1、【摘 要】接地電阻是表征接地裝置性能的最主要指標，方便、準確的測量接地網的工頻接地電阻一直是工程技術人員關注的問題。本文對常用的測量方法進行了分析，歸納了接地網工頻接地電阻測量誤差的主要來源及消除方法，以期對實際測量有所幫助。測試用的電流線與電壓線之間的互感電壓和接地網的零序電流對測量結果均有明顯影響，嚴重時會掩蓋需要測量的信號。四極法可以消除引線互感電壓的影響，倒相法可以消除零序電流的影響。本文通過理論推導，得出結論：只有采取其他措施將引線互感電壓和零序電流的影響降低到一定水平后，才能有效的應用四極法和倒相法。【關鍵詞】接地網 接地電阻 測量誤差 三極法 四極法 倒相法 電流電壓法 零序電流

2、 互感電壓1 接地裝置概述1.1接地的概念接地是指將電力系統或建筑物中電氣裝置、設施的某些導電部分，經接地線連接至接地極。接地線和接地極共同組成接地裝置。接地線是指電氣裝置、設施的接地端子與接地極連接用的金屬導電部分。接地極是指埋入地中并直接與大地接觸的金屬導體。兼作接地極用的直接與大地接觸的各種金屬構件、金屬井管、鋼筋混凝土建(構)筑物的基礎、金屬管道和設備等稱為自然接地極。由垂直和水平接地極組成的供發電廠、變電所使用的兼有泄流和均壓作用的較大型的水平網狀接地裝置，則可稱作接地網。為加強對雷電流的散流作用、降低對地電位而敷設的附加接地裝置，稱作集中接地裝置。集中接地裝置一般敷設35根垂直接地

3、極；在土壤電阻率較高的地區，則敷設35根放射形水平接地極。接地極或自然接地極的對地電阻和接地線電阻的總和，稱為接地裝置的接地電阻。接地電阻的數值等于接地裝置對地電壓與通過接地極流入地中電流的比值。按通過接地極流入地中工頻交流電流求得的電阻，稱為工頻接地電阻；按通過接地極流入地中沖擊電流求得的接地電阻，稱為沖擊接地電阻。接地短路(故障)電流流過接地裝置時，大地表面形成分布電位，在地面上離設備水平距離為0.8m處與設備外殼、架構或墻壁離地面的垂直距離1.8m處兩點間的電位差，稱為接觸電位差；接地網孔中心對接地網接地極的最大電位差，稱為最大接觸電位差。接地短路(故障)電流流過接地裝置時，地面上水平距

4、離為0.8m的兩點間的電位差，稱為跨步電位差。接地網外的地面上水平距離0.8m處對接地網邊緣接地極的電位差，稱為最大跨步電位差。1.2接地的分類按作用不同，可分為工作接地、保護接地、雷電保護接地和防靜電接地等。a) 在電力系統電氣裝置中，為運行需要所設的接地(如中性點直接接地或經其他裝置接地等)稱作工作接地，也稱系統接地。b) 電氣裝置的金屬外殼、配電裝置的構架和線路桿塔等，由于絕緣損壞有可能帶電，為防止其危及人身和設備的安全而設的接地，稱作保護接地c) 為雷電保護裝置(避雷針、避雷線和避雷器等)向大地泄放雷電流而設的接地，稱作雷電保護接地。d) 為防止靜電對易燃油、天然氣貯罐和管道等的危險作

5、用而設的接地，稱作防靜電接地。1.3接地電阻的規定以下舉例說明應用于不同場合的接地裝置的接地電阻值的要求。a）有效接地和低電阻接地系統中發電廠、變電所電氣裝置保護接地的接地電阻宜符合式（1）的要求。 (1) 式中：R考慮到季節變化的最大接地電阻，； I計算用的流經接地裝置的入地短路電流，A。式(1)中計算用流經接地裝置的入地短路電流，采用在接地裝置內、外短路時，經接地裝置流入地中的最大短路電流對稱分量最大值，該電流應按510年發展后的系統最大運行方式確定，并應考慮系統中各接地中性點間的短路電流分配，以及避雷線中分走的接地短路電流。b）獨立避雷針(線)宜設獨立的接地裝置。在非高土壤電阻率地區，其

