1、目次前言前言目的范围测试内容定义接地网测试时的安全措施有关测量的一般性规定土壤电阻率测量接地阻抗地面电位冲击接地阻抗模型试验测量仪器有关测量的其他事项附录 提示的附录 非同质土壤的地电参数附录 提示的附录 两层土壤模型参数的确定附录 提示的附录 电位降法的原理前言本导则是根据美国标准 接地系统的土壤电阻率接地阻抗和地面电位测量导则第部分常规测量 制定的在技术内容上与该标准等同编写格式也与该标准一致美国电气和电子工程师学会 制定了大批有关电工和电子方面的标准 这些标准均以这些领域的研究成果为依据 具有先进性和实用性的特点在国际电工界和电子界享有盛誉的内容涉及接地系统各种参数的测量 被纳入美国国家
2、标准编号 我国的国家标准对接地系统的设计和施工涉及较多 而对接地系统参数的测量涉及较少引入 可充实这方面的内容 迄今该标准尚未修订本标准的附录 附录 附录 均为提示的附录本标准由国家机械工业局提出本标准由全国建筑物电气装置标准化技术委员会归口本标准由电力工业部信息研究所 东北电管局北京供电局等单位起草本标准由电力工业部信息研究所负责解释本标准主要起草人 戴耀基 孟庆波陈淑芳前言为提高本导则的实用性本导则分为两部分 第 部分 常规测量 其内容包括不需要特殊高精设备 测量技术和没有特殊困难在大型接地系统或存在异常高的交 直流杂散电流等情况时会有这种困难 的大多数现场测量第 部分曾作重大修改 第 部
3、分特殊测量 将在以后制定 该部分意在提供一些测量方法 以便当存在一些特殊困难按常规测量方法难于测量或测量不准时使用 特大的电站接地网和架空线路接地极就属于这种难于测量的接地系统本导则由电力系统仪器和测量委员会 分会土壤电阻率接地阻抗和地面电位测量工作组编制中华人民共和国国家标准接地系统的土壤电阻率 接地阻抗和地面电位测量导则第 部分 常规测量国家质量技术监督局 批准 实施目的制定本标准的目的在于介绍接地电阻接地阻抗 土壤电阻率地电流形成的地面电位梯度等的测量技术现状 和用比例模型试验预测接地电阻和地面电位梯度的方法本标准还介绍影响仪器选择和各种测量技术的因素这些因素是 测量的目的所要求的准确度
4、现有的仪器类型误差产生的原因所测的地或接地系统的特性等本标准可帮助技术人员取得准确可靠的数据并正确分析这些数据 本导则所提供的测试步骤有利于人身和财产安全 并可防止对相邻运行设备的干扰范围本标准的测试方法包括测量从小型接地棒 接地板到电站大型接地系统等各种接地极的接地电阻和接地阻抗测量地面电位包括测量跨步电压 接触电压和等电位线为完善工程设计 按比例模型试验法在试验室内预测接地电阻和地面电位梯度测定土壤电阻率本标准所列测试方法仅限于使用直流电流 周期性换向直流电流 正弦交流电流和冲击电流 用于测量冲击接地阻抗 本导则没有包括所有可能的测试手段和测试方法由于测试中的可变因素很多测试难以做到高度准
5、确 因此要用现有的最合适的测试方法仔细地做试验 还要彻底了解误差产生的原因测试内容测量接地电阻或接地阻抗 和测量由于地电流形成的地面电位梯度的目的为验证新装接地系统的合适性检查现有接地系统的变化情况测定危险的跨步电压和接触电压测定地面电位升 以便为电力线路和通信线路设计保护措施比例模型试验法有助于研究新式的接地系统 由于复杂的接地方式和复杂的土壤构造 用分析法难以充分研究这种新式的接地系统测量土壤电阻率有助于估算拟建变电站或输电线路铁塔的接地电阻估算地面电位梯度 跨步电压和接触电压计算相邻近的电力线路和通信线路间的电感耦合设计阴极保护系统进行地质勘察定义本章列出有关本导则的术语定义由其他组织制
6、定或批准的术语定义与本导则有关者也尽可能采用此处列出的定义仅适用于本导则 术语的其他解释见 电工和电子术语标准辞典接地一种有意或非有意的导电连接 由于这种连接可使电路或电气设备接到大地或接到代替大地的某种较大的导电体注 使用地的目的是 使连接到地的导体具有等于或近似于大地或代替大地的导电体 的电位 引导地电流流入和流出大地 或代替大地的导电体接地的指将有关的系统电路或设备与地连接地回电路利用大地形成回路的电路接地电流在大地或在接地极中流过的电流接地导体指构成地的导体该导体将设备 电气器件 布线系统或其他导体 通常指中性线 与接地极连接接地极构成地的一种导体接地连接用来构成地的连接 系由接地导体
