现场杆塔接地电阻和土壤电阻率测量存在问题及误差分析

1、现场杆塔接地电阻和土壤电阻率测量存在问题及误差分析颜喜平1，许根养2，敬亮兵1，张杰2，江龙才 2，李志娟 1，马福 1，李景禄 1（1长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙 410076 ； 2安徽池州供电局，安徽 池州 247000）摘要 准确测量输电线路杆塔接地电阻和土壤电阻率，对于接地装置的设计与维护具有重要意义。本文介绍了杆塔接地电阻和土壤电阻率的测量原理和测量方法，并针对安徽池州供电局的4条110kV输电线路杆塔接地电阻和土壤电阻率的测量误差，采用数据对比、理论计算的方法并配合电路模型，分析了杆塔接地电阻测量误差的产生原因。结果表明：杆塔接地电阻的测量结果与辅助电压线、电流线的布

2、线长度、角度、方向以及测量时的天气等密切相关；某厂家生产的ZC29B-1型接地电阻测量仪由于其内部结构特征，不适合作为测量土壤电阻率的工具。关键词 杆塔 接地电阻 土壤电阻率 接地电阻测试仪 测量误差 分析The Question and the Analysis of Error Existed in Measuring the Towers Ground Resistance and Soil ResistivityYan-Xiping1，Xu-Genyang2，Jing-Liangbing1， Zhang Jie2，Jiang-Longcai2，Li-Zhijuan1，Ma Fu1，Li

3、-Jinglu1（1School of Electric & Information Engineering ,Changsha University of Science & Technology ,Changsha 410076 ,China；2 . Chi Zhou Power Supply Bureau , Chi Zhou 247000 China）Abstract It is important for designing and maintaining the earthing device to measure accurately the towers ground resi

4、stance and soil resistivity of the transmission line. The principles and measurement of the towers ground resistance and soil resistivity are introduced in this paper, and the reasons of measure error aiming at the four 110KV transmission lines in Chi Zhou Power Supply Bureau of An Hui province are

5、analyzed by using data contrast, theoretical calculation and circuit models. The results indicate that measured value of the towers ground resistance and soil resistivity are nearly correlative to the weather, the length, the angle and the direction of assistant current and potential leads . The ear

6、thling ohmmeter of ZC29B-1 made in a certain factory is unsuitable to measure soil resistivity because of its inside configuration . Key words tower ground resistance soil resistivity earthling ohmmeter measure error analysis0 引言接地电阻与土壤电阻率是接地工程的重要参数，是设计、计算与维护接地装置时应首先重点考虑的因素1。安徽池州供电局的110kV查泥439线、池潘42

7、9线、观查431线和潘查438线雷击跳闸率居高不下，部分原因为杆塔接地电阻超标，但是在现场测量杆塔接地电阻时发现：测量人员使用的测量方法和接地电阻测试仪不当，使测量数据不准确，不能客观反映杆塔接地情况，因而这也是难以找出雷害事故真正原因的一个重要因素。准确测量杆塔接地电阻与土壤电阻率，对线路设计运行部门制定科学决策、降低输电线路改造成本及降低输电线路雷击跳闸事故，具有重要的意义2。本文对杆塔接地电阻和土壤电阻率测试过程中发现的问题作出了系统分析，并提出了改进办法，对从事现场测量工作具有一定的实际指导意义。1 杆塔接地电阻及土壤电阻率测量方法简介1.1 接地电阻测量仪传统的接地电阻测量仪都是基于

8、3极法5,12或者4极法原理设计而成的机械式接地摇表，采用手摇发电机作为电源，一般有E、P、C三个接线端子或者C1、C2、P1、P2四个接线端子，国产的ZC-8和ZC29B-1系列都是现场广泛应用的接地摇表。而近年来基于3极法或4极法原理的数字式的接地电阻测量仪如日本产的MODEL4015等已广泛应用于现场测量，此外C.A6411钳形接地电阻测量仪的应用也较为普遍，但据调查该表计的测量精度普遍不高6,7,10。 1.2 . 杆塔接地电阻的测量现场对杆塔接地电阻的测量，常采用三极法2，两辅助电极可采用三角形布置，也可以直线布置。但因电极为三角形布线时，须经过复杂烦琐的计算才能得出其测量结果，而且