6、接地電阻不宜超過10。當有困難時，該接地裝置可與主接地網連接，但避雷針與主接地網的地下連接點至35kV及以下設備與主接地網的地下連接點之間，沿接地體的長度不得小于15m。c）有避雷線的線路，每基桿塔不連避雷線的工頻接地電阻，在雷季干燥時，不宜超過表1所列數值。表1 有避雷線的線路桿塔的工頻接地電阻土壤電阻率·m1001005005001000100020002000接地電阻1015202530注：如土壤電阻率超過2000·m，接地電阻很難降低到30時，可采用68根總長不超過500m的放射形接地體，或采用連續伸長接地體，接地電阻不受限制。d）3150kVA5000kVA的變電

7、所35kV側，其首端排氣式避雷器或保護間隙的接地電阻不應超過5。1.4接觸電位差和跨步電位差的規定確定發電廠、變電所接地裝置的型式和布置時，考慮保護接地的要求，應降低接觸電位差和跨步電位差。在110kV及以上有效接地系統和635kV低電阻接地系統發生單相接地或同點兩相接地時，發電廠、變電所接地裝置的接觸電位差和跨步電位差不應超過下列數值 (2) (3)式中：Ut接觸電位差，V； Us跨步電位差，V； f人腳站立處地表面的土壤電阻率，·m； t接地短路(故障)電流的持續時間，s。2 接地電阻的測量原理接地電阻是表征接地裝置性能的最主要指標，準確的測量接地電阻值的大小是判斷接地裝置能否滿

8、足要求的重要手段。大型接地網的工頻接地電阻（實際上是阻抗）包含純阻性分量和感性分量。接地電阻的測量方法有很多，除了多極法和鉗口式接地電阻測量儀法外，其他各種測量方法的基本原理大致相同，均為三極法的測量原理。各種測量方法大多是為了方便、準確的測量接地裝置的接地電阻而提出的。2.1接地電阻的理論計算對于如圖1所示的緊靠地面的半球形接地極G，半徑為，當有電流I由接地極流入大地時，在土壤電阻率均勻時，電流均勻對稱的沿球的徑向發散，距離球心x處的電流密度 （4） 電場強度 （5） 式中：土壤的電阻率OrgUxxG圖1 半球接地極的電位分布無窮遠處為理論零電位區，距離球心x處的對地電位 （6） 電位分布曲

9、線如圖1所示。半球接地極表面的對地電位 （7） 因此半球接地極的接地電阻 （8） 2.2三極法測量接地電阻的原理圖2是測量接地電阻的電極布置和電位分布圖，三極法的三極是指圖中的被測接地裝置G、測量用的電壓極P和電流極C。GIICPVdGPdGCPCG圖2 測量接地電阻的電極布置和電位分布示意圖G 被測接地裝置；P 測量用的電壓極；C 測量用的電流極圖上的點P是實際零電位區中的一點。實際零電位區是指沿被測接地裝置G與測量用的電極C之間連接線方向上電位梯度接近于零的區域。實際零電位區范圍的大小，與測量用的電流極離被測接地裝置的距離dGC的大小、通過被測接地裝置流入地中的測試電流的大小以及測量用的電

10、壓表的分辨率等因素有關。用電壓表和電流表分別測量接地裝置G與電壓極P之間的電位差U和通過接地裝置流入地中的測試電流I，由U和I得到接地裝置的接地電阻 （9）假設圖2中的接地極為半球形，電流極與半球接地極中心之間的距離為dGC，電壓極與半球接地極中心之間的距離為dGP，電流極與電壓極之間的距離為dPC。由式（6）可以得出通過被測接地極G流入大地的電流使G、P兩點產生電位差 （10） 通過電流極C流入大地的電流使G、P兩點之間產生電位差（通過被測接地極G和電流極C流入大地的電流方向相反） （11） G、P兩點之間的總電位差 （12） G、P兩點之間呈現的電阻 （13） 由于半球接地極的實際接地電阻

