分层土壤状况下地网接地电阻测量误差分析(精)

1、分层土壤状况下地网接地电阻测量误差分析摘 要 ：分析了理想接地球体状况下，垂直地面方向两层分层和水平 方向两层分层的土壤结构对现行规程推荐的0618法和30夹角法测量地网 接地电阻误差的影响，并对测量引线间互感对测试结果的影响进行了计算分 析。关键词 ：接地网；分层土壤；接地电阻；测量误差；互感发变电站地网接地电阻值是接地系统的重要技术指标，它是衡量接地系统的有 效性、安全性以及鉴定接地系统是否符合设计要求的重要参数。为保证设备安 全运行，电力设备预防性试验规程规定了接地网不超过6年要测量一次接地电 阻。正确测量地网接地电阻对于确保发变电站的安全运行具有十分重要的意 义。如何准确测量发变电站接

2、地系统，特别是大型接地系统的真实接地电阻是 长期困扰电力工作者的一大难题。测量大型接地系统接地电阻的方法主要采用 电位降法，该方法将测试电流注入待测接地体，记录该测试电流与接地体和试 验用电压极间电压的关系。我国电力系统一般都采用直线法（又称0618法）和30夹角法进行接地电阻的测量1。30夹角法与直线法通过寻求接地 体和电流极之间的零电位面，有效地利用了电流极的引入造成的电场畸变，从 而大大地缩短了测量引线的长度。电力系统现行规程1所推荐的方法主要是 针对均匀土壤，规程的公式是根据理想半球形地网、均匀土壤而得的。但实际 测量中接地电阻结果明显受土壤不均匀性的影响，以致有时造成地网接地电阻 测

3、试不同方向测量得到的接地电阻相差较多。目前有很多文章对两层和三层土 壤中地网接地电阻计算方法进行了研究，基本思路是采用边界元法，计算点电 流源在任意一层土壤中时每一层土壤的电位分布，求得每一层的格林函数，得 到地网接地电阻的显式表达式，利用计算机程序得到地网接地电阻计算值 2。但是很少见到分析土壤分层状况下地网接地电阻测量误差的报道。本文 利用文献2的思路，计算接地球体在任意一层土壤中时每一层土壤的电位分 布，得到接地电阻测量值的表达式，从而分析理想接地球体状况下，理想土壤 两层垂直和水平分层结构对现行接地规程推荐的测量方法误差的影响，对测量 引线间互感对测试结果的影响进行了计算分析。1分层土

4、壤对接地电阻测试影响计算原理如图1所示，垂直地面方向两层土壤分层，上层土壤厚度为h, 土壤电阻 率为p1，下层土壤电阻率为p2，理想接地球体半径为a，流过理想接地球体 的电流为I，电流极距地网距离为d，则根据镜象法可以写出不考虑电流极影响 时，地面上任一距离理想接地球体为x的位置电位为3：实际测量时，由于电流极不可能拉到无穷远，受电流极的影响， 位还存在如下分量受电流极的影响，此时理想接地球体的电位为：x点的电在x点所测接地电阻测量值则接地电阻测量值R与实际接地电阻值R）的误差为:&的解析包含了4个级数，它是d,x, 软件编程可以实现4。a，h和k的函数，利用MATLAB30夹角法测量

5、时，全部公以上公式为值线法测量时的公式，当采用式中（dx）用电流极和电压极之间的实际距离代替。 水平土壤分层时的计算方法与前面类似，不再重述。 本文分析计算中，地网及电流极均为理想接地球体，取点电流源在距离为a处的电位作为理想球体的电位，实际地网的电位分布与等效直径为地网对角 线长度的理想接地球体的电位分布存在一定误差。根据文献3的计算，直线 法测量时保持电流极到实际地网的距离为10 a以上，不考虑土壤分层时实际地 网等效为理想接地球体引起的接地电阻值测量误差小于10，此误差工程上可 以接受。理想接地球体和实际地网接地电阻测试误差受土壤不均匀程度影响的 变化趋势是一致的。实际地网更精确的接地电