7、 接地极和围绕接地极的大地 土壤或代替大地的导电体组成接地网由埋在地中的互相连接的裸导体构成的一组接地极 用以为电气设备和金属结构提供共同的地注 为降低接地网电阻接地网可连以辅助接地极接地均压网位于地面或地下连接到地或接地网的一组裸导体 用以防范危险的接触电压注 接地均压网的通常形状是适当面积的接地板和接地格栅接地系统在规定区域内由所有互相连接的多个接地连接组成的系统接地极地电阻接地极与电位为零的远方接地极之间的欧姆律电阻注 所谓远方是指一段距离在此距离下 两个接地极的互阻基本为零接地极互阻指以欧姆为单位表示的一个接地极 直流电流变量在另一接地极产生的电压变量电位指某点与被认为具有零电位的某等
8、电位面 通常是远方地表面 间的电位差注 比零电位面高的点称为正电位比零电位面低的点称为负电位等电位线在给定时间内具有等电位诸点的轨迹电位 曲线指沿规定路径上电位与距离的函数关系曲线表面电位梯度电位线的斜率其轨迹与等电位线正交接触电压接地的金属结构和地面上相隔一定距离处一点间的电位差 此距离通常等于最大的水平伸臂距离约为跨步电压地面一步距离的两点间的电位差 此距离取最大电位梯度方向上 的长度注 当工作人员站立在大地或某物之上 而有电流流过该大地或该物时此电位差可能是危险的在故障状态时尤其如此材料 电阻率有效电阻率指一种系数其值等于材料内的电场强度除以传导电流密度耦合在两个或两个以上电路或系统间
9、可进行一电路系统 到另一电路 系统功率或信号转换的效应注 耦合分为紧耦合和松耦合两种 在紧耦合时 各元件的诸变量间相位移较小 紧耦合各系统间有大的相互效应这种效应可用系统矩阵的矢积表示电容耦合在两个或两个以上电路间借助电路间电容的耦合电阻耦合在两个或两个以上电路间借助电路间电阻的耦合直接耦合在两个或两个以上电路间借助电路共同的自感 电容电阻或三者集合而形成的耦合电感耦合对于通信电路本术语指两个或两个以上电路间借助电路间互感而形成的耦合注 电感耦合这一术语通常指互感所形成的耦合而直接电感耦合这一术语指诸电路共同的自感所形成的耦合对于电力和通信电路指相邻的电力电路和通信电路间因电感应磁感应或电磁感
10、应而形成的相互关系架空线防雷保护用 接地极指一个导体或一组导体 装设在输电线路下方位于地面或地面上方 但绝大多数在地下并与铁塔或电杆基础相连接地网测试时的安全措施变电站接地网测试在进行接地网测试时 如果电力系统发生涉及该接地网的故障则在该接地网与远方零电位点间会有致命的电位差存在由于接地网测试内容之一是为电流极和电位极选定远方零电位点的位置 因此在选择电极引线时应考虑该引线能承受引线和接地网任何一点间可能出现的电位差此电位差的大小可如此考虑 即在比较大的变电站里其接地网的接地阻抗应为 的数量级假定通过该接地网的接地故障电流在 的数量级 则对远方零电位点的电位地电位升 可达 的数量极 如接地阻抗
11、及故障电流更高 则接地网电压的升高可超过上述情况表明在手触试验引线时应倍加小心 决不允许通过人的两手或人体其他部分使可能具有高电位差的两点构成回路 虽然在人触及试验引线的同时 发生接地故障的可能性极少但不应忽视这种可能性的存在 因此 在测量运行中的 变电站接地网时 应使用绝缘鞋绝缘手套绝缘垫及采用其他防护手段在所有的情况下应遵守有关专业组织所制定的安全程序和安全方法避雷器接地极测试由于避雷器接地极通过的是时间很短的高幅值雷电流 这种接地极属于特殊的类型 雷电流幅值可能超过 对于一个有缺陷的避雷器还要考虑其故障电流 由于避雷器断开接地极后其底座电位可能升到线电位 因此不应断开避雷器接地极进行测量
12、 只有在采取措施使避雷器放电电流减至最小时 才可测试其接地极小型独立接地极这一措施涉及电流极周围可能出现的高电位梯度 如果像电位降法那样使测量电流流入安放在远处的电流极 则在测试过程中 应不使好奇的人停留在电流极附近在乡村不应使放牧的牲畜走近电流极有关测量的一般性规定复杂性测量土壤电阻率接地阻抗和地面电位梯度要比测量其他种类的电阻阻抗和电位更为复杂可能需要进行多次测量并绘制曲线杂散电流及其他因素通常会干扰测量工作由于电站附近地区的开发和工业的发展 为测量接地电阻而选择测棒的合适安放位置就越来越困难 此外架空地线地下水管 电缆外皮等都可能使接地网畸变或扩大注 架空地线可因有意处置或因接触腐蚀而对
13、地绝缘 因此低电压的测试结果与真实故障时的测试结果可能不同接地阻抗的测量应在接地网安装完毕后立即进行 以确定应接入接地网的接地部件无漏接 要考虑到以后安装的装置如水管 铁轨等将会改变所测的数据还要考虑到 在接地网安装一年以后 由于土壤变得均匀坚实 接地阻抗通常会降低试验电极在接地阻抗测量中 要用到电流极和电位极如果所采用的接地阻抗测量方法是两点法或三点法则对两点法来说试验电极的阻抗与待测接地极的接地阻抗值相比较应可予以忽略 而对三点法来说试验电极的阻抗与待测接地极的接地阻抗值应属于同一数量级 否则 测试结果就可能不正确显然 以上的限制使上述的测量方法仅适用于像住宅游泳池和小型低压配电变电站那样