11、如式（8）所示，因此測量誤差 （14） 當式（15）成立時，測量誤差0，P點即為實際零電位點。 （15） 3 接地電阻的測量方法接地電阻的測量方法，按測試電極的數量區分，可分為三極法、四極法和多極法；按輔助電極的位置不同，可分為遠離法、補償法和電位降法；按輔助電極的布置方式不同，可分為直線布置方式和三角形布置方式；按測量電源和測量信號的不同，可分為工頻電流電壓法、瓦特表法、直流法、異頻法和接地電阻測量儀法。此外，針對干擾信號而采取的方法有倒相法、雙電位極引線法、附加串接電阻法和相位差法等等。三極法測量接地電阻的原理接線如圖3所示。DPCdGPdGCGVP CAGCTEI圖3 三極法的原理接線圖

12、G 被測接地裝置；P 測量用的電壓極；C 測量用的電流極；E 測量用的工頻電源；CT 測量用的電流互感器；A 測量用的交流電流表；V 測量用的交流電壓表；D 被測接地裝置的最大對角線長度3.1遠離法根據前文的分析結果，要使測得的接地電阻R與接地極的實際接地電阻RG相符，必須使式（15）成立，即遠離法就是盡量增大dGC、dGP和dPC，使之趨于無窮大，即可滿足上式的要求。3.2補償法在圖2中，令dGPdGC，則dPC（1-）dGC，代入式（15）得到 （16） 解得0.618，即P點為直線段GC的黃金分割點。只要將電壓極P放在dGP0.618dGC處，就能準確的測量接地電阻，這種測量方法稱作補償

13、法，也稱為0.618法。根據導則的規定，圖3中dGC和dGP的確定原則可歸納為以下三條。a) 測量用的電流極C和電壓極P離被測接地裝置G邊緣的距離一般取dGC（45）D和dGP（0.50.6）dGC，D為被測接地裝置的最大對角線長度；b) 當被測接地裝置的面積較大而土壤電阻率不均勻時，為了得到較可信的測試結果，宜增大電流極與被測接地裝置之間的距離，例如增大到10km，同時電壓極與被測接地裝置之間的距離也應相應的增大；c) 如果dGC取（45）D有困難，那么當接地裝置周圍的土壤電阻率均勻時，dGC可以取2D值，而dGP取D值；當接地裝置周圍的土壤電阻率不均勻時，dGC可以取3D值，dGP取1.7

14、D值。說明：圖2中的dGC和dGP的起點為半球接地極的中心。而在圖3中，為適應工程測量的需要，dGC和dGP的起點為被測接地裝置的邊緣中心，按上述原則確定的P點，大致能滿足補償法的要求。三極法測量半球接地極接地電阻的誤差，可以根據式（14）進行計算。對應于不同的dGC和值的測量誤差，如表2所示。當0.618時，測量誤差為零。由表2可以看出，當0.618時，測量誤差隨dGC的增大而減小(與dGC呈反比關系)，這個結論與遠離法的原理一致。當在0.55與0.65之間時，要使測量誤差10%，dGC應取4D以上。D為接地網的最大對角線長度，對于半球接地極D2rg。需要指出的是，發電廠和變電所的實際接地網

15、的形狀并非半球形，而是介于圓盤電極和圓環電極之間，接地電阻的測量誤差與表2的數值有所不同，但是誤差隨dGC和值變化的規律是相似的。表2 三極法測量接地電阻的誤差dGP/dGC0.40.450.50.550.60.650.70.750.8dGC5D-18.3%-14.0%-10.0%-6.0%-1.7%3.2%9.0%16.7%27.5%4D-22.9%-17.6%-12.5%-7.4%-2.1%4.0%11.3%20.8%34.4%3D-30.6%-23.4%-16.7%-9.9%-2.8%5.3%15.1%27.8%45.8%2D-45.8%-35.1%-25.0%-14.9%-4.2%8.