9、测量结果的精度也较低。而辅助电极为直线布线时，结果简单直观明了，精度也较高。所以在现场常采用直线三极法测量杆塔接地电阻。但在某些特殊地形地段进行测量时，当直线布置无法进行，可采取三角形布线11。杆塔接地电阻采用直线布置三极时，简称直线三极法2-4，其原理接线如图1所示，其电极布置和电位分布如图2所示1,2,12。图1 三极法测量接地电阻实验接线示意图 图2 测量工频接地装置的直线三极法电极和电位分布示意图直线三极法是指电流极和电压极沿直线布置，三极是指被测接地体1、测量用的电压极2和测量用的电流极3。此种方法是将接地体视作半球形，所以不论接地体的形状如何，当d13足够大，接地体就越接近半球形，

10、测量结果更加真实10。一般，d13=（45）D，d12=（0.50.6）d13，D为被测接地装置最大对角线的长度1。常认为：电压极离接地体越远，其电位也越小，当距离超过20m时，电位近似为零。所以点2可以认为是处在实际的零电位区内1,2,8,11。实际工程测量中若地形复杂使得放线有困难，常取d13=2D（D为射线的长度），可将测量误差控制在0.498以内1，此外为避免地下导体由于分流对测量数据的影响，测量时需避开地下金属网2,9。1.3 土壤电阻率的测量现场对土壤电阻率的测量，有三极法和四极法，采用三极法时，接地体附近的土壤起着决定性作用，即这种办法测出的土壤电阻率，在很大程度上仅反映了接地体

11、附近的土壤电阻率。这种方法的最大缺点是在测量回路中测得的接地电阻Rg中，还包括了可能是相当大的接触电阻在内，从而引起较大误差2，因而这种方法在工程实际中很采用。采用四极法测量时，电路原理图如图3所示。由图3，经过理论分析可知：考虑到一年中的季节差异，其土壤的电阻率的测量表达式为1,2：式中 max一年中的最大土壤电阻率；土壤电阻率，m；a 电极间的距离，m； U P1、P2点的实测电压，V；Rg实测土壤电阻，；考虑到土壤干燥的季节系数，为1.41.8，干燥季节取较小数值，潮湿季节取较大数值1。 图3 四极法测土壤电阻率原理图由上式可知，当a己知时，测量P1、P2两极间的电压和流过的电流，即可算

12、出土壤的电阻率。因此当C1、P1短路时，就不能有效地测量P1、P2间的电压和流过的电流。一般情况下，测量时应找出一块平地，将辅助电极均匀布置在平地上，要求测量点的土壤结构与杆塔基座所处土壤结构非常接近，若所处土壤结构不均匀，可采取分块多处测量，取其平均值。这样测得的数据最能反映杆塔所处的地质面貌状况，同时要求测量点尽量避开杆塔接地射线和其他地下金属管道2，若受现场条件的限制，应将辅助电极布置在与金属管道垂直的方向上3。2 现场测量杆塔接地电阻存在的问题及分析 池州供电公司的110kV池潘429线3号铁塔位于一平地上，其周围为一小片竹林，竹林周围为一片水田，铁塔处土质为细沙粘土。在对该杆塔的接地

13、电阻进行现场测量时，由于其地下接地射线为30m，属于小型接地网，采用直线三极法测量接地电阻，按图1所示的接线，并按图4所示改变测量方向，分别用ZC-8和ZC29B两种摇表测量，取d12=20m 、d13 =40m和 d12=60m、d13 =100m，并改变布线方向与塔体基座的垂线的夹角a，当 图4 测量布线方向与塔体接地 射线位置示意图 a分别为0、30和45时所得测量数据如下表1所示。 表1 接地电阻测量值（单位：）摇表型号ZC-8ZC29B-1布线方式d12=20md13 =40md12=60md13 =100md12=20md13 =40mD12=60md13 =100m测量角度a（）

14、03045030450304503045接地电阻Rg()15.515.214.896.889.585.315.314.914.595.789.385.5从表1中的数据可以发现：对于接地电阻的测量，在布线长度和角度相同的情况下，ZC-8和ZC29B-1两种摇表的读数相差不大。但是对于同一种摇表，当布线角度相同但布线长度不同时，特别是当布线方向与接地射线相同时，其测量结果相差最大，达到5倍之多，为何会产生如此大的差别呢？因ZC-8和ZC29B-1系列摇表的工作原理相同，均为贝仑特补偿法9，所以只结合图5所示的ZC-8型接地电阻测试仪工作原理图加以分析。测量时其工作过程简单描述：手摇发电机产生的电流

