接地电阻的测量

d12 d13 2D, 30
电压电流四极法
由于大型变电站占地面积较大，地网最大对角线的长 度一般有几百米，在进行接地电阻测量时要放置几公里的 专用测量引线显得比较困难。因此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。这时可以在原有的三极基础上增设 第四个电极以消除电流和电压间的互感，这种方法叫做四 极法。
图5-8 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 用电压极； 3、测量用电流极；4－辅助 电极
图5-8是消除电压线和电流线之间互感影响的四极法的原 理接线图。图中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。
在使用四极法时应注意，辅助电极离地网的距离不能过 近，否则将使测量误差大大增加。在实际测量中辅助电极 可打在离地网边缘 ( 1 ~ 1 ) 地网对角线长度处。
表5-2 用不同电极距离（d13）测量圆环接地体接地电阻误差 （%）
d13
(%)
5D -0.0322
4D -0.0595
3D -0.138
2D -0.498
由表5-2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。
1.电极为直线布置
为寻求接地电阻的正确测量方法，先以半球形接地电 极为例来讨论均匀土壤中接地电极和电流极连线上的地面 电位分布。
如图5-3所示，取半球形接地电极G的半径为a，将电流 极C用一个半径为ac的半球取代，电流自G流入，C流出。
图5-3 接地电极和电流极连线上的地面电位分布计算
（a）x在CG连线的中间
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=1.236D。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。
（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。然后取三个数的算 术平均值，作为接地体的接地电阻。
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。

1 d 23

1) d13
接地体1的接地电阻实际值为
R

2rg
式中 R——接地体的实际电阻； rg——接地体的半径；
（5-6） （5-7）
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（5-6）式（5-7）式相等，即
1 1 1 0 d 23 d12 d13
（5-8）
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3D直线法的不测量结果；
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
Rg

U12 I
1 a
1
d13

1 d12

1

d122 d123 2d12d13 cos
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
10 20
用高输入阻抗电压表测量1、2，1、4和2、4之间的电压。由电压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。
Rg

1 2U14I
(U122

U142
U242 )
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；
（b）x在CG连线的延长线上
则应用叠加原理可写出在CG连线中间或CG延长线上
任一点x的电位Vx为：
I 1 1
Vx

2
( DxG

DxC
)
由此可知，在CG连线的中间，
当DxG=DxC时，有Vx=0；
当DxG<DxC时，Vx为正值，。其值随DxG的减小逐渐增大，
在x抵达接地电极表面，即DxG=a，DxC= DGC–a，可达最大
这一结论的应用是有范围的，与假设的前提有关，即仅在接地 体为半球形，球形中心位置已知，土壤的电阻率一致，镜像的影响 忽略不计下适用。但实际情况与此有出入，如接地体几乎没有半球 形的，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。
三极法是接地电阻测试中使用最多和最普遍的方法。三极 指的是被测接地体、测量用的电压极、测量用的电流极。
根据这三极分布的位置可以分为： 直线三极法（电极为直线布置） 夹角法（电极为三角形布置）
前面提到测量接地电阻需要设置一个能测出无穷远零位面 处电位的电压极，但是由于电压极不可能设在真正的无穷 远处，而电流极的存在又会使地中的电流场发生畸变从而 影响到地面的电位分布，所以接地电子的测量会存在误差。 由此可见，合理地设置电流极和电压极是接地电阻测量的 关键。
表5-1 采用不同电极距离测量圆盘接地体接地电阻的误差
电极距离d13
5D
误差 （%） -0.057
4D
3D
-0.089 -0.216
2D -0.826
D -8.2
从5-1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%）。
如果地网是圆环接地体，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（5-9）计算的结果如表5-2所示。
值VG：
VG

I 2
(1 a

1) DGC a

IR0 (1
a) DGC a
式中
R0

2 a
当DxG>DxC时，Vx为负值，其值随DxG的增大逐渐降低，在
x抵达电流极表面，即DxG= DGC–ac, DxG= ac时，达负的最
大值Vc
I 1
1
VC

2
( DGC
ac

ac
图5-5 测量工频地装置的直线三极法电极和电位分布示意图
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。
图5-6 三极法的原理接线图
实验步骤如下： （1）按图5-2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，直至 升到预定值，比如60A，并记录对应的电压值。
)
在CG连线的延长线上，则只有当DxG→∞时，才有Vx→0。
图5-4（a）给出了CG连线上各点的地面电位分布图。为 便于比较，图5-4（b）还画出了在没有电流极时的地面电 位分布，此时相应的电极电位显然为
VG

I 2 a

IR0
不难看出，电流极的存在起到了把无穷 远零位面移到电极连线中部的作用。
（5-10）
式中 Rs——接地电阻，Ω； U——实测电压，V； I——实测电流，A。
图5-2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。
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5-2所示。 这是一种常用的方法。
T1
T2Baidu Nhomakorabea
U
V PV A PA
1
2
3
图5-2 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
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
Rs U I
图5-1 三极法测量接地电阻的试验接线
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

I
2 X2
式中 J——距球心为X处的球面上电流密度；
I——接地体入地的电流；
我们知道，电场强度E=J , 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
I 1 1
U '' ( )
2 d23 d13
（5-4）
1，2电极之间的总电位等于U’与U”之和，即
U U 'U '' I ( 1 1 1 1 ) 2 rg d12 d 23 d13
（5-5）
因此1、2极之间呈现的电阻Rg为
Rg

U I

2
(1 rg

1 d12
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，可以证明当接地体为圆盘（圆盘半径为r），电 极布置采用补偿法时，其测量误差 为
2r ( 1 1 1 sin1 r )
d23 d13 r
d12
（5-9）
将不同的d13代入式（5-9）可求得相应的测量误差，如表5-1 所示，表中D为圆盘直径。
2．电极为三角形的布置
电极三角形布置示意图如图5-7所示。此时，一般取
d12=d13≥2D，夹角


30c(或d23

1 2 d12 ).
图5-7 电极三角形布置图 1-接地体；2-电压极； 3-电流极
测量大型接地体的接地电阻时，宜用电压、电流表法， 电极采用三角形布置。因为它与直线法比较有下列优点：
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
U
x

Edx

x
2x 2
dx


l
x

2x
（5-2）
由式（5-2）知，电极1、2之间出现的电位差为
U ' I ( 1 1 ) 2 rg d12
（5-3）
电极3使1、2、之间出现的电差为
令d12=d13,d23=(1-a)d13,代入式（5-8）得
1 1 1 0 1a a
而 a2 a 1 0
解得a=0.618
系数a表明，如果电流极不置于无穷远处，则电压极必须放在 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。
第 五章 接地电阻的测量
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，这就需要设置一个可提 供电流回路的电流极，并用电流表测出该电流，而为了用 电压表测出接地电极的电位，则需要设置一个能测出无穷 远零位面处电位的电压极，如图5-1所示。
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。
接地电阻测试仪
使用方法
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。
比较可知，由于零位面的移近， 在同一入地电流I下，有电流极存 在时接地极和零位面之间的电位 差要比无电流极存在时小，因此 在测量接地电阻时，即使把电压 极置在零位面处，所得的结果也 是偏小的。
图5-4 地面电位分布
（a）x在CG连线上
（b）不存在电流极时
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5-5所示，其原理接线如图5-6所示。