大型接地网接地电阻的测量和误差分析

邵阳学院毕业设计(论文)43摘 要伴随着接地技术在各个领域得到更为广泛的应用，愈来愈显示出接地技术的重要性。但是如何简便、准确地测量大型接地网的真实接地电阻是长期困扰电力工作者的一大难题。本文利用接地电阻测量方法的基本原理，分析测量地网接地电阻干扰的主要来源，并对仪表法、异频法、瓦特表法、三极法，四极法等的原理、特点进行了比较分析。同时将各种测量方法按测试电流、消除干扰能力和测试结果进行了归纳总结。论文着重就短距测量接地电阻的可能性及相关测量理论和地网测量点的选择等问题进行分析，为解决长期困扰我国电力系统的由于接地电阻测量引线过长而带来的一系列难题做一些具有实际意义的探讨。还对三层土壤结构中接地电阻测量的误差和解决办法以及季节因素对接地电阻、接触电位差和跨步电位差的影响进行了介绍。关键词：地网；接地电阻；测量；短距测量。 AbstractWith the wide application of grounding technique, its importance is gradually showed up. But how to measure grounding resistance of large grounding grid simply and exactly is a difficult problem to electricity power staff all the time.This paper used the basic method of measuring the grounding resistance, analysis the major interference, and principles and characteristics of the instrument method, different frequency method, watt meter method, three-pole, four pole principle of law. At the same time varied the measuring method as the test current, the ability of eliminating interference, and test results to different sorts.This paper focused on the possibility of measuring the short-range ground resistance and the related network theory and the choice of measurement place analysis of the problem, to solute the long-term problem of China in the power system, grounding resistance measurement lead to the long series of problems made some practical significant discussion. Also the errors and solutions of grounding resistance measurement in the three soil, as well as the seasonal factors can make differences on contact potential difference, potential difference, and then introduce them.Key words: Grounding grid, Grounding resistance, Measurement, short-range measurement目 录摘要ABSTRACT1 接地技术概述11.1接地的重要意义11.2接地的有关概念11.3接地装置的安全判据41.4接地技术和接地电阻测量方法的发展52 接地电阻测量方法的比较分析82.1接地电阻测量方法的基本原理82.2仪表法102.3远离法122.4异频法142.5 0.618补偿法162.6瓦特表法172.7三极法192.8四极法222.9多电极法292.10测量方法的分类和干扰来源分析302.11接地电阻测量方法的比较分析312.12 接地电阻测量误差分析和解决方法313 接地电阻测量问题的探讨343.1接地电阻短距离测量分析343.2接地网测量点的选择363.3垂直分层或三层土壤结构中接地电阻的测量373.4大电流法电流极和电压极引线的选择373.5季节因素对接地电阻、接触电位差和跨步电位差的影响384 总结和展望394.1总结394.2接地电阻测量方法的展望39参考文献41致谢431 接地技术概述1.1接地的重要意义为了工作和安全的需要，将电力系统或建筑物中电气装置、设施的某些导电部分经接地线与接地极连接，这就是接地4。