14、相对来说较小的接地网在采用电位降法测量接地阻抗时 对试验电极的要求不是如此严格理论上 试验电极的接地电阻不会影响测试结果因为此因素已在测试方法中加以考虑 但实际上试验电极的接地电阻值不应超过一定限度 否则 流过测量仪器的电流不足 这意味着该电流低于仪器灵敏度的要求值该电流和地中杂散电流属于同一数量级上述二者均存在对于第一种情况在测量现场可采取的唯一正确方法是提高测试电流 为此可提高电源电压 或降低试验电极的接地电阻 提高电源电压并不总是能办得到的 特别是在测量仪器配上手摇发电机时更是如此 如提高电源电压可行 则应采取措施避免在试验电极和试验引线上出现危险电位 在采取特殊安全措施 如戴绝缘手套或
15、穿着绝缘鞋 后可将试验电极和试验引线上的最高安全电压提高到通常提高测试电流的最有效方法 是降低电流极的接地电阻 这可通过将电流极更深地打入土壤在电流极周围泼水或打辅助电极并和电流极并联方式实现 但在所泼的水中添加盐是无甚效果的 增加湿度才是最有效的通常电流极和电位极的电阻值应符合所用仪器的要求 对普通的市场出售的仪器 电位极的接地电阻值可取 有些制造商则声言他们的仪器允许采用 的电位极电流极的电阻通常应小于 电流极的电阻值是电源电压和所要求的测试电流的函数 电源电压与电流极电阻的比值决定了流过所用仪器电流表的测试电流 按照经验电流极电阻与待测接地极电阻的比值不应超过 比 最好是 比 或更小对于
16、第二种情况在进行直流电流测试时测试电流应增加 以克服地中直流杂散电流的干扰效应在用交流或周期性换向直流电流测试时应选用不含杂散电流频率的测试电流直流杂散电流土壤的导电是电解性导电直流电流导致化学反应和使电位差具有极性 在各种类型的土壤间和在土壤与金属间的电池效应都产生直流电位直流电位极化以及直流杂散电流都可能严重干扰直流电流测量 因此在测量时常使用周期性换向直流电流 或使用规则的脉冲电流 然而用周期性换向直流电流作电阻测量时 其多次所测值虽十分接近 却可能与按交流运行时的电阻值相差较多 因而不够准确 在有太阳感生光电电流准直流的地区还应采取特别措施交流杂散电流地中交流杂散电流 待测接地系统的杂
17、散电流以及试验电极中的杂散电流使测量更为复杂化 为减少交流杂散电流对接地电阻测量的效应 可在测量时使用非杂散电流的频率 大多数测量仪器使用到 的频率 为克服交流杂散电流的效应 常需要使用滤波器或窄频带测量仪器 或二者皆用大型接地系统阻抗的电抗分量大型接地系统的接地阻抗可能非常低可达 但其正交分量可能较大 在测量大型接地系统的工频接地阻抗时应采取一些措施对于这种测量 测试装置应在接近工频下工作但测试频率应稍高或稍低于工频 为取得较高准确值 测试电流最低值不得小于 并应避开工频接地电流 本标准的第二部分 特殊测量将规定大型接地系统的阻抗测量方法试验引线间的耦合在测量低值接地阻抗时试验引线间的耦合就
18、变得重要起来 由于电流引线中电流的流动 耦合到电位引线而产生的任何电压 将直接叠加到所欲测量的电压上 因而产生测量误差 两条平行试验引线间工频的电感耦合所造成的误差可高达 其影响将是可观的 通常低接地阻抗总是出现在大面积接地网上测量这种接地网就用得着长的试验引线 以便引到远方零电位点相反小面积接地网通常有十分高的接地阻抗可用较短的试验引线接到远方零电位点 因此 可以认为在测量大面积低阻抗接地网时试验引线间的耦合是比较严重的 根据经验 对于接地阻抗为或以上的接地网 其试验引线间的耦合通常可忽略对于接地阻抗为 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 的接地网其试验引线间的耦合应
19、予考虑试验引线间的耦合可通过适当地安排电位引线和电流引线的走向而减小 在估计到试验引线间会有耦合时 应将电位引线和电流引线间的角度尽可能放大地下金属物部分或完全埋地的金属物如铁轨 水管 或其他工业金属管道对测量结果会有很大的影响在土壤电阻率测试中 靠近测试场地的地下金属物常引起所测值的急剧下降 所测值降低的数值和程度表明地下金属物的大小和深度 位于地下金属物附近的接地极的所测电阻 与无该地下金属物时相比较其值将下降较多 总之 在为防止通信干扰而测定有效地面电位升 时不应忽视地下金属物的效应 在地下金属物上测量地面电位和电位梯度时 地面电位等位线会畸变 电位梯度会上升在需要测量土壤电阻率的地方如