6、阻测量误差需要借助成熟的通用 软件计算，测量相对误差&不存在简单的数学解析式。2考虑垂直地面方向两层土壤状况下接地电阻测试误差分析21电压极位置与土壤结构关系 垂直地面方向两层土壤状况下电压极位置与土壤结构关系如图256。假设有两层土壤分布，上下层电阻率分别为p1,p2,定义k=（p2p1）/（p2+p1）为土壤不均匀系数，h为上层土壤厚度，a为地网等值半 径（以下同）。由图2可以看出，当k=0（即土壤均匀），则电压极和接地极 之间的距离为电流极与接地极间距离的0618倍时，直接将电压极布置在该点 测量得到的接地电阻测量值即为接地系统的实际接地电阻值。在两层土壤结构 中，当上层土壤厚度

7、与电流极长度可以比拟时，电压极选择就不一定是0618处了，而是随着k值的变化而变化，当下层土壤电阻率大于上层土壤时，则电 压极与被测接地系统的距离在0618 d的基础上相应增大；反之则减小5，6。显然，这时还用0618法作为布置电压极的原则就会导致测量误差。当k从0.95至0.95变化时，对应电压极位置在0.520.87的位置变化，实际测量寻找零位面时不可能从052的位置一直找到087的位置。2.2 0.618法的测量误差垂直地面方向两层土壤状况下0.618法测量误差如图3。计算条件：电流极距离地网为10a，电压极距离地网为6.18 a。考虑土壤 垂直地面方向分层时，0.618法测量存在误差，

8、误差随着k值的变化而变化， 当下层土壤电阻率大于上层土壤时，则测量结果偏小；当下层土壤电阻率小于上层土壤时，则测量结果偏大。相对误差从037至007变化（k从095到0.95变化时）。当上层土壤很薄（h-0）或上层土壤很厚（h-x）以及 土壤不分层（k=0）时，直线法测量误差为0。2.3 30夹角法测量误差垂直地面方向两层土壤状况下30夹角法测量误差如图4。计算条件：电流极距离地网为4 a，电压极距离地网为4a，电流线与电压 线夹角为30。考虑垂直地面方向土壤分层时，30夹角法测量存在误差，误 差随着k值的变化而变化，当下层土壤电阻率大于上层土壤时，则测量结果偏 小；当下层土壤电阻率小于上层土

9、壤时，则测量结果偏大。相对误差从0.5至0.2变化 （k从0.95到0.95变化时） 。 当上层土壤很薄 （h0） 或上 层土壤很厚 （hx）以及土壤不分层（k二0）时，直线法测量误差为0。3考虑水平方向两层土壤状况下接地电阻测试误差3.1 0.618法测量误差与土壤结构关系 考虑水平方向两层土壤状况下0.618法测量误差与土壤结构关系如图5计算条件：b为地网中心距离土壤水平分界面距离，其他参数同上，电流极距离地网为10 a,电压极距离地网为6.18 a。由图5可以看出，当k=0（均匀土壤）或b很大（地网距离土壤水平分界面很远）时，0618法测量误差为0；其他情况下,0.618法测量误差随着k

10、值的变化而变化,当电流极处 于高电阻率土壤时,则测量结果偏大；当电流极处于低电阻率土壤时,则测量 结果偏小。相对误差从0.1至0.9变化（k从0.95到0.95变化时）。3.2 0.618法沿不同方向布线测量时误差分布 当地网中心位于水平方向土壤分界面时,0.6 1 8法沿不同方向布线测量时误差分布见图6。计算条件：电流极距离地网为10a,电压极距离地网为6.18 a。当电流线 与土壤分界面垂直时定义夹角为0,电流线与土壤分界面平行时定义夹角为90（以下同）。由图6可以看出,电流线与水平方向土壤分界面垂直时误差 最大（在两层土壤电阻率相差40倍时可达3.8倍）,电流线位于土壤分界面 时误差为0

11、;测量误差与土壤不均匀系数k有关，当电流极处于高电阻率土壤 时,则测量结果偏大；当电流极处于低电阻率土壤时,则测量结果偏小。相对 误差从0.1至3.8变化（k从0.95到0.95变化时）。33 30夹角法沿不同方向布线测量时误差分布 当地网中心位于水平方向土壤分界面时，30度夹角法沿不同方向布线测量 时误差分布见图7。计算条件：30夹角法测量时电流极距离地网为4 a，角度定义同上。由 图7可以看出，30夹角法测量误差与土壤不均匀系数k有关，当电流极及电 压极处于高电阻率土壤时，则测量结果偏大（在2层土壤电阻率相差40倍时误 差可以达到71倍）；当电流极及电压极处于低电阻率土壤时，则测量结果偏