16、0%22.6%41.7%68.8%3.3電位降法測量接地電阻時，大地中的電位分布如圖2所示。通過測量，描出測試范圍內的電位分布曲線，測量電位分布最平緩的低點與電位最高點之間的電位差，計算該電位差與測試電流的比值，得出被測接地網的接地電阻，這種測量方法稱為電位降法。電位降法測得的接地電阻比較準確，但是工作量非常大。3.4三角形方式布置電極上述各種測量方法的輔助電極均按直線方式布置，當接地裝置周圍的土壤電阻率較均勻時，也可以采用三角形方式布置電極，如圖4所示，該測量方法應屬于補償法的一種。三角形方式布置電極時，被測接地裝置的接地電阻由下式決定 （17） 由于，因此三角形方式布置電極測量接地電阻的誤

17、差仍可按式（14）計算，即當dGPdGC時，使誤差為零的28.9°，一般取dGPdGC2D，30°，為電壓極和接地裝置等效中心的連接線與電流極和接地裝置等效中心的連接線之間的夾角。3當受客觀條件限制，不能按要求布置電極時，可按式（17）進行修正。DPCdGPdGCG圖4 三角形方式布置電極G 被測接地裝置；P 測量用的電壓極；C 測量用的電流極； D 被測接地裝置的最大對角線長度采用三角形方式布置電極測量半球接地極的接地電阻，當取dGC=dGP時，對應于不同的dGC和值的測量誤差，如表3所示。當28.9°時，測量誤差為零。由表3同樣可以看出，當28.9°

18、時，測量誤差隨dGC的增大而減小。當在25°與35°之間時，要使測量誤差10%，dGC和dGP應取2D以上。表3 三角形方式布置電極測量半球接地極的誤差（dGC=dGP）15°20°25°30°35°40°45°50°60°dGC=dGP5D18.3%8.8%3.1%-0.7%-3.4%-5.4%-6.9%-8.2%-10.0%4D22.9%11.0%3.9%-0.9%-4.2%-6.7%-8.7%-10.2%-12.5%3D30.5%14.7%5.2%-1.1%-5.6%-9.0%-

19、11.6%-13.6%-16.7%2D45.8%22.0%7.8%-1.7%-8.4%-13.5%-17.3%-20.4%-25.0%D91.5%44.0%15.5%-3.4%-16.9%-26.9%-34.7%-40.8%-45.9%3.5瓦特表法瓦特表法的原理接線如圖5所示，采用三極法的原理，通過測量電流和功率求得接地電阻 （18） 式中：P接地電阻上的有功功率，W； I輸入接地裝置的交流電流有效值，A。WP CAGEIM圖5 瓦特表法的原理接線圖G 被測接地裝置；P 測量用的電壓極；C 測量用的電流極；E 測量用的工頻電源； A 測量用的交流電流表；W 測量用的功率表；M 電流引線與電壓

20、引線之間的互感在瓦特表法的基礎上，可結合倒相法來消除零序電流的影響，按式（19）和式（20）計算有功功率和電流，代入式（18）計算接地電阻： （19） （20） 式中：P0、I0不加測試電源時測得的干擾有功功率、電流 P、I加測試電源后測得的有功功率、電流 P、I反相加測試電源后測得的有功功率、電流瓦特表法的優點是能消除引線間互感的影響，因此水力發電廠接地設計技術導則推薦了該測量方法。但瓦特表法的缺點也十分明顯，主要有a) 由于功率表電壓線圈的內阻一般較小（103左右），當電壓極的接地電阻RU不能比功率表的內阻RW小許多（如）時，測得的有功功率應按式（21）進行修正 （21） b) 功率表電壓