20、怀疑有地下金属物 且能确定这些地下金属物的位置时可通过将试验电极排列得与该地下金属物的走向垂直 来减少金属物对土壤电阻率测量结果的影响 此外试验电极应尽可能远离地下金属物土壤电阻率测量总则不管测量土壤电阻率的目的如何 其测量技术实际上是一样的但是对测试数据的分析却可能是多样的 在遇到有多种土壤电阻率的土壤时情况更是如此 多种土壤电阻率引起额外的复杂性是通常现象 而在深度增加时土壤电阻率不变化也是很少有的现象土壤电阻率不仅随土壤的类型变化 且随温度湿度含盐量和土壤的紧密程度而变化 图加盐 湿度温度图 土壤电阻率曲线海水地区的土壤电阻率为 砂岩地区的土壤电阻率能高到 温度自 向下降时土壤电阻率随之
21、缓慢上升在 以下则迅速上升 而冻土 如冬天的表层土壤 的土壤电阻率可能非常地高表 列出各种土壤和各种岩石的电阻率该表具有简明的优点通常土壤有若干层层与层的土壤电阻率是不同的 土壤电阻率的横向变化也存在 但通常是渐变的在测量地段附近可不考虑土壤电阻率的横向变化在大多数情况下测量数据表明 土壤电阻率 主要是深度 的函数 为便于表达 此函数可写成如下式式中 土壤电阻率深度函数 的特性一般说来不是简单的 因而为分析测试数据 最好先建立一个能给出最优近似值的简单的等值函数 对于电力线路和通信线路取两个水平层的土壤构造和指数函数的土壤构造可得到较好的近似值在进行接地系统设计时 该值是有用的接地极或临近接地
22、极的地面电位梯度主要是上层土壤电阻率的函数 可是接地极的接地电阻却主要是深层土壤电阻率的函数在接地极非常大时更是如此注 在接地极埋在土壤电阻率特别高的上层土壤的极端情况下上述结论不适用输电线路的工频接地参数受不同电阻率的各层土壤的影响而载波频率无线电频率或冲击波的地回路阻抗实际上仅仅受上层几米土壤层的影响上述情况说明需要对表层和深层土壤同时进行土壤电阻率的测量 用这种方法可取得许多数据 而对应每个数据 测试电流都和周围土壤电阻率的增量有关表 地质期和地质构造与土壤电阻率土壤电阻率 第四纪 白垩纪第三纪第四纪石炭纪三叠纪寒武纪奥陶纪泥盆纪寒武纪前和寒武纪海水特低甚低低中高甚高特高表层为砂砾和石子
23、的土壤砂质粘土粘土白垩 白垩暗色岩辉绿岩页岩石灰石砂岩页岩石灰石砂岩大理石砂岩石英岩板石岩花岗岩片麻岩测量土壤电阻率的方法地质资料和土壤试样通常在要安装接地网的地方 总要进行大规模的土建工程 为此要进行地质勘探以获取有关土壤特性和构造的大量资料 这对试图取得这些资料的电气工程师会大有帮助 用已知尺寸的土壤试样相对两面间所测得的电阻值来确定土壤电阻率是不妥的 因为该值包含了土壤试样和电极的接触电阻而这是未知的如果对土壤试样进行四端电阻测量则可得到较准确的测定结果 电位端子的尺寸与试样的截面相比应较小 且应与电流端子相距较远 以保持试样的电流分布近于均匀 如果此距离与试样截面大边的尺寸相同即足以满
24、足测量要求然而对试样进行电阻率测量 以得到土壤电阻率的有用近似值是困难的 且在某种情况下是不可能的 这是由于难于得到有代表性的 均匀的土壤试样和难于在试验槽中复制原有土壤的紧密性和水分含量深度变化法三点法此法又名三点法用此法需多次测量接地电阻每次测量时被试电极的埋地深度需加深一给定量其目的是迫使更多的测试电流流过深层土壤 所测的电阻值将反映深度增加时土壤电阻率的变化 通常被试电极是一根细长的棒用细长的棒而不用其他型式的电极作被试电极是因为细长的棒有两个重要优点准确计算接地棒的理论接地电阻值比较简单因而分析测试结果较容易将接地棒打入土壤的操作较容易用 条所述的任一方法 就可进行上述测量 然而所测
25、得的接地电阻值应尽可能准确 以便能与理论接地电阻值比较 因此优先用电位降法测量较好深度变化法能测量到被试电极邻近地区 相当于该被试电极地下部分长度的 倍的土壤特性 如要测量大体积的土壤则应用四点法测量 因为将长的被试电极打入土壤是不现实的两点法可用西坡 土壤电阻率测定仪和相似的两点法在现场粗略地测量来经翻动过的土壤的电阻率 这种装置包括一个小的铁电极和一个更小的铁电极 二者都附在绝缘杆上 电池的正极通过一只毫安表连接到较小的电极上 而电池的负极则连接到另一电极 该仪器可在电池标称电压上校准 直接显示 值 这种仪器易于携带 通过将电极打入地中或挖掘坑土壤的侧壁或底部 可在短时间内对小块土壤进行大
