埋地金属导体对接地系统电阻测试影响试验分析

覃彬全 郭在华 陈佳祺 吴刚 糜翔

(1 重庆市气象安全技术中心，重庆 401147； 2 成都信息工程大学，成都 610225； 3 中国气象局大气探测重点开放试验室，成都 610225； 4 重庆市沙坪坝区气象局，重庆 400030)

引言

接地电阻值是衡量接地装置是否有效、安全的重要参数，但接地电阻值在测量过程中受到诸多因素的影响，例如测量装置的误差、不当的测量方法、接地装置所处土壤环境等、都会导致接地电阻测量值的不准确[1-5]，为此学者们对不同对象影响接地电阻的情况开展了研究。郑君亮等通过土壤结构的反演获取土壤结构参数，进行仿真分析研究土壤电阻率对接地电阻的作用[6]。张宇从土壤结构对接地极接地性能影响的角度进行了分析[7]。史锋旗从分析接地阻抗的角度入手，提出了科学测量接地电阻值的理论依据[8]。孙金华等从三级测试法入手，分析了接地电阻测量过程中杂散电流、高频、工频及测试引线互感对测量值的影响[9]。高振洲等提出通过变频法来降低工频干扰对接地电阻测量的影响，并进行了变频测量设备的设计[10]。褚文超等通过分析变电站地网测试中接地电阻测试值不准确的实例，提出了改进测试方法[11]。张柯林以变电站地网为例，对接地电阻的数值计算及改造技术进行了研究[12]。李密在研究接地检测时提出了测量不确定因子的控制办法[13]。李鹏从接地网状态综合检测的角度进行了分析研究[14]。然而，在诸多对接地电阻测量值准确度的研究中，并未见以埋地金属导体对接地电阻测量值影响角度入手开展的研究。为研究埋地金属导体对接地电阻的影响，本文搭建了试验地网，通过埋设不同形状金属导体，改变金属导体埋设深度、与试验地网相对距离等，在不同测试点位测量试验地网接地电阻值，分析试验测试数据，获取土壤中存在金属埋设物时的接地电阻测试值的修正系数，为接地电阻的准确测量提供方法依据。

1 接地电阻的测量原理

接地电阻测量采用电位降法：在离被测接地体一定距离的土壤中插入电流极和电压极，经电流极向被测接地体注入恒定电流，电流流经接地体后再通过大地—电流极形成回路。测量电压极与接地体之间的电压，通过公式R=U/I，求出接地体的接地电阻。测量原理图如图1所示：

图1 接地电阻测量 (图中：E为被测接地体，P为电压极，C为电流极)

2 试验模型及测试方法

搭建试验地网：在均质土壤中利用40 mm×4 mm扁钢和40 mm×4 mm×2500 mm角钢敷设5 m×5 m试验地网，在试验地网中心位置预留出测试点。待试验地网与土壤充分稳定接触后，采用三极测试法(直线布极法、三角形布极法、两侧布极法)分别在地网的8个方位进行测试。试验前，首先测试土壤湿度，确保其土壤湿度大概一致，同时在无埋地金属导体条件下，获取试验地网接地电阻测试数据。选取DN100普通钢管做埋地金属导体，通过改变埋地金属导体的几何形状、埋设深度、数量、与试验地网相对位置关系，开展试验地网周围有埋地金属导体时的接地电阻测试，测试方法与试验地网周围无埋地金属导体时对应，记录每组测试数据。根据获得的相关数据进行比较，分析土壤中埋地金属导体几何形状、埋设深度、数量、与地网相对位置关系等因素对试验地网接地电阻测试结果的影响，获取土壤存在金属埋设物时的接地电阻测试值修正系数。

图2为5 m×5 m试验地网示意图，图3为无埋地金属导体时的试验地网接地电阻测试布置方式。埋地金属导体几何形状有4种：一形、L形、U形、环形，埋设深度分4个：300 mm、600 mm、900 mm、1200 mm。埋设物与试验地网无连接(图4)，埋设完毕回填土夯实并待试验环境稳定(土壤自然沉淀)。图5、图6为不同形状埋地金属导体位于电压极内侧、电压极外侧的布置方式(内侧指地网和电压极之间，外侧指电压极和电流极之间)。

图2 5 m×5 m环形试验地网示意

图3 无埋地金属时试验地网接地电阻测试布置方式 (其中P为电压极，C为电流极)

图4 钢管埋设示意

图5 不同形状埋地金属导体位于电压极内侧模型

图6 不同形状埋地金属导体位于电压极外侧模型

3 试验数据分析

在试验地网无金属埋设物的情况，以及有不同形状金属埋设物埋设在不同深度、不同位置的情况下，于不同时刻反复对试验地网的8个测试点位进行测试，记录测试时的环境温度和土壤湿度，获得试验测试数据，各个点位多次测量后取平均值，如表1所示。

表1 不同条件下的埋地金属导体接地电阻测量值

3.1 埋地金属导体形状位置对接地电阻的影响

埋地金属导体对接地电阻测量值的影响如图7所示。从埋地金属导体埋设位置来看，金属导体位于电压极内侧时，对接地电阻测量值的影响较小，位于电压极外侧时，对接地电阻测量值的影响较大。从埋地金属导体的形状来看，环形埋地金属导体对接地电阻测量值的影响最大，U形、L形埋地金属导体对接地电阻测量值的影响次之，一形埋地金属导体对接地电阻测量值的影响最小。总体来看，当土壤中存在金属导体时，都会对接地电阻测量值产生影响，使得接地电阻测量值变小。