接地装置的接地电阻是一个重要的参数，是指当电流I经接地电极流入大地时，电极上的电压V与电流I的比值，它包括接地引线的电阻、接地极本体的电阻、接地极与土壤的接触电阻和电极至无穷远处的土壤电阻。一般情况下，土壤电阻构成接地电阻的绝大部分。发、变电站的接地网肩负着泄放故障电流、均衡地面电位和提供稳定参考电位的任务。其电阻须满足如下要求，在泄放故障电流时，地面电位升高不能超过设备运行所允许的限值，同时不能对人身构成电气冲击。若地网的接地电阻过大，当电力系统发生接地短路故障或者遭受雷击时，故障电流引起的地面电位可能击穿设备的绝缘，甚至发生高压串入控制室，使监测和控制设备发生误动或拒动而扩大事故，严重影响供电的安全可靠性，带来巨大的经济损失和不良社会影响。同时，当电流在地中流散时，地面上的电位梯度可能超过人体承受的上限，因跨步电压或者接触电压而危及地面人员的安全22。调查表明，我国因接地电阻达不到要求而导致的事故很多，如广西合山电厂、湖北潜江变电站和四川华蓥山发电厂都曾发生过因接地不良引起的事故。因此，接地是维护电力系统安全可靠运行、保障运行人员和电气设备安全的根本保证和重要措施，接地电阻是变电站接地合格与否的重要技术指标。变电站投运之前要测量其接地电阻，运行中也要定期测量。从故障监测的角度来说，对重要参数的定期测量与分析是很重要的，有助于监视设备运行状况，避免故障的发生。1.2 接地的有关概念1.2.1 接地的概念将电气设备的某一可导电部分与大地作电气连接或金属性连接，称电气接地，简称接地。接地，通常是用埋入地中的金属接地体与土壤相接触实现的。将金属导体或导体系统人为地埋入土壤中，就构成一个金属接地体，称为人工接地体。原已埋入土壤中的各种金属构件、金属井管、钢筋混凝土建（构）筑物的基础钢筋、非燃性物质用的金属管道和设备等也可作为金属接地体，称为自然接地体。1.2.2 接地的分类“接地”分为保护接地和功能接地。保护接地包括系统接地(在电气装置中，为运行需要所设的接地，如中性点直接接地等)、设备接地、防雷接地(为雷电保护装置，如避雷针、避雷线，向地泄放雷电流而设的接地)等。功能接地包括防噪音接地，防静电接地(为防止静电对易燃油、天然气贮罐和管道等的危险作用而设的接地)，标准电位接地、电气化铁路接地、广播通信接地等。由此可见，保护接地和功能接地的目的是不同的7。1.2.3 保护接地所谓保护接地，指电气装置的金属外壳、配电装置的构架和线路杆塔等，由于绝缘损坏有可能带电，为防止其危及人身和设备的安全而设的接地。利用图11可说明保护接地的作用原理1。 (a) 没有保护接地 （b） 有保护接地图11接地保护的作用原理若电气设备外壳没有保护接地，如图11(a)所示。当发生单相碰壳时，外壳就带有相电压。此时如人体触及外壳，就会有单相接地电流场、通过人体，使人遭受触电的危险。如果电气设备外壳装有保护接地，边口图上1(b)如当发生同样的单相碰壳故障时，外壳上所带电压就不再是相电压，而是对地电压，即接地外壳、接地线、接地体等与“地”之间的电位差，记为，且有 （1-1）如果这时人体触及外壳，则人体与接地装置并联，单相接地电流将同时流入人体和接地装置。通过人体的电流为 （1-2）式中为人体电阻()，一般取1500。由(1-2)式可见，接地电阻愈小，通过人体的电流就愈小，最理想的就是接地电阻为零，但实际上是不可能的。通常人体电阻比接地电阻大数百倍甚至更大。只要采取有效措施使接地电阻足够小，就可使得，从而避免触电的危险7。1.2.4 接地电阻接地极或自然接地极的对地电阻和接地线电阻的总和，称为接地装置的接地电阻。接地电阻的数值等于接地装置对地电压与通过接地极流入地中电流的比值。按通过接地极流入地中工频交流电流求得的电阻，称为工频接地电阻；按通过接地极流入地中冲击电流求得的接地电流，称为冲击接地电阻(没有特别指明的接地电阻指工频接地电阻)。接地电阻包括四部分：（1）接地体与设备间联线的电阻；（2）接地体本身的电阻；（3）接地体与土壤接触部分的接触电阻；（4）当电流由接地体流入土壤中时，土壤呈现出来的电阻。