12、小。相对误差从01至71变化（k从095到095变化时）。当电流 线或电压线垂直于土壤分界面时误差最大。当电流线或电压线位于土壤分界面 时误差为0。4电流电压法测量时互感影响计算大型发变电站地网测试的特点是地网面积很大，测试电流线和电压线很 长，如广东省500 k V汕头站地网最长对角线达到1 k m，测量时电流线长达10 km。很难避免电流线和电压线的长距离平行，此时电流线和电压线之间的互 感将影响测量结果。接地系统的土壤电阻率、接地电抗和地面电位测量导 则6明确指出“对于接地阻抗为1Q或以下的接地网，其试验引线间的耦 合应予重视；而对于接地阻抗在110Q的接地网，其试验引线间的耦合应予 考

13、虑”。如图8所示，距离为D的两平行导体放置在地面上，土地电阻率为P，则其中一根导体作为电流线以大地回流时，两导体之间单位长度互感阻抗 为3：式中：Z单位长度互感阻抗，Q/m- 系数，k = n2X10一7H/m- 真空磁导率， 卩0=4n X10_7H/m测试频率，De 导体在地中镜像距离，m，其中k=80Q0.5m0 5,p为地面电阻率，Qn。电流线流过电流I时电压线上的感应电压将影响测量结果。很显然如f=0,则不存在互感影响（Z=0）。值得注意的是互感阻抗Z里面有阻性分量项kf，这是由大地回流的特点决定的，该分量可以解释文献7论述在固定电流 极、电压极位置时升高电流频率测试地网接地电阻时接

14、地电阻纯阻值升高的原 因。但该分量项比较小，如f=50Hz时，该分量项仅为0.049 3Q/km因 此，该阻性分量与感抗分量相比可以忽略，与大型地网接地电阻值0.5Q的数 量级相比也可以忽略（除非电压线和电流线平行布置的距离超过几千米）。测量电压包含了互感分量（R为待测接地电阻），如果待测接地电阻小于0.5Q,那么当互感感抗接近0.5Q时，测量结果不准 确。图9为两平行导体单位长度互感感抗与土壤电阻率、导体距离关系（忽略 互感阻抗Z里面阻性分量项）。从图中可以看出，两平行导体距离减小，单位 长度互感感抗增大;土壤电阻率增大，单位长度互感感抗增大。当电流线与电 压线地面平行布放距离D=5 m，地

15、面电阻率p=100Qm时，单位长度互感 达到0.32Q/k m。此时如果电流线与电压线平行长度超过1 km,则测量结果 必须考虑互感分量。极端情况下两条平行试验引线间工频的电感耦合可高达1Q/km6。广东省500 kV变电站用直线法测量结果全部不合格，主要是因 为电压线与电流线之间互感分量的影响。在采用远离反向法测量广东省某大型 地网接地电阻值时，用示波器测量电压信号发现阻性分量是感性分量的410倍以上。5结论a）以接地球体为例，考虑土壤垂直地面方向和水平方向分层时，直线法和30夹角法存在明显误差。b）土壤垂直地面方向分层时，直线法和30夹角法测量存在误差，误差 随着土壤不均匀系数的变化而变化

16、。当下层土壤电阻率大于上层土壤电阻率 时，则测量结果偏小；当下层土壤电阻率小于上层土壤电阻率时，则测量结果 偏大。c）水平方向土壤分层时，直线法和30。夹角法存在误差，误差随着土壤 不均匀系数的变化而变化。当电流极处于高电阻率土壤时，则测量结果偏大； 当电流极处于低电阻率土壤时，则测量结果偏小。d）当地网位于水平方向土壤分层分界面时，直线法和30夹角法测量误 差比较大，极限情况下误差分别可达38和71倍。e）在土壤水平方向分层时，直线法、30夹角法应尽可能沿土壤分界面布 置测量线，此时直线法、30夹角法测量误差相对较小。f）大型地网接地电阻测试必须考虑排除电流线和电压线之间互感影响。参考文献 ：1DL475-1992，接地装置工频特性参数的测量导则S.2 文习山，陈慈萱.三层土壤中立体地网接地电