26、量测量四点法要对大体积未翻动过的土壤进行土壤电阻率的测量 最准确的方法是四点法将小电极埋入被测土壤呈一字排列的四个小洞中埋入深度均为 直线间隔均为 测试电流 流入外侧两电极 而内侧两电极间的电位差 可用电位差计或高阻电压表测量 即为用 表示的电阻通常采用四点法的两种型式等距法或温纳 法采用此种方法时电极按图 等距布置 设 为两邻近电极间距 则以 的单位表示的电阻率为式中 视在土壤电阻率所测电阻电极间距电极深度注 视在土壤电阻率指与土壤电阻率真实值有区别的一种近似值 详见图 与附录必须说明 上式不适用于打入深度为 的接地棒该式仅适用于埋在深度 的带绝缘连接线的小电极 然而实际上 四个电极通常置于
27、间距为 的直线上入地深度不超过 因而可假定 则公式简化为从而得出深度直到 的视在土壤电阻率图 典型视在土壤电阻率曲线在各种电极间距时得出的一组数据即为各种视在土壤电阻率 以该数据与间距的关系绘成曲线 即可判断该地区是否存在多种土壤层或是否有岩石层还可判断其各自的电阻率和深度 图非等距法或施伦贝格巴莫 法温纳 法的一个缺点是当电极间距增到相当大时内侧两个电极的电位差迅速下降 通常用仪器测不出如此低的电位差 为了能测量大间距电流极时的土壤电阻率可用图 的布置方式 此时电位极布置在相应的电流极附近 如此可升高所测的电位差值此种布置的计算公式很易于确定 如果电极的埋地深度 与其距离 和 相较甚小时则所
28、测得电阻率可按下式计算式中 视在土壤电阻率所测电阻电流极与电位极间距电位极间距电极均布 电极非均布图 四点法测试数据的分析对现场测试数据的分析或许是测量过程中最困难的部分 正如 条所述 由于土壤构造的不均匀性 土壤电阻率的变化是大而且复杂的 除少数情况外有必要对土壤构造建立一个简单的等值模型 此模型取决于测量的准确性和范围所用的测量方法所用数学的复杂性测量的目的对于电力工程在不使用过多数学的条件下 两层等值模型是足够准确的地质资料和土壤试样为分析由地质勘探所提供的资料 不必用专门的工具或数学方程式深度变化法三点法 附录在下列分析中假定被试电极是一个打入深度为 的接地棒 与 相比较接地棒的半径
29、是小的对于其他型式的被试电极 其计算方法与以下所列者相似埋在同质土壤内的接地棒的接地电阻为或者为式中 接地电阻视在土壤电阻率接地棒埋深接地棒半径此二式选用那一个 取决于近似的程度 从接地棒埋深的每一 值所测得的电阻值 可得出视在土壤电阻率 将 与对应的 值绘成曲线 可看出土壤电阻率随深度变化的情况 为更清楚起见 现假设从现场测试数据得出如图 所示的曲线图 土壤电阻率随深度的变化从曲线可知 土壤构造至少可分为三层 在浅层土壤深 土壤电阻率为 在中层土壤土壤电阻率为浅层土壤的 倍仅看曲线不易确定中层土壤的厚度第三层土壤导电良好其电阻率肯定低于 然而 仅凭查看曲线还不可能得到真实值 可有两种办法取得
30、真实值将接地棒更深地打入土壤 继续测量从所测的测据用分析技术计算等值土壤构造继续增加测量次数肯定会有助于取得第三层的土壤电阻率然而上两层的厚度仍不易于确定 而且将接地棒打得很深可能是困难的和费用太大 其他的办法可以是 假定土壤是同质的土壤是两层或以上的构造土壤由电阻率随深度按简单的数学规律线性指数函数 变化的土质构成等在这种土壤模型中接地棒的接地电阻是已知的 或者可以较容易地计算出来附录 用简单的计算机程序或用试探法 就可得到与测试结果吻合得很好的土壤模型数据 附录前面已提到用深度变化法无法测得距被试电极较远地区 距离大于被试电极地下部分长度的倍 的土壤电阻率两点法由于本法仅适用于测量小块土壤
31、的电阻率 因此不用对测试数据进行分析四点法四点法的分析法与 条三点法的分析法相似 在温纳 布置中 所测的视在土壤电阻率与电极间距 的关系用曲线表示 此曲线即表示该土壤的构造 由于从曲线不易确定各层土壤的厚度 就有许多确定土壤层厚的经验方法如吉什龙尼 法该法通过土壤电阻率曲线形状的变化判断 在曲线曲率转折或变化时 与电极间距相等的深度处开始出现另一层土壤兰开斯特琼斯 法该法认为在出现曲率转折点时 即是下一层土壤 其深度为所对应电极间距的 处然而较好的办法还是采取如下的土壤模型土壤的土壤电阻率不变化 即土壤是同质的土壤有几个水平土壤层每层土壤电阻率不变化 附录土壤有按指数函数变化的土壤电阻率 附录