地中有工频电流流散时，工频电流在地中的分布与直流电的分布在原则上是有区别的。但是，由于地的电阻率相当大，所以在计算接地体附近的电流时，由于感应电势引起的电压降与电阻电压降比较起来，可以略去不计，故工频电流的接地计算可以用直流的接地计算来代替。根据静电比拟法，直流电场的接地电阻计算可以用相应条件下静电场的电容计算来得到。根据高斯定理、欧姆定律的微分形式及电阻、电容的定义可以推导得到 （1-3）其中 式中:R接地体的接地电阻()；C接地体的电容(F)；地电阻率(m)； 地的介电系数(F/m)；地的相对介电导数。由式(1-3)可看出，接地体的接地电阻和它的电容成反比，比例常数和取决于地的电学性质。由此提出了一个极为重要的物理概念:增大接地网的面积是减小接地电阻的主要因素。同时也表明，接地电阻的大小与接地体的形状、布置方式、尺寸大小，尤其是接地体周围土壤的电阻率有关。土壤电阻率的大小与土壤温度、含水率等因素相关，随着季节的不同而变化。1.3 接地装置的安全判据对于大型接地网的安全判据、地网参数争论颇多，国内外的意见不尽相同，国内的规程规定也不一样。归纳起来是三种意见:（1）以跨步电位差和接触电位差作为地网是否合格的判据；（2）宜采用接地电阻和网格电压作为接地网的安全判据；（3）以接地电阻、接触电位差和跨步电位差综合判断接地网是否合格。第一种意见认为从源本意义上讲，限制接地电阻到一定数值，目的是保障人身和设备的安全。而且（1）接地系统的总接地电阻与可能遭受的最大冲击电流之间不一定存在简单的关系；（2）当人体接触设备时，人体可能承受的电压和诸多因素有关；（3）接地网的总接地电阻不能反映网络中局部的断开和接触不良；(4)许多事例表明，即使接地电阻达不到标准要求，但一直来运行安全。接地电阻符合要求的地网仍发生控制设备因单相接地或两相接地故障而烧毁的事例，调查表明是接地网内各点电位分布不均匀所致。为保证接地网的安全运行，应该以控制地电位升高甚至主要以控制网内电位分布为主，充分考虑接地网电位梯度所带来的危险。在美国变电所安全接地导则中，在对接触电位差、跨步电位差和网格电压进行比较后，认为网格电压是影响安全运行的主要因素。因此建议，把地网接地电阻(它决定着地网的最大电位升)和网格电压(是人体站于或靠近接地网格中时，在接地网格内可能出现的最不利的接触电压)作为接地网的安全判据。同时介绍了网格电压的计算方法。电力标准规定:有效接地和低电阻接地系统中发电厂、变电所电气装置保护接地的接地电阻应符合 （1-4）式中:R考虑到季节变化的最大接地电阻()；I计算用的流经接地装置的入地短路电流(A)。在110kV及以上有效接地系统和635kV低电阻接地系统发生单相接地或同点两相接地时，发电厂、变电所接地装置的接触电位差和跨步电位差不应超过 （1-5） （1-6）式中: 接触电位差(V)； 跨步电位差(V)； 人脚站立处地表面的土壤电阻率()；t接地短路(故障)电流的持续时间(s)。此外，SD30188要求交接试验时做外观检查、接地线通断检查，并绘制电位分布曲线。预防性试验规程还规定，为了确保接地网无开断、松脱或严重腐蚀现象，须检查有效接地系统的电力设备接地引下线与接地网的连接情况、抽样开挖检查发电厂、变电所地中接地网的腐蚀情况。至于通断检查，我国目前尚没有建立导通标准与相关的技术规范。用万用表测量被测接地引下线与相邻设备的引下线之间的电阻是检查连通情况比较方便实用的方法，也有企业对相关的智能式接地导通测试仪进行研制。对于开挖检查腐蚀情况，相关课题提出了低电压大电流法，使用该方法可实现对接地网免开挖检查，同时根据测量结果，监视接地网的运行状况。通过数据积累，还可以总结出本地接地网的腐蚀年限。1.4 接地技术和接地电阻测量方法的发展近几十年来，我国围绕地网防腐蚀、地网降阻、优化设计、地网参数(尤其是接地电阻)的计算及准确测量等问题，进行了大量的研究工作。1.4.1 接地网技术的发展（1）牺牲阳极实现地网的主动保护。在土壤电阻率相对较低的地区，地网接地电阻值容易满足要求，但腐蚀问题比较突出。金属腐蚀一般可分为:电化学腐蚀、杂散电流腐蚀和细菌(微生物)腐蚀。对地网来说，以电化学腐蚀现象最为严重。根据这一现象中的“微电池”和“宏电池”的机理，提出了以牺牲性阳极，积极保护以阴极形式存在的地网的观点，并在实践中取得了成功。据推算，采用该保护方法可使地网的使用年限延长到40年。（2）深孔或非单层接地的降阻措施。在土壤电阻率相对较高的地区，接地电阻值很难达到要求。通常采用的对策是将地网外延。由于地网敷设在厂(站)外，必然导致高电位外引，形成安全隐患，同时也需要附带经济赔偿条件。平面布置的接地极之间，在近距离内会产生屏蔽作用。