此，對(duì)這一電位區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)確的定位和對(duì)這一區(qū)域內(nèi)的電壓進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)定，成為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)電阻準(zhǔn)確測(cè)定的關(guān)鍵。對(duì)測(cè)量原理進(jìn)行分析，零電位區(qū)的設(shè)定，不僅取決于電極到接地裝置的遠(yuǎn)近，還取決于地形地貌，土壤電阻率，以及土壤的均勻性。對(duì)土壤中的電極電位進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：在土壤中，以電極為起點(diǎn)，土壤中的電位隨著土壤與土壤之間的距離增大而變得平穩(wěn)，直至接近0；因此，對(duì)于三極法測(cè)量接地電阻過程中的原理誤差分析是十分必要的[4]。

當(dāng)一個(gè)比特靠近零電勢(shì)時(shí)，從接地設(shè)備范圍層面來看，該范圍中的電勢(shì)靠近該范圍中，或者將該電壓電極設(shè)定在該范圍中，測(cè)量地電阻量將更為準(zhǔn)確。由于輔助電極和接地裝置的間距非常近（小于40m），零電位區(qū)的位置受多種因素的影響，使零電位區(qū)的準(zhǔn)確位置難以確定。在這個(gè)例子中，測(cè)量了的阻抗，并且在電壓電極放置得離地裝置很近時(shí)，測(cè)得的R比真實(shí)的要小；在距離接地裝置較遠(yuǎn)的地方，所測(cè)得的R比它的真值要大。

以某輸電線路工程為例，選取一條典型的輸電線路，使其與接地網(wǎng)的距離約為20m，并將其電壓極的距離作為其與接地線路的距離，采用縱軸作為其接地電阻。從電流輔助極方向來看，在距離接地裝置各區(qū)域的地方，測(cè)得電阻值變化平緩，相應(yīng)地，該區(qū)域電位變化平緩，從電壓分布可以得知該區(qū)域?yàn)榱汶娢粎^(qū)。根據(jù)三極法測(cè)線原理，在零電位區(qū)測(cè)量接地阻抗，可獲得準(zhǔn)確的接地阻抗。實(shí)際上，通過使所說的各電極沿所說的布置的方向運(yùn)動(dòng)，找到所說的測(cè)量值的變化相對(duì)穩(wěn)定的那一段，即所說的零電位區(qū)，可以通過以下的方式找到零電位區(qū)，并準(zhǔn)確地確定接地阻抗；將該區(qū)段內(nèi)所有測(cè)量值的平均值求出實(shí)際測(cè)量值，即為實(shí)際測(cè)量值。比較精確的方法是依次移動(dòng)電極，測(cè)量6～10個(gè)點(diǎn)，然后把它們連在一起，形成一條具有0的切線斜率的曲線，就是零電位；取每個(gè)點(diǎn)位相應(yīng)的電阻值，以其計(jì)算所得的電阻值，即為準(zhǔn)確的大地電阻。

三極法測(cè)得電阻的關(guān)鍵是其定位，測(cè)量時(shí)，其定位距離地面非常遙遠(yuǎn)（d＞40m)，其定位范圍為0.5～0.6m 時(shí)，其測(cè)量結(jié)果最為準(zhǔn)確。在此條件下，當(dāng)此輔助電極密集布置（d＜40m）時(shí)，沿d的方向，每次一個(gè)格子（d的5%），取其變化期間平穩(wěn)區(qū)的平均值為測(cè)量結(jié)果，獲得相對(duì)準(zhǔn)確的電阻。

3 三極法測(cè)量接地電阻過程中的案例分析

通過對(duì)110kV 變電站的一次改造，對(duì)110kV 變電站的接觸線進(jìn)行了測(cè)試，并給出了測(cè)試結(jié)果。根據(jù)線路模式I，對(duì)于5m 的電壓電極，接地電阻的最大變化量為38.8%。然后延長(zhǎng)附加的電流和電壓電極。三個(gè)測(cè)試的最大阻抗均值為18.0%。最后，又在東、北兩個(gè)方向進(jìn)行了測(cè)試，并給出了測(cè)試的結(jié)果。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，驗(yàn)證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性和可靠性。由于在模式3中選擇的導(dǎo)線不會(huì)被其他因素影響，因此測(cè)得的地表阻抗僅相當(dāng)于三種試驗(yàn)平均水平的5%。進(jìn)一步探究I 形接線的電壓極處問題成因，得出結(jié)論：地下圓鋼L 沿1號(hào)公路左電纜溝鋪設(shè)，與路燈線平行，在I 型P 型接地，并與變電站東北角的接地網(wǎng)絡(luò)相連，地下圓鋼L 改變了輔助電極與電流極間距的比值關(guān)系，因此導(dǎo)致方式I 和II 的異常。