32、对于以上每一种模型 其视在土壤电阻率与各种土壤参数间的数学关系应是已知的或是易于计算的 某些经常使用的分析方法在附录 中有叙述现给出指数函数型及两层土壤模型的解法 使用合适的分析方法可得到与测试数据一致的曲线 从中得出所需的土壤参数 图 示出用土壤模型 和土壤模型 得出的曲线要根据测量目的选取最佳模型 通常用两层土壤模型能得到较好的结果测试数据两层土壤 附录电阻率按指数函数变化土壤附录图 视在土壤电阻率与电极间距的关系实例仪器两点法用西坡 土壤电阻率测定仪或类似的仪器 条四点法和深度变化法 三点法可使用下列任一种仪器 章带电流表和高阻电压表的电源比率欧姆表双平衡电桥单平衡变压器感应极化发送器和
33、接收器用不同的接线方式和端子 这些仪器既可测量接地电阻 也可测量土壤电阻率在感应极化测量中 间距通常要达到 由于间距长其电阻往往小到几百分之一欧姆的数量级 这就要用带有高达 电池电源的灵敏直流电位差计测量 对于较短的间距 使用比率欧姆表双平衡电桥 单平衡变压器就可以了 对于某些仪器需对电位极的电阻进行校正 通常可从仪器制造厂得到校正系数感应极化发送器的额定功率通常为几百瓦 然而对于大的间距或极高的上层土壤电阻率 可能需要用超过 的发送器接地阻抗总则一般说来 接地电路的阻抗是复数阻抗 包含电阻分量 电容分量和电感分量 所有这些分量都影响接地电路的载流能力 对于工频接地电路接地电阻特别起作用 该电
34、阻受接地电路范围内土壤电阻率的影响 电容分量和电感分量则对诸如与无线电通信和雷击有关的较高频率接地电路起作用测量接地阻抗的目的为测定接地电路的真实阻抗对计算值进行校核确定由于电力系统接地故障电流引起的地面电位升高及在整个地段内的电位变化防雷保护接地极的适用性无线电发射机发射电路接地极的适用性取得建筑物防雷保护建筑物内设备防雷保护及有关人身安全所必须的设计数据为保证人身安全绝缘足够和连续运行应研究电力系统和通信系统的接地网 以确定接地故障时地面电位的变化情况特性接地网的特性随土壤的成分和物理状态 以及随接地极的延伸范围和形状而变化 任何地方的土壤都是由电阻率大不相同的干土 湿土 石子 石板 砂石
35、或其他自然材料等各种成分所分别组成 在某一大片地区 土壤可能是相对均匀的 而在另一些地区土壤可能是由花岗石 沙子 或高电阻率的其他物质所组成从而实际上与周围地区绝缘 接地网的特性欧姆律电阻还随季节而变化 季节影响土壤的温度 含水量和粘结性计算和经验表明在给定土壤条件下 接地网的效果很大程度取决于接地网的总体尺寸 在接地网中增加埋地导体或接地棒多少有助于降低接地阻抗随着埋地导体或接地棒的不断增加其降低接地阻抗的效果相应减少 减少输电线路铁塔或杆柱的接地电阻的一个有效方法是安装辐向杆塔接地极在变电站或其他接地结构安装以后随着每年周期性气候的变化 土壤会不断沉陷从而在头一两年使接地阻抗趋于下降由于接
36、地网的接地电抗相对于接地电阻来说通常可忽略不计 因此其接地阻抗通常用接地电阻表示 对于接地阻抗低于 的大型接地网及用于冲击或脉冲电流的接地极 此条不适用 在接地网埋设一年或两年后接地电阻值通常每年变化不会太大 虽然接地网可能埋设在地面下仅半米处 大型电站接地网的接地电阻似乎与埋设处土壤电阻率的变化无关 对于配备长接地棒的接地网 由于接地棒所接触的深层土壤一般不受气候条件 指温度和湿度的变化 这导致上层土壤电阻率变化 影响这一条特别正确 然而对于埋设在高土壤电阻率土层的接地网或小型接地网 面积小于 这一条就不适用大面积接地网为期 年的记录表明 其所测接地电阻值无甚变化 而在同一面积内的土壤电阻率
37、测量表明土壤电阻率变化很大 在浅层达 应该注意到 只有少量接地棒的接地网的接地电阻可能紧随土壤电阻率测定所示的电阻而变化 这表明大面积接地网的接地电阻是正比于深层土壤电阻率测定值的 在该深层土壤土壤电阻率变化较小某些从输电线路故障点到变电站接地网的接地故障电流 趋向于沿输电线路流过 平均电流路径的深度正比于土壤电阻率的平方根 而反比于频率的平方根 因而接地电阻趋向于加大电流路径的横截面 而接地电抗趋向于减少其横截面 使其更靠近输电线路这种趋向确定了远离接地极电流路径的模式接地电阻的理论值从接地网到远方大地的接地电阻的计算值或理论值与所测值可能相差较大 其原因为计算接地电阻所用的分析方法不合适测