深孔(井)接地却利用了三维空间，而且还将高电位引向大地深层。（3）降阻剂的使用问题。尽管围绕降阻剂的使用问题有许多争论，但也不乏使用降阻剂比较成功的实例。（4）地网的优化设计。等间距布置存在地位分布不均匀的问题。如果采用不等间距布置，即从地网边缘到中心，导体间距按一定规律增加，确定合理的导体根数，使导体上的泄漏电流密度更均匀，并由此显著地减小地网接地电阻及地表面的电位梯度和最大接触、跨步电位差。近几年来，利用建筑物基础中的钢筋作为接地体，形成立体接地网，由于具有耐腐蚀、耐用、阻值较稳定、可节约钢材等优点，越来越受人关注。1.4.2 接地电阻测量方法的发展（1）接地电阻测试仪的发展最初人们对接地电阻测量用伏安法(即由电流表、电压表)，试验非常原始。五六十年代前苏联的E型摇表取代了伏安法，电源是手摇发电机。七十年代国产接地电阻仪问世，ZC系列(如ZC28、ZC29)在结构、测量范围、分度值、准确性都要胜过E型摇表。但由于手摇发电机的原因，精度均不高。八十年代数字式接地电阻仪投入使用，稳定性远比摇表指针式高。九十年代钳口式电阻仪的诞生打破了传统的测试方式。如法国CA6411，单钳口式，最大特点是不必打辅助地棒，缺点是精度不高。奥地利GE0x双钳口电阻仪测量范围和精度有所提高，但钳口采用电磁感应原理，易受干扰。近几年，由于计算机控制技术的运用，生产出了智能型接地电阻测量仪，如意大利HT234。同时，在线测量得到了发展7。（2）测量方法的发展上世纪60年代发展起来的电位降测量理论得到了广泛的认可，IEEE标准和我国的电力行业标准均推荐使用电位降法或由其衍生的方法测量接地电阻。该方法将接地网等效为半球形电极，并且假定土壤电阻率不变。测量时布置电流极和电压极两个辅助电极，将电流极和接地网连接构成回路，用电流发生装置从地网注入电流。将电压极布置在接地网和电流极之间，用高内阻的电位计测量电压。通过不断改变电压极位置进行测量，得到接地网与电压极之间的电位降曲线，分析测量曲线，认为测量曲线中的饱和段电压为接地网相对于无穷远处的电压，计算该电压和测试电流的比得到接地电阻的测量值。但是由于电位降法需要反复多次测量，工作量很大，而电位降曲线的绘制相对也比较困难，很不利于现场操作。因此，国内外研究人员在电位降理论基础上发展了一系列简化测量方法，其中最常采用的是由电位降法衍生出的补偿法，包括我国电力部门广泛使用的0.618法和30度夹角法。这两种方法都简化了测量过程和数据处理，而且30度夹角法分开了电流极和电压极引线，能减小两者之间的耦合干扰。电位降法在理论上实现了对接地电阻的准确测量，解决了辅助电极引起的电流场畸变问题，因此得到了普遍的接受，成了事实上接地电阻测量的标准方法。但电位降法的理论基础建立在均匀土壤和半球接地极模型的基础上，这首先与现场的真实地质状况不符，从模型来说有误差，又要求测量引线足够长，测量装置也存在耦合干扰。针对上述问题，研究人员提出了一系列的修正理论或调整措施。在多层土壤的情况下，基于0.618法的测量可能导致错误的结果，误差甚至高达44%。J.Ma和F.Dawalibi等人率先提出了土壤分层理论，研究了不同土壤分层时，0.618法的误差，并计算出了误差修正曲线。进入90年代以后，清华大学、东北电力学院等国内大学和研究部门都相继发表了大量的不均匀土壤接地电阻测量的研究文献。事实上，科学的测量方法应该由土壤结构和地网参数确定，关键是找出电压极补偿点的位置，并且若把电压极布置在电流极的反方向，只能通过理论上的补偿才能得到正确结果22。2 接地电阻测量方法的比较分析2.1 接地电阻测量方法的基本原理2.1.1 接地电阻和地中电位分布接地电阻是电流I经接地极流入大地时接地极的电位V和I的比值。接地极的电位即为接地极与无穷远零位面之间的电位差。以图21所示的与地面齐平的处于均匀土壤中的半球形接地极为例。设接地极的半径为a，由接地极流入大地的电流为I，土壤中的电阻率，则在离开球心为r的土壤中，电流密度J则为 （2-1）该处的电场强度E为 （2-2）护半球形接地极由a到r之间的电阻为 （2-3）若，则 （2-4）图21均匀土壤中的半球形接地电极2.1.2 接地电阻测量的基本原理电流通过接地体向大地散流时，会受到其他接地体散流的影响。这种通常称为电流屏蔽的作用可以用接地体之间的互电阻来表示。一个接地体散流时，若有另一个此时不散流的接地体处在该电流场中，则具有某一电位，此电位与前接地体的电流之比值称为该二接地体的互电阻。若无其他接地体散流的影响，则某一接地体的接地电阻值称为真值电阻或自电阻。