21、線圈的內阻較小，使得電壓回路中有電流流過，改變了地中的電場分布，引起測量誤差；c) 瓦特表法測得的是純阻性量，而接地網實際的工頻接地電阻包含有感性分量，因此測量結果將偏小。3.6四極法所謂四極法，是在三極法的基礎上，增加輔助電極S的測量方法，原理接線如圖6所示。輔助電極離被測接地裝置邊緣的距離dGS30100m。用高輸入阻抗的電壓表測量點2與點3、點3與點4以及點4與點2之間的電壓U23、U34和U42，通過接地裝置流入地中的電流為I，被測接地裝置的工頻接地電阻 （22） P CAGEIM234S圖6 四極法的原理接線圖G 被測接地裝置；P 測量用的電壓極；C 測量用的電流極；S 測量用的輔助

22、電極；E 測量用的工頻電源；M 電流引線與電壓引線之間的互感大型接地網的接地電阻包括電阻分量和電抗分量，輔助極S將接地阻抗分成兩部分，ZGZ1+Z2，Z1對應于S與P之間的部分，Z2對應于G與S之間的部分。因此有 （23） Z1R1+jX1，Z2R2+jX2，X1>>X2，由上述三式可推導出接地電阻（包含電抗分量）如式（22）所示，引線互感不再出現。四極法可以消除電流引線與電壓引線之間互感的影響。但是當互感電壓很大時（根據北侖電廠一期工程接地網的測量結果，互感電壓有可能達到接地電阻上的壓降的十倍以上），U23、U34和U42的微小讀數誤差即可造成計算接地電阻的較大誤差。只有采取措施

23、將互感電壓的影響降低到一定水平后，才能有效的應用四極法。3.7接地電阻測量儀法電流電壓表法需要專門的測試電源，在某些場合由于受條件限制而無法應用。導則規定，當接地裝置的最大對角線長度較小，且工頻接地電阻值大于0.5時，可以用接地電阻測量儀測量接地電阻。ZC-8型接地電阻測量儀是目前國內使用最廣泛的測量儀，以手搖發電機作為測試電源，電壓極和電流極的布置方法同遠離法和補償法，測量接地電阻的純阻性分量。鉗口式接地電阻測量儀分為單鉗式和雙鉗式兩種，以干電池為測試電源，不需打輔助電極和斷開接地引線，可進行在線測量。接地電阻測量儀由于電源容量有限，不能提供大的測量電流，因此抗干擾能力低，不適合大型接地網的

24、測試。3.8倒相法和三相電源法倒相法和三相電源法是為了消除接地裝置的零序電流引起的測量誤差而提出的，在三極法（電流電壓法，直線方式或三角形方式布置電極）、瓦特表法和四極法中均能應用。下面以三極法（電流電壓法）為例進行說明，原理接線同圖3。倒相法的測量步驟如下a) 測量不加測試電壓時，電壓極與接地裝置之間的電位差UGO；b) 測量倒相前電壓極與接地裝置之間的電位差UG；c) 將電源反相，測試電流的數值不變，測量倒相后電壓極與接地裝置之間的電位差UG；倒相法測量時的電壓相量關系如圖7所示，可以得到 （24） （25） 由式（24）和式（25）可以得到 （26） -IZGIZGUGUG0UG圖7 倒

25、相法的電壓向量關系圖消除零序電流影響的另一種方法是三相電源法，其原理與倒相法類似。將三相電源的三相電壓相繼加在接地裝置上，保持測試電流不變，則被測接地裝置的接地電阻 （27） 式中：UGA、UGB和UGC將A相電壓、B相電壓和C相電壓作為測試電源時接地裝置的對地電壓；UG0不加測試電壓時，電力系統的零序電流產生的電壓降；I通過接地裝置的測試電流。倒相法和三相電源法能消除零序電流產生的UG0對測量結果的影響，但是，由于要使用式（26）或式（27）計算ZG值，當UG、UG（或UGA、UGB、UGC）與UG0的差別不大時，微小的讀數誤差就可以引起ZG計算值的明顯變化。因此在工程測量中，應增大測試電流