38、量时的土壤条件不同 即测量时的土壤电阻率与计算时所采用的土壤电阻率不同土壤电阻率测量不准或测量范围过小如测试的次数不够 数据分散 电极间距和所用仪器不合适土壤中有邻近的埋入金属物和接地线 这些可能转移一定量的测试电流为了减少土壤电阻率和接地电阻之间不对应的误差因素 建议在相似气候和湿度条件下进行土壤电阻率和接地电阻的测量如果所测的数值系作为设计接地网的依据 则应在各种气候条件下测量这将有助于设计人员建立最严格或极限的条件 特别对于受季节条件影响大的小型接地网更有必要测量接地阻抗的方法通则本条仅涉及通常的测量方法 所用测量仪器参见第 章 在本条中把欧姆值称为电阻 此时应注意在待测接地网的欧姆值小
39、于 且相对而言该接地网覆盖较大范围时应将电抗分量考虑进去 对于接地阻抗高于 的接地网电抗分量无甚作用 为避免直流电流引起的极化效应通常用交流电流或周期性换向直流电流测定接地网的接地电阻 交流电流的频率应接近工频两点法电流表电压表法用本法测量时测得的电阻值是待测接地极和辅助接地极电阻值之和 与待测接地极的接地电阻相比较 辅助接地极的接地电阻被认为是可忽略的 因此用欧姆表示的所测电阻值即称为待测接地极的接地电阻值两点法通常应用于有金属自来水管道系统 且管道接头无绝缘的建筑物的单根接地棒接地电阻的测定 该水管即辅助接地极 其接地电阻假定为 数量级 与接地棒的最大允许接地电阻 通常为数量级相比应较低显
40、然对于接地电阻值低的接地棒此法的误差较大但对于仅需进行粗测的场所 两点法是有用和合适的三点法此法使用两个试验电极 其接地电阻分别为 待测接地极的接地电阻为 每两对电极间的电阻为 此处解联立方程得因此借助测量每对电极的串联电阻值并代入方程 可求出 的值 如果两个试验电极的接地电阻较待测接地极的接地电阻大许多 则每项测量的误差将在最后的结果中放大许多 测量时电极间必须相距一定距离否则计算结果可能变得荒谬如出现零电阻或负电阻等 在测量单根接地极接地电阻时 三个电极相互间的距离应至少为 最好为 或以上 对于具有较低接地电阻的较大面积的接地网来说其间距应至少与接地网尺寸属同一数量级 对于大型变电站 此要
41、求很难满足 因而如果需要高的准确度 宁愿采取电位降法比较法采用本法时通常使用和电位降法相同的电极形状使待测接地极的接地电阻与一已知电阻比较由于本法为比较法在测试电流高到能保证足够灵敏度时其欧姆读数与测试电流的大小无关多级大电流法和故障电流法当需要在某个接地装置上取得特定数据时 可采用多级大电流试验 在发生实际接地故障时可通过使用示波器或电站自动示波器 得到作为辅助资料的接地阻抗值多级大电流法和故障电流法所用的仪器是相同的其目的是在一个或多个示波器上录取所选测点之间的电压 所要录取的电压值可能很高为此需要配备电压互感器 可能出现的最大电压值 以及由此所需的电压互感器变比 应在测试前用实际测试电流
42、下的电位降法测定另一个要注意的事项是示波器电路的校准 该电路由高电阻一次回路的电压互感器构成该高电阻包括远方电位极及其串联长引线的电阻可以在一次回路中加入一个所测电压 使该电压与测试时所使用的远方电位极及其引线串联来校准示波器元件的偏差待测实际接地点的位置取决于所需的数据 但是在所有的情况下 对于 条所指出的试验回路间的耦合均应给出合适的允许误差电位降法电位降法有若干变量 此法适用于所有各种接地阻抗测量 如第 条所述大型接地网的接地阻抗小于 时其电抗分量可能较大因此所测得值是阻抗 虽然术语上常称电阻 仍应视为阻抗此法包括将电流输入待测接地极 及记录该电流与该接地极和电位极间电压的关系要设置一个
43、电流极 以便向待测接地极输入电流 如图 所示图 电位降法流过待测接地极 和电流极 的电流 使地面电位变化 沿电极 方向的电位曲线如图 所示 以待测接地极 为参考点测量地面电位 为方便计假定该 点电位为零电位图 各种间距 时的视在接地电阻电位降法的内容是画出比值 随电位极间距 变化的曲线 电位极从待测接地极处开始 逐点向外移动 每一点测出一个视在接地阻抗值 画出视在接地阻抗随间距变化的曲线 该曲线转入水平阶段的欧姆值 即当作待测接地极的真实接地阻抗值图由于这种经验方法仅仅在水平段非常分明时 其结果才比较正确 因此在应用时要特别仔细 附录对电位降法的原理作了说明为了取得曲线的水平部分应将电流极置于
44、待测接地极作用范围以外 该作用范围有时被称为变电站接地范围 在该范围以外 地电流所引起的地电位升高可忽略不计理论上待测接地极的作用范围可延伸到无穷远 实际上由于该作用范围与待测接地极距离的多次幂成反比 其作用范围是有限的 在测试接地电阻在 及以下的接地网或多根深埋接地棒时 方考虑并测定其作用范围 对于像单根接地棒 杆塔基础未与架空地线或地线相连这样的小面积接地可按 数量级的间距设置电流极 这在现场容易办到此时待测接地极的作用可忽略 对于大型接地网所要求的间距不切合实际或者无法实现 因此 曲线的水平部分难以得到 就要采用其他的分析方法对电位降法的理论分析表明 将电位极 置于电流极 的另一侧 处时