接地体组的关系，可仿静电方程式写出 （2-5）式中：1n个接地体电位；1n个接地体电流，接地体的自电阻、接地体i和k的互电阻。根据互换原理，i、k和k、i之间的电位系数是相等的，故互电阻 （2-6）图22接地电阻测量布线原理图22所示，G为被测接地网，C为电流极，P为电压极。则G、P、C上的电位为 （2-7）取流入接地网电流的方向为正方向，故，且流过电压极的电流极小，可视，且，得到 （2-8）所以接地网的接地电阻测量值为 （2-9）其中测量误差 （2-10）2.2 仪表法电流电压表法需要专门的测量电源，因此它的广泛应用受到条件的限制，在一些场合可以采用接地电阻测量仪法。目前，接地电阻测量仪法得到广泛的研究。概括起来可以分为二种：一种是传统的接地摇表法，采用手摇电机作电源，如国产ZC8、ZC28系列；另一种是钳表法，如法国CA6411/6413、奥地利产GE0x、意大利产HT234等。ZC8型是目前我国使用最广泛的接地摇表。这种测量仪属电位计型。用磁电系检流计做指零仪，仪表备有机械整流器或相敏整流器，以便将交流转化为检流计所需的直流电源，并可消除地中工频杂散电流对测量的影响，此外，在电压出线的回路中还串联了一个电容以隔断直流。手摇发电机输出电流的频率为105120HZ 。ZC 8型测量仪由于其电源容量小，不能提供大的测量电流，许多实践表明：测量值随干扰电流值的加大而明显增大，即抗干扰能力低。图23钳表法测量示意图钳口式接地电阻测量仪电源为干电池。主要分为单钳式(如CA6411/6413/6415型)和双钳式(如GE0x、HT234型)。测试原理是一样的，都有两个线圈，双钳口式两线圈是分开的，单钳口式把两个线圈合并在一个钳口上。测量原理如图23，电流线圈电压线圈两个线圈中有一个为电源线圈，它在接地装置回路中感应的电压为U，另一个是测量线圈，它测得接地装置回路中的电流为I，则 （2-11） 式中：被测接地装置的接地电阻； 几个接地电阻并联等效电阻。当时，式(2-11)简化为 （2-12）表21钳表法和接地摇表法的对比机型项目HT234电阻仪GEOX电阻仪接地摇摆仪测试电压80V（正弦波）20V、48V（可设定）手摇发电机（50-100V）测试频率125Hz94、105、111、128Hz（可设定）手摇频率（105-120Hz）干扰电压抗干扰20Vpp可测量无此功能干扰频率可测量无此功能测量值精度较高，稳定、重复性好稳定性较好精度低，稳定性，重复性差多极接地电阻不放线，无需打测量极不放线，无需打测量极断开引线，放线，打测量极抗干扰有此功能有此功能无此功能智能提示有此功能有此功能无此功能由此分析，测量仪不需打辅助测量极和断开接地引线，可进行在线监测。同时钳表法测得的是回路电阻，因此不但可测接地装置接地电阻值，还可以发现整个接地回路的接触和连接情况。钳形表和接地摇表的对比情况，见表21。另外需说明钳形表法测得的是异频(或高频)回路电阻，不能简单认为测量得到的就是工频接地电阻，两者之间是近似关系，需结合现场实情，分析所测接地电阻的误差特性。接地电阻测试仪体积小巧，电源方便，操作简单，适用于电线杆塔、微波塔、避雷针等小型接地装置。研究表明，由于输出功率小或测试原理等方面的原因，接地电阻测试仪不适合大地网的测试。因此导则推荐，当接地装置的最大对角线较小，且工频接地电阻值大于0.5时，也可以用接地电阻测量仪测量，但其电压极和电流极应按远离法和补偿法的要求布置7。2.3 远离法远离法是导则推荐的方法，所以也有文献称之为导则法。根据式(2-4)、式(2-9)，对于半球形接地电极来说，测得的接地电阻R为 （2-13）图24所示，G被测接地网；P测量用的电压极； C测量用的电流极23。图24电极布置和电位分布示意图要使得测量的接地电阻R符合实际接地电阻那么必须使 （2-14）远离法就是尽量增大、和，使之趋向无穷大，即可满足要求。但实际上是很难做到的。如取=10a，并取=5a，则 （2-15）即测量结果比实际值偏小10%，这在工程上是可以接受的。同时必须说明，发变电站的地网形状并不是半球形，而介乎圆盘电极和圆环电极之间。圆盘电极的接地电阻测量值R为 （2-16）式中:a为圆盘半径(即地网最大对角线的一半)；为实际接地电阻。将=10a，=5a代入，所测得的接地电阻至少比实际接地电阻小6.45%。圆环接地电极的接地电阻测量值R则为 （2-17）式中：a为圆环导体半径，b为导体中心点至圆环中心的距离；为实际接地电阻 （2-18）同样将值代入，所测得的接地电阻值将比其实际值小2.8%4.2%.图25点P是实际零电位区中的一点，实际零电位区是指沿被测接地装置与测量用的电流极C之间连接线方向上电位梯度接近于零的区域3。