26、，以減小UG0的相對比值。3.9變頻法變頻法也稱異頻法，采用異于工業頻率的試驗電源和濾波裝置將干擾信號和測量用的信號分離開來，使干擾信號不進入測量系統。通常采用異頻多電源的方法來消除工頻干擾的影響。異頻法消除引線互感影響的原理如下：a) 接地電阻由阻性分量和感性分量組成，即 （28） b) 設電流線與電壓線之間的互感為M，上式修正為 （29） c) 在電源頻率分別為f1和f2時 （30） （31） d) 由式（30）和式（31）可求出R值，即接地電阻的阻性分量。上述分析中，為了消除引線互感的影響，只能測量阻性分量。當不考慮引線互感時，依然可以測量接地電阻的全部分量。采用變頻法測量時，電源所使用

27、的頻率與工業頻率不能相差太大，有以下兩方面原因：a) 頻率變化使得接地電阻（實際上為阻抗）感性分量變化，增加了測量誤差；b) 測量引線間的干擾與測試電源的頻率有關，頻率越高，干擾越大。測量電源的頻率與工業頻率的差值應不大于10Hz，即頻率應在4060Hz之間。4 接地網工頻接地電阻測量誤差的來源及消除方法接地網工頻接地電阻測量誤差的來源主要有測試方法、高頻干擾、接地裝置的零序電流和測量引線間的互感等幾個方面。4.1測試方法引起的誤差測試方法引起的誤差主要包括測試電極的位置選擇、使用的測量儀表、以及測試電流的大小三個方面。a) 實際接地網的形狀往往不規則，難以確定接地網的等效中心，接地網周圍的土

28、壤電阻率也并非完全均勻，使得電壓極位置偏離補償法的要求位置，引起測量誤差。根據表2和表3的分析，可以通過增加電流極與被測接地裝置之間的距離來減小誤差；b) 電壓表的內阻較小時，將引起測量誤差，其原理同本文“3.5瓦特表法”一節中分析瓦特表電壓線圈對測量結果的影響。可使用高內阻的數字萬用表的電壓檔測量電壓，以消除此項誤差；c) 增大通過接地裝置的測試電流，可使各種干擾電壓對測量結果的影響相對減小，從而減小工頻接地電阻的測量誤差。通過接地裝置的測試電流不宜小于30A。為了得到較大的測試電流，應盡量增加電流引線的截面積并減小電流極的接地電阻。4.2高頻干擾電壓的影響當測量用的電壓線較長時，電壓線上可

29、能出現廣播電磁場等交變電磁場產生的干擾電壓。如果用有效值電壓表測量電壓，則電壓表的指示值要受高頻干擾電壓的影響。為了減小高頻干擾電壓對測量結果的影響，在電壓表的端子上并接一個電容器，其工頻容抗應比電壓表的輸入阻抗大100倍以上。4.3接地網的零序電流的影響由于電力系統三相負荷不均衡及輸電線路三相參數的不對稱，在中性點接地系統中就有不平衡電流經接地網流入地中。零序電流的大小取決于電力系統的容量、電壓和三相的不對稱程度，一般有幾安培，有的甚至達20A左右。零序電流的影響，可以通過增大測試電流來減小，也可以用倒相法或三相電源法消除。4.4電流線與電壓線之間互感電壓的影響當電流線與電壓線相互平行時，通過電流線的測試電流在電壓線上造成的感應電壓將引起測量的誤差。感應電壓隨電流線與電壓線之間的距離減小、并行長度增加而增大。當使用停電的架空線作測量回路，電流線和電壓線使用同一回架空線的不同相時，測量誤差十分顯著，互感電壓有可能掩蓋需要測量的電壓。即使采用三角形方式布置電極，若電壓線與電流線存在并行段，同樣有互感電壓造成測量誤差的問題。減小引線間互感電壓引起接地電阻測量誤差的方法有：a) 增加電流線與電壓線之間的距離。若電流線采用停電的架空線，電壓線應另外施