三极法中电压补偿电极的位置对接地电阻测量准确度的影响

余昌松, 殷春生, 裘文君, 王华卿(.淳安县气象局, 浙江 淳安 3700;.富阳市气象局, 浙江 富阳 3400)

三极法中电压补偿电极的位置对接地电阻测量准确度的影响

余昌松1, 殷春生2, 裘文君2, 王华卿1
(1.淳安县气象局, 浙江 淳安 311700;2.富阳市气象局, 浙江 富阳 311400)

根据电磁学原理和互电阻理论,建立电压降法测量防雷接地电阻时三个电极位置关系的数学公式。分析认为三个电极相对位置的不确定性是接地电阻测量中产生误差的主要原因,电极的位置关系满足特定的公式是消除测量误差的必要条件。分析了接地电阻的两种测量方法,建议采用直线法对防雷装置接地电阻进行检测,以满足检测结果的精度要求。

互电阻; 接地电阻; 直线法; 等腰三角形法

0 引 言

接地电阻值是接地系统的重要参数之一,接地电阻测量的准确与否直接影响接地装置的防雷效果。如果测量值比实际值偏低太多,就不能保证人身和设备的安全;如果测量值比实际值偏高太多,会造成财力和人力的浪费。因此,需正确地选择接地电阻测量的方法,获取接地系统真实的接地电阻值。

1 互电阻概念

如果一个接地体A出现散流,若此时另一个不散流的接地体B处在接地体A的电流场中,则接地体B出现某一电位,此电位与接地体A的电流比值,称为A、B两接地体的互电阻。

防雷接地电阻测量的原理接线如图1所示。图1中电极1、2、3分别代表接地极E、电压极P和电流极C。电流极C与接地极E中心的距离为d13,电压极P与接地极E中心的距离为d12,电流极C与电压极P的距离为d23。

图1 测量接地电阻的原理接线图

(1) 假设检测现场的土质均匀,即土壤电阻率ρ为常数,求得接地体接地电阻为

(1)

式中:r——电极之间的距离。

(2) 假设接地极E、电压极P、电流极C都是一个半球形金属接地体,半径分别为rE、rP、rC,其值的大小与接地极E、电压极P、电流极C之间的间距相比,可以忽略不计。根据互电阻理论,得出图1中两点间的互电阻为

(2)

(3)

(4)

2 接地极E、电压极P上的电压

与流入接地极E的电流或流出电流极C的电流相比,电压表的电流很小,可忽略不计。因此,流入接地极E的电流IE=I,流出电流极C的电流IC=-I。

根据电流产生电场的原理,在接地极E、电压极P上的电压分别为

(5)

(6)

E、P两点间的电位差为

(7)

测出的电阻为

(8)

3 接地电阻测量值与实际值的差值

如果测量结果能够代表接地网实际接地电阻,就必须要求ΔR=0,即

(9)

则有

(10)

只要E极、P极、C极之间的距离满足式(10),可以认为测量出的接地电阻值越接近于真实接地电阻值。因此,式(10)是判定测量结果是否正确的必要条件。

4 电压补偿极的位置在三极法接地电阻测量结果的影响

目前,接地电阻的测量方法主要是直线法和等腰三角形法。在实际测量过程中,电流极的位置确定之后,电压补偿极P的相对位置是影响接地电阻测量结果的重要因素。

4.1 等腰三角形法

等腰三角形法测量接地电阻的原理接线如图2所示。图2中,电压极和电流极引线长度相等,即d13=d12,θ为电压极和电流极引线夹角。根据式(10),得d13=2d23,因此sinθ/2=0.25,求得θ=28.96°.

图2 等腰三角形法测量接地电阻的原理接线

4.2 直线法

当电压极和电流极引线夹角θ=0°时,即电压极和电流极引线重合,就是通常所说的直线法。

令d13=βd13,则d23=(1-β)d13,代入式(10),得到

(11)

即有

(1-β)(1+β)=β

(12)

4.3 讨论

对于等腰三角形法,有以下几种情况:

(1) 当θ=28.96°时,ΔR=RX-R=0,即测量值与实际值误差为0,测量结果等于真实值。

(2) 当θ>28.96°,ΔR=RX-R<0,测量结果小于真实值。

(3) 当θ<28.96°,ΔR=RX-R>0,测量结果大于真实值。

对于直线法,有以下几种情况:

(1) 当比值β=0.618时,ΔR=RX-R=0,即测量值与实际值误差为0,测量结果等于真实值。

(2) 当比值β>0.618时,ΔR=RX-R>0,测量结果大于真实值。

(3) 当比值β<0.618时,ΔR=RX-R<0,测量结果小于真实值。

5 结 语

在实际检测过程中,直线法比等腰三角形法更简单,也更容易掌握。对于等腰三角形法,场地条件和角度的测量误差可能影响了检测结果的真实性。因此,建议在实际工作中使用直线法对防雷装置接地电阻进行检测。

通过合理布置电极桩位,运用正确的测量方法,测量结果就越接近于真实值。但测量值与实际值相比仍存在测量误差,主要原因有以下几个方面:

(1) 接地电阻测量法的理论公式,通常都是以半球形接地体为基础。实际接地体有各种不同的形状,其附近的等电位面不是半球面。

(2) 接地电阻测量法的理论公式,是假设电流极处于接地极距离无穷远处,电压极在零电位处。

(3) 检测现场的实际土壤电阻率是变化的。

因此在实地检测时,要认真观察被检测对象的周边环境,了解土壤结构状况,选择土壤电阻率无变化或变化小的两到三点;电流极应尽可能离接地极远一点;按照直线法的要求合理布置电流极、电压极的位置,将使接地电阻检测数据更接近实际。

[1] 李景禄.接地装置的运行与改造[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

[2] 杨今夕.防雷接地及电气安全技术[M].北京:机械工业出版社,2007.

[3] 吴薛红,濮天伟,谬德利.防雷与接地技术[M].北京:化学工业出版社,2008.

[4] GB/T 21431—2008 建筑物防雷装置检测技术规范[S].

[5] 王学良,刘学春,伍哲文,等.防雷装置检测技术[M].北京:气象出版社,2012.

Voltage Compensation Pole Position Effect on Measurement Accuracy of Ground Resistance for Three-pole Method

YU Changsong1, YIN Chunsheng2, QIU Wenjun2, WANG Huaqing1

(1.Chun’an Meteorological Service, Chun’an 311700, China;2.Fuyang Meteorological Service, Fuyang 311400, China)

According to the principles of electromagnetism and mutual resistance theory,a mathematical formula of three-electrodes positional relationship were built when the voltage drop method was used to measure the grounding resistors of lightning protection.The analysis results show that the relative position uncertainty of the three electrodes is the main reason of the measurement error,and the positional relationship which meets specific formula the between the electrodes is a necessary condition to eliminate measurement errors.The two measurement methods of ground resistance were analyzed.It is suggested that the straight-line method is used to measure the ground resistance of lightning protection device ,which meets the accuracy of detection results.

mutual resistance; ground resistance; straight-line method; isosceles triangular method

余昌松(1957—),男,工程师,从事雷电防护技术方面的研究。

TU 856

A

1674-8417(2015)05-0038-03

2015-01-15

殷春生(1986—),男,工程师,从事雷电灾害风险评估工作。

裘文君(1977—),女,从事雷电防护技术研究。

王华卿(1976—),女,工程师,从事雷电防护技术研究。