图25三极法原理接线图鉴于以上分析，导则推荐使用三极法测量接地电阻。图25所示，E测量用的工频电源；A交流电流表；V交流电压表；D被测接地装置的最大对角线长度(等于2a)。三极即指G、P、C 。，点P可以认为是处在实际的零电位区内。如果想准确地找到实际零电位区，可以把电压极沿测量用电流极与被测接地装置之间连接线方向移动三次，每次移动的距离约为的5%，测量电压极P和接地装置G之间的电压。如果电压表的三次指示值之间的相对误差不超过5%，则可以把中间位置作为测量用电压极的位置。读取电压表和电流表的指示值、I，则得 (2-19)2.4 异频法异频法也称变频法。异频测量法使用变频电源，地网干扰经过选频滤波被消除。即利用频谱技术首先测量地网干扰信号频谱，控制试验电源频率使之工作在未受干扰或干扰较小的频段上，采用计算机进行数据处理，可从测量结果中拾取电流电压的同相分量，并折算出地网工频接地电阻值35 38。图26中G为接地装置，P、C为电压、电流极，变频电源S向地网注入电流I，电流互感器变一次电流为二次电流i，测量电网电压为u。图26异频法测量接地电阻原理图异频法较关键的问题是变频电源和信号提取处理技术。以往测量往往用三倍频(150Hz，用饱和变压器零序输出)信号发生器和功率放大器复合组成。目前，采用电力电子技术，利用正弦脉宽调制(SPWM)原理已研制出性能优良的异频功率源。研究表明，地网的干扰信号比较复杂。图27是未注入电流时，接地装置与电压极之间测量到的干扰信号，可以发现50Hz和150Hz附近幅度最大，在35Hz以下和60110Hz之间趋近于零。图28实线系地网干扰信号对接地电阻测量结果的影响，可见在35Hz到60Hz、120Hz以上的区域干扰电压影响大，在低频范围内地网接地电阻值随频率的增加有缓慢上升的趋势。但国际大电网会议36.04.01(变图27地网干扰的信号频谱图图28连续变频测量接地电阻结果电站接地)工作组(1982年)指出，测量电流的频率与工频频率的偏差应不大于10Hz(即测量频率4060Hz)，偏离太大将产生显著误差。为了准确拾取有用信号，信号采集时，根据变频电源的输出频率确定每周期固定采样N点，使长度为N的序列中包含1个周期的有用信息。信息处理时，默认有用信号为基波，用傅立叶变换，求出有用信号的幅值和相位。对于如何处理这些信号，产生了二种思路:第一种是通过电压、电流间相位差或者是工频附近二个频率源下的测量值的计算，消除引线间的互感电压(包括接地电阻电抗电压分量)。如JD型接地电阻测量仪；第二种是通过工频附近二个频率电源下测得的接地电阻，利用插值法计算出工频下的接地电阻值(包括电流、电压引线间的互感)，如DZY5A、JD16型测量仪。异频法的优点是设备轻小、电流引线细、操作方便，且能比较有效消除地网中的工频及高频干扰。第一种思路的方法能消除引线间的互感电压，但测得的接地电阻值为纯电阻。第二种方法不能消除引线间的互感，必须借助电压电流极成180度(或90度)布线或计算引线互感抗或放置电压、电流极引线，来测量接地装置的电阻和电抗分量。如何利用第二种方法，并与其他方法(如四极法等)相结合，来消除引线间的互感，是值得研究的问题。2.5 0.618补偿法2.5.1 电压极和电流极按直线布置如图24，令，于是，代入式（2-14）得 （2-20）解得a=0.618，即只要将电压极打在处，就能测得正确的结果，这就是0.618补偿法23。在远离法中(见2.3节所述)即使取，所测得的接地电阻仍要比实际值小10%，这是由于零位面的移近使接地装置和零位面间的电位差降低所引起的。如果把电压极由50%的零位面右移到61.8%的负电位处，则电压表的读数即可相应增大，从而补偿了由于零位面移近而带来的固有误差。补偿法通常用在地网尺寸大，用远离法测量对电压和电流引线过长而造成困难时。必须特别指出，在均匀土壤中，即使取，仍可得到满意的结果，但在土壤不均匀的条件下情况将变得比较复杂735。补偿法是一种人为的修正方法，还可推广应用到电压极和电流极按三角布置的情况。2.5.2 电压极和电流极按三角布置仍以半球形接地电极为例，如图29所示。可得到 （2-21）代入式(2-13)得 （2-22） （2-23）图29电压极和电流极按三角布置欲使R= ，令，可得到 （2-24）令a=1，解得 =28.96度约等于30度，即电压极和电流极与被测接地装置的距离相等，其夹角为30度。导则推荐取，=30度。如果由于客观原因不能满足要求，也可在所测得的接地电阻R的基础上利用式(2-23)进行修正。