45、常常导致所测的视在接地电阻值小于真实接地电阻值 说明这一点是重要的图 高阻抗接地系统实例而当电位极置于电流极 同一侧 但远离该电流极 处时则在某一具体位置处可测得真实的接地电阻值然而应当强调 将电位极置于 位置可以将试验引线间的耦合大大减少 如果将 和 间的距离放得相当大 相对于待测接地极 则有可能用此法得到待测接地极 真实接地电阻的下限值大型接地网的典型曲线如图 所示 该图的数据取自对一个约有 接地网的变电站的测试 图中的距离从变电站的围墙处开始计量 因此在曲线的 距离处其接地阻抗不为零 曲线是在电位极位于 和 间 处 时测得而曲线 是在电位极位于电流极 另一侧 处时测得图 低阻抗接地系统实
46、例测试表明在电流极和变电站接地极间存在互阻 这就是曲线 未能变平的原因 曲线 倒似乎变平了 可从中求得待测接地极真实接地阻抗的下限值测试结果的分析附录 表明存在一个可得出待测接地极真实接地阻抗的电位极间距然而要确定电位极的正确间距是困难的 如果接地网具有复杂的结构更是如此 电位极的正确间距也是土壤构造的函数 适用于小型接地网的这种函数关系如图 所示图 两层土壤时电位极的所需位置图 表明电位极的所需间距 应满足比值 当电位极 位于 之间 且土壤为同质时 对于半圆小电极这一结论最先被柯茨 所证明以上表明 为了应用 规则应满足以下条件有完全同质的土壤有足够大的间距 以便电极可采取半圆的形式还要确定测
47、量间距的参考原点 对于半圆形的接地极 原点是接地极的中心 对于大型接地网 有些专家提出了 电气中心 的概念 泰格 根据电气中心的概念还提出了同质土壤大型接地网接地阻抗的测定方法 然而要说明的是 还没有证据表明该电气中心是一个像重心那样 不受电流极位置和特性影响的物理常数通常取得满意测量结果的最好保证是得到可使互阻足够小 并使电位降曲线变平的间距 电位降法的主要优点是电位极和电流极的电阻可比待测接地极电阻大而实质上又不影响测量准确度接地网完整性测试本测试的目的在于确定接地网的各个部分是否由低阻铜导体相互联接 该铜导体与周围的低阻抗大地并联进行接地网完整性测试的最佳方法是通以大直流电流 并测定该电
48、流所引起的电压降如果欧姆表的灵敏度足够 也可用直读式欧姆表测量使用交流电流的电流表电压表法不适用于这种测试 此时铜导体的电抗将被周围大地所形成的略低于铜导体的电抗所并联 如果通上交流电流对埋地铜导体持续试验 所得结果将是不确定的按照上述情况推理可以认为对各具有工频时 数量级接地阻抗相距任何距离的两个接地网 要明显降低二者之间的阻抗实际上是不可能的 在两接地网间无论加接多大截面的铜导体 也不会降低二者之间的电抗 加接铜导体可降低电阻分量利用该电阻分量可测定接地网的完整性实用的完整性测试方法是将约 的电流通入接地网待校验的两点间用毫伏计或手提式电位差计测量该两点间的电位差 从电流和电压读数计算出有
49、效电阻值 从这些读数和算得的铜导体电阻 可以判定连接是否合格 对于两点间有直流电压的那些接地网 测试电流引起的电压变化可用于计算电阻对于运行中的大多数大型接地网在所测的两点间与要测的直流毫伏相较 尚有一相对较大的交流电压存在 对这种交流分量 可通过将一个 或以上电容器并联入毫伏表的动圈或电位差计的检流计的方法 以减少其效应 最好选用液浸纸介质电容器但一些新式的电解电容器 其泄漏很少 也可使用仪器测量接地电阻的仪器与测量土壤电阻率的仪器相同在第 章中将详述地面电位等电位线由于电流从接地极入地并沿地中路径流过 与电流路径正交的等电位面形状将与电流路径有关 等电位面间有相同的电位差沿着规定的路径的等
50、电位面密度确定了可能出现的跨步电压 在接地极附近 其梯度跨步电压将最高从接地极处开始沿地面辐向所测得的等电位面间的距离将随若干因数变化 这些因数包括土壤电阻率大小 有无埋地管道 线管 铁路路轨钢栅栏电缆铠装 以及有无通过地电流的架空地线等第 条指出 某些接地故障电流可能会沿载流的输电线路地中返回电源 因而载有故障电流的输电线路下的地面电位梯度较邻近土壤地面电位梯度更陡当故障发生在进入变电站的不同输电线路时上述现象会导致等电位线的变化 因此仅仅通过测量接地极与其周围各个地点间的电阻 还不可能画出等电位线当等电位线画出以后 可以设想在给定故障条件下等电位线间的电位差是正比于接地故障电流的大小 其前