基于以上分析，用普通的地阻儀測(cè)試中、小型地網(wǎng)，其測(cè)試值的誤差與地網(wǎng)的大小有關(guān)。若地網(wǎng)為半球形，測(cè)試地網(wǎng)接地電阻值誤差允許在10%范圍內(nèi)，則測(cè)試電流極C 與地網(wǎng)邊緣分別為40m、20m、10m，當(dāng)測(cè)試電壓極設(shè)定在測(cè)試電流極與地網(wǎng)邊緣的中點(diǎn)時(shí)，被測(cè)試地網(wǎng)的半徑不能大于27m、13.5m、6.75m。也就是用普通的接地電阻測(cè)試儀來測(cè)定建筑物中的地網(wǎng)，為了保證其測(cè)定準(zhǔn)確度在10%之內(nèi)，必須對(duì)被測(cè)地網(wǎng)的大小做一些限制。普通的40m 的試驗(yàn)電流電極試驗(yàn)線路，試驗(yàn)電網(wǎng)的直徑不得大于27m。為被測(cè)試地網(wǎng)的直徑不大于13.5m 的普通接地電阻測(cè)試儀，為被測(cè)試地網(wǎng)的直徑不大于6.75m，為10881m 測(cè)試電流極測(cè)試線的普通接地電阻測(cè)試儀。

若在相同的公差下，將探測(cè)電極P定位在探測(cè)電極C與接地電力網(wǎng)邊界的中部，則探測(cè)電極P的大小比補(bǔ)償型探測(cè)電極大。當(dāng)誤差在10%以內(nèi)即容許接受范圍時(shí)，采用將測(cè)試電壓極P的位置放在測(cè)試電流極C與地網(wǎng)邊緣的中點(diǎn)的測(cè)試方式，在b1為40m、20m、10m 時(shí)，可測(cè)地網(wǎng)尺度分別是半徑r1為27m、13.5m、6.75m 的地網(wǎng)，而采用補(bǔ)償法時(shí)，可測(cè)地網(wǎng)尺度為半徑r1等于9m、4.5m、2.25m 的地網(wǎng)。如果測(cè)試桿件P處于測(cè)試桿件C與接地網(wǎng)絡(luò)的交界面的中部或周邊，則測(cè)試電壓電極P被設(shè)置得非常小，而接地網(wǎng)絡(luò)越小，測(cè)試誤差在10%以內(nèi)的范圍就越大。為了得到一個(gè)無偏差的數(shù)值，在野外網(wǎng)規(guī)模很大的情況下，必須把試驗(yàn)終端P往接地網(wǎng)的方向上移動(dòng)。用普通的接地器測(cè)試中低線的接地器，其測(cè)試值與接地器的大小有很大的關(guān)系。在半球形地網(wǎng)中，在測(cè)試電流極與地網(wǎng)邊緣的距離分別為40m、20m、10m，測(cè)試電壓極設(shè)在測(cè)試電流極與地網(wǎng)邊緣的中點(diǎn)，被測(cè)試地網(wǎng)的半徑分別不大于27m、13.5m、6.75m 時(shí)，測(cè)試地網(wǎng)接地電阻值誤差可在10%之內(nèi)。

如果測(cè)試電壓極位于測(cè)試電流極與地網(wǎng)邊界的中點(diǎn)或其附近，則測(cè)試誤差較小，且在相同的誤差容許范圍內(nèi)。相對(duì)于補(bǔ)償法，將測(cè)試電壓極位于測(cè)試電流極與地網(wǎng)邊界的中點(diǎn)位置的測(cè)試方法，可測(cè)地網(wǎng)的尺度更大，因此，對(duì)普通的接地電阻測(cè)試儀而言，采用將測(cè)試電壓極設(shè)置在測(cè)試電流極與地網(wǎng)邊界的中點(diǎn)位置的測(cè)試方法是較為適宜的。在布設(shè)過程中，應(yīng)盡可能使測(cè)線指向土壤較均一的位置，而不應(yīng)使測(cè)線指向土壤較不均一或地質(zhì)情況有較大差異的位置，否則會(huì)產(chǎn)生“零電位點(diǎn)”的移動(dòng)，從而造成測(cè)得結(jié)果出現(xiàn)偏差。另外，還對(duì)試驗(yàn)電流進(jìn)行了適當(dāng)增大，以獲得較高的電壓端電流。而“零電位點(diǎn)”帶來的改變，卻是微乎其微。在焊接時(shí)，應(yīng)盡可能按單行布置，注意各個(gè)電極間的協(xié)調(diào)。每次的試驗(yàn)，應(yīng)記錄各電極的位置，布線距離，接地裝置的形式，土壤狀況、濕度、溫度等基本數(shù)據(jù)。

綜上所述，對(duì)于輸電線路接地電阻測(cè)試采用直線三極法。通常在接地時(shí)，電壓線至接地體邊緣的間距應(yīng)該為接地體斜長(zhǎng)D 的4～5倍。在人工布置困難的地區(qū)，利用二維方法布置，而在不均勻的地區(qū)，利用三維方法布置。