用补偿法测圆盘和圆环的接地电阻时，只要满足，即可把测量误差控制在1%的范围内。2.6 瓦特表法瓦特表法就是采用三极法的工作原理，通过测量电流和功率求得接地电阻 （2-25）式中：P接地电阻上的有功损耗(W)；I输入接地装置的交流电流有效值(A)。图210为测量原理图，接地装置的接地电阻；电压极的接地电阻； 电流极的接地电阻；M电流回路与电压回路之间的互感。图210瓦特表法测量接地电阻原理图通过推导可得 （2-26） （2-27） （2-28）式中：、 不加测试电源的干扰电压、电流和功率；、 加测试电源后测得的电压、电流和功率；、反相加测试电源后测得的电压、电流和功率。将式(2-26)、(2-28)代入(2-25)式，即可求得接地装置的接地电阻。所谓的功率因数表法，即在三极法的基础上，加接功率因数表，测量原理与瓦特表法相似，不再赘述。瓦特表(包括功率因数表)法的优点是测量原理简单明了、试验操作简单、测量数据少、计算方便。能消除测量引线间互感的影响，结合倒相法，能有效消除地网中各频率成分(包括直流)的干扰电压。同时测量电源容量可适当降低(根据干扰的大小)，且不受电源波形或非工频干扰成分的影响。因此，水电厂接地设计导则推荐了该测量方法。但瓦特表法的缺点也非常明显，一是瓦特表的内阻。不能比电压极的接地电阻，大许多(如)，以致实际需按下式来修正 （2-29）实践中的条件非常难满足(为保证足够的微分力矩，瓦特表电压线圈的电流必须足够大，一般有30、50和100mA三种。若额定电压为100V，则内阻分别为3.33、2.0和1.0k)使得电压回路中有电流流过，也改变了原来电流在地中的电场分另外，误差还取决于表计(主要是瓦特表)上偏转大小，如图211，当瓦特表偏转格数大于5至10格(满表75格)时，其误差将稳定在较小的水平上。这与实际测量也是相符的。还有，如果电压极引线上的互感电压足够时，瓦特表的电压线圈中电流与电流线圈中的电流之间的相位差可能很大，图211测试误差与表计偏转格数的关系存在超过瓦特表标定“功率因数”的限值而引入额外误差。因此，指针式瓦特表法的应用受到限制，有文章40建议选用数字式功率计。二是外接电流互感器变换后，带来一个附加误差，模拟测试可达5%左右。三是瓦特表测量值是纯阻性量，对大型地网来说，所测数据将偏小。通过以上分析，瓦特表法测量接地电阻值将明显偏小，但许多实例测量结果反而偏大，有待于进一步分析研究16。2.7 三极法2.7.1 三极法测量接地电阻的基本原理三极法适应于各种接地电阻的测量，其按采用电源的性质可分为交流和直流两种；按采用测量仪表的类型可分为电压电流表法、电流功率表法、比例计法和电桥法等。三极法测量接地电阻的基本假定为：（1）被测接地网为半球形电极，测量时要引入电流极和电位极，二者可视为点电极。测量时3个极点位于一直线，即在一个平面上，不是在立体内；被测接地网的等效半径r与接地网至电流极的距离d之间rd 关系。（2）所加的测试电流在被测接地极与电流极之间能产生一个恒定的电流场。（3）大地土壤均匀或近乎均匀，为补偿测量误差，可在0.618处设置电位极。三极法用于小型接地装置的接地电阻的粗略测量，原理图如图212所示。三点法测量接地电阻时，采用两个试验电极P和C。设两试验电极的接地电阻分别是和，待测接地装置G的接地电阻为，采用两点法分别测量GP，GC和PC间的接地电阻，测量得到的每对接地极的接地电阻为R12，和R23。 图212三极法测量接地电阻原理图解上面的方程组可以求得: （2-30） （2-31） （2-32）解上面的方程组可以求得: （2-33）采用该方法，电极间的相互距离应至少为5m，最好在10m或以上，与接地系统尺寸属同一数量级。2.7.2 误差因素（1）接地网与测试电流极的距离理论计算表明增大d能减少接地网附近电流场的畸变，这是减小测量误差有效和正确的途径， 为现场大量测量实践所证实。目前接地技术规程推荐d = 5Dmax(D max为地网最大对角线距离)，但应注意5Dmax是最小所需距离，实测时希望越大越好，一般取大于10倍远的地方。 （2）电线路避雷线与接地网间的隔离接地电网在正常运行状态中， 输电线路避雷线与接地网应相接以增加分流;接地网处于测量状态时，需与线路避雷线解除(断开) 以达到被测接地网是孤立的接地体。但线路避雷线在构架上空断开并非已断开避雷线。因杆塔施工人员常将线路终端杆的地下接地线接到变电所在围墙外的地下的接地线上，形成假象的低成本、高质量的杆塔接地装置，这给接地电网的测量带来诸多问题和假象。 （3）零电位区域的测量验证理论上接地极的无穷远处才是零电位点。