15、为I1，此电流经内部互感器的一次绕组、大地、辅助电流极回到发电机。同时互感器的一次绕组产生同样大小的电流为I2，可以通过调节滑动触头使检流计的指针位于中心线。此时使内部电位器的测量电压U2与E、P之间的电位U1相等，即U1=U2 ，因为U1=I1 Rg， U2=I2 R，I1 =I2，所以在滑动电阻上得到的电阻R即为量取的接地电阻值Rg。即R =Rg7。图5 ZC-8接地电阻测试仪工作原理图由图5，知若接地射线L长度大于E、P之间距离，由于接地射线大多数为电阻率很小的导体材料，有着良好的导电性能，则相当于接地体E和电压极P在地下已经接近短路，这就造成U1的值大幅减小。因U1=U2，即U2值减小

16、，又因手摇发电机为恒流源，即发出的电流I1不变，因I1 =I2所以I2不变。由欧姆定律，所以当测量达到电桥平衡时滑动电阻R上得到的电阻R减小。即杆塔接地电阻的读数Rg减小。 从表1中还可以发现：在杆塔接地电阻的测量中，对于同一种摇表和布线方式，当布线的方向逐渐偏离塔体基座的垂直方向时，测量的杆塔接地电阻将逐渐减小。测量误差将增大。所以测量时要尽量避开地下接地射线的影响，布线方向应尽量和塔底基座垂直。3 测量土壤电阻率存在的问题及分析同样对池潘429线3号铁塔的土壤电阻率进行了现场测量，在铁塔周围的竹林里找出一片平地，按图4所示的接线，分别用ZC-8和ZC29B-1两种仪表，取a=5m，测量时的

17、读数为Rg，由前面所述的公式得土壤电阻率如表2所示。表2土壤电阻率测量值测量数据摇表型号Rg读数（）土壤电阻率(m)(max=2aRg取=1.2)ZC29B-1650.624514.6ZC-813.7516.2表2中的数据说明，分别用ZC-8和ZC29B两种摇表测量土壤电阻率时，其结果相差巨大，达到47.5倍。再者，ZC29B的测量结果严重失真，凭经验类似3号铁塔的细沙粘土，其土壤电阻率参考值为300.m2，不可能超过1000.m。因此怀疑ZC29B-1的内部结构的问题造成了如此大的误差，为了验证这种猜测，进行了如下2个论证性试验：实验一：用万用表的欧姆档测量ZC29B-1摇表的C1、P1两接

18、线端之间的电阻，其读数为0，万用表的蜂鸣器鸣叫，说明C1、P1之间已经导通。实验二：另找一片土质均匀的平地，用四极法测量其土壤电阻率，分别在其接线端C1、P1均接通C1、P1接线端分别解开的情况下测量，摇表的读数即接地电阻Rg读数如表3所示。表3 接地电阻Rg测量值（单位）接线方式C1、P1均接通断开C1断开P1Rg（)350571057105从表3可以看出，分别断开C1 和P1时，其测量结果相同，并且C1、P1均正常接通时其测量结果是他们的一半，这就说明用四极法测量时，所测量的是某两个电阻的并联值。因为C1、P1两接线端在表计内部已形成通路，所以在用四极法测量其土壤电阻率时，实际上变成了用3

19、极法测量C1、P1两接线端即两圆钢的接地电阻的并联值。4 结论 本文根据安徽池州供电局4条110kV输电线路杆塔接地电阻的测量误差，通过对测量数据的对比、计算分析并结合电路模型，找出了误差存在的真正原因，并得出了在测量杆塔接地电阻时需要注意的两点：1、杆塔接地电阻的测量结果和辅助电压线、电流线的布线长度、角度以及测量时的天气等因素密切相关。测量杆塔接地电阻，宜采用直线三极法测量，电流极的布线长度至少应该达到接地网对角线的2倍，电压极的长度应该严格按照0.618法布置，布线的方向应尽量和塔体基座垂直，测量应该尽量选择在晴朗干燥的天气进行。2、对于有4个接线端的接地电阻测量仪，能否适合测量土壤电阻率，还要看其内部结构。论证性实验已查明某厂家生产的ZC29B-1型土壤电阻率测量仪由于其C1、P1两接线端内