测量时引入的电流极迫使两者之间电位重新分布，为减小测量误差，电位极须放在0.618d位置，如不满足上述3个假定条件时， 零电位点就会在0.618d处向+或-方向发生偏移， 故须测量局部电位分布， 确定零电位区域。（4）其他影响高频电压的干扰测量用线很长， 会受电台、电视台及各种发射台感应的高频电压干扰， 可用一个工频容抗为测量电压表输入阻抗300倍以上的纸或油质400V 电容器与电压表并联使用。同时还受到测量信号量的不稳定性影响、测定时间与季节系数、电位极接地电阻大小的影响。2.7.3 三极法的作用实际测量时，与上述三个基本假定有差异，其差异越大，测量误差越大。运用三极法测量接地电阻，在一定条件下其测量结果是可信的，但实际情况错综复杂，特别是由于土壤电阻率的向异性、工频干扰，以及电位极和电流极引线间互感等因素的影响，给实际测量带来了不同程度的误差。对此，目前已提出不少改进措施，如加大测量电流，以提高信噪比；采用倒相法，以消除工频干扰电压引起的测量误差；对电位极和电流极采用三角形布置，以消除其引线间互感的影响；以及在测量结果中去除干扰信号等方法来提高测量的准确度。三点法与两点法相比，理论上已消除电流极接地电阻对测量值的影响，因此其误差值比两点法低了许多，对于要求比较高的大型接地电网，实测接地装置情况与上述假设有差异，差异越大，测量误差越大。运用三极法测量接地电阻，在一定条件下其测量结果是可信的，但实际情况错综复杂，特别是土壤电阻率的各向异性、工频干扰以及电位极和电流极引线间的互感等因素的影响，给测量带来了不同程度的误差。对此，目前已提出不少改进措施，如：加大测量电流以提高信噪比，采用倒相法以消除工频干扰电压引起的测量误差，对电位极和电流极采用三角形布置以消除其引线间互感的影响，以及在测量结果中去除干扰信号等方法来提高测量的准确度。未加改进措施的误差不能满足误差要求，因而三极法一般只用于小型接地装置的粗略测量。2.8 四极法三电极法一直是测量接地电阻的传统方法，但是它的电压、电流极却必须设置在离被测接地极至少10倍远的地方，这对于大型地网或者土壤极不均匀的地区并不实用。如何使测量准确而又简便易行，一直是电力工程技术人员重点研究的课题。本节将以此为目的，在多电极测量接地电阻值理论的基础上，对四电流极法做出系统的试验研究。为了消除电流引线与电压引线间的互感电压，可以采用四极法，即在电位降法的基础上再增加一个电极，在被测电极G附近地中插入一个辅助电位极A。当在接地极G和电流极C间施加电流I时，可以测出G，P， A各点间的电位差UGP，UGA，和UPA。 图213四极法接地电阻等效电路图2.8.1 理论计算图214即为四极法的示意图。设土壤电阻率均匀，接地电极E是半径为a的半球形，注入电流为I；电流极Cn(n=1，2，3，4图中画出4个)布置在接地电极四周，距E均为L，P为电压极，距离E为x，N点为电位过零点，距离E为y。由电场原理，不难得出E、C极在x处的电位。 图214 四极法示意图 （2-34） （2-35）已知半球状电极的接地电阻理论值= ，由电位迭加原理可以导出采用n个电流极(为了方便计算，假设均匀分布)测量接地电阻时各参数的通用表达式(n2)。n点的电势为: （2-36）测得的接地电阻为： （2-37）接地测量的相对误差为 （2-38）当n为不同值时，分别令Vn=0、Rn=0，所得各参数值见表22(n为电流极的数目，y/L、x/L分别为电位过零点、误差补偿点的位置)。由表可见，随着电流极数目的增加，y/L及x/L值均逐渐增大，证明电位过零点和误差补偿点均逐步向电流极方向靠近，如图215所示，N1即为右移后的电位过零点位置；此外可算得，对应的n值变大，Rn的值在逐渐减小。按照这个结论，多电表22电流极数不同时y/L、x/L的变化值n=1n=2n=3n=4.n=y/L0.50.6180.670.711x/L0.6180.750.820.861极法不仅能保证测量值足够精确，而且在P极位置与三电极法相同的情况下，可缩短各电流极与被测接地电极间的距离，以下通过试验来具体分析。1被测接地极单独存在时的地面电位分布曲线;2三电极法的地面电位分布曲线;3多电极法的地面电位分布曲线图215三电极法与多电极法的地面电位分布曲线2.8.2 试验研究以下对四电流极法做出具体论述：室内接地试验一般都是用电解槽来模拟。如图216所示，电解槽采用2m2 m2 m混凝土水槽，电解液用自来水，被测电极E置于水槽中央，半径a=2cm，电压极P为一细铜制探针图216电解槽试验装置首先使L =10a=20 cm，合上电源，让P极从E缓慢向C极移动，同时调节调压器使电流保持100 mA不变，可测得