图8是不同形状下接地电阻测量值偏差分布情况，每一点的值代表该点在某种形状下4种不同深度测量或偏移的均值。一形埋地金属导体平均偏差最小，位于电压极内侧时为0.08 Ω，变化范围是0.02～0.13 Ω；位于外侧时为0.51 Ω，变化范围是0.40～0.57 Ω。L形埋地金属导体平均偏差稍大于一形，位于电压极内侧时为0.10 Ω，变化范围是0.01～0.20 Ω；位于外侧时为0.53 Ω，变化范围是0.46～0.63 Ω。U形埋地金属导体平均偏差大于L形，位于电压极内侧时为0.15 Ω，变化范围是0.04～0.22 Ω；位于外侧时为0.56 Ω，变化范围是0.47～0.67 Ω。环形埋地金属导体平均偏差最大，位于电压极内侧时为0.22 Ω，变化范围是0.153～0.28 Ω；位于外侧时为0.58 Ω，变化范围是0.49～0.64 Ω。

图8 不同形状埋设下接地电阻值的测量值(a,b,c,d)及偏差(e,f,g,h)

埋地金属导体对接地电阻测量值的影响程度取决于其对测量回路电流散流的影响大小，该影响大小又取决于埋地金属导体对试验地网的包围程度。一形埋地金属导体对试验地网的包围范围最小，因此在散流回路上对测量电流扩散的影响也较小。而L形、U形、环形埋地金属导体对试验地网的包围范围依次增大，对电流的扩散或泄放影响也依次增强。

3.2 埋设深度对接地电阻的影响

从图7来看，当埋地金属导体位于电压极内侧时，埋设深度对接地电阻测量值的影响并不大；位于外侧时，埋设深度对接地电阻测量值的影响较为明显。埋地金属导体同样形状、同样埋设位置情况下，600 mm埋设深度测得的接地电阻测量值与参考值偏差最大。

图7 不同深度、不同形状埋地金属导体对接地电阻测量值的影响

图9是埋地金属导体在不同深度与不同形状下，接地电阻测量值与无埋地金属导体情况下测量值的偏差分布。当埋地金属导体位于电压极内侧时，接地电阻测量值偏差范围在-0.05～0.32 Ω之间波动， 波动幅度达0.37 Ω。埋设深度300 mm下一形埋地金属导体，埋设深度600 mm和900 mm下的L形埋地金属导体使接地电阻测量值略高于参照值，这是由于测试点位避开了埋地金属导体所致。当埋地金属导体位于电压极外侧时，接地电阻测量值的偏差较大，偏差范围在0.35～0.7 Ω之间波动，波动幅度达1.05 Ω。

图9 不同埋设深度接地电阻值测量的偏差

图10是埋地金属导体位于电压极内外、侧时，接地电阻测量值的偏差总体分布。埋地金属导体位于电压极外侧比位于内侧时，接地电阻测量值的偏差要大。埋地金属导体位于电压极外侧时的综合测量偏差平均值为0.55 Ω，内侧时为0.14 Ω，随着测量点位的不同，呈现波动性变化，总体平稳。在实际测量过程中，如果遇到埋地导体，应该尽量使其位于电压极的内侧。

图10 内外侧接地电阻值的测量平均偏差

当埋地金属导体位于电压极的内侧时，试验地网与埋地金属导体之间通过大地连通，与电流极之间形成共同回路，此时埋地金属导体等效于一个次生地网，与原地网串联形成一个共用大地网，从而导致试验地网的接地电阻测量值降低，但限于埋地金属导体的规模，接地电阻测量值降幅很小，在0.2 Ω以下。

当埋地金属导体位于电压极的外侧时，电流极、埋地金属导体、电压极之间也形成通路，部分电流将通过埋地金属导体散流，导致埋地金属导体周边地电位升高，改变了正常测量条件下电压极的零电位特征，从而使得接地极与电压极之间的电位差变小，但测量电流未变，从而导致接地电阻测量值减小。其减小幅度由电压极与埋地金属导体之间距离、测量电流共同决定。

3.3 测试点位对接地电阻的影响

测试点位，对接地电阻测量值的影响明显，也是造成测量值波动的最主要原因。如图3，从地网6点钟方向开始，顺时针将整个平面均分为8个测试点位，用数字“1～8”表示。图11为不同点位接地电阻值测量值的分布情况，当埋地金属导体位于电压极内侧时，不同测试点位的接地电阻测量值差异较大，曲线波动性较强，但整体平稳。埋地金属导体不同形状，不同深度下接地电阻测量值的平均偏差为0.14 Ω，其中1、2、7、8测试点偏差较大，最大偏差值达到0.26 Ω，5、6测试点偏差较小，最小偏差值是0.01 Ω。埋地金属导体位于电压极外侧时，不同测试点位接地电阻测量值差异较小，波动特征不明显，有上升趋势。埋地金属导体不同形状，不同深度下接地电阻测量值的平均偏差为0.54 Ω，其中7、8测试点偏差较大，最大偏差值达到0.67 Ω， 1、3测试点偏差较小，最小偏差值是0.40 Ω。

图11 埋地金属导体位于电压内侧(a)和外侧(b)时 不同点位接地电阻值的测量值

不同测量点位引起不同的测量偏差，这是由于不同的测量方向，测试回路散流路径不同所造成的。从图11可见，一形、L形和U形埋地金属导体的反方向均有非常接近于参考值的测量值(5、6点)，同时在正对埋地方向也具有接近于参考值的测量值(1点)，而在其他方向，值的变化比较明显，这是由于这两个方向测试电路的影响水平接近。在反方向，接地体不与埋地导体形成电流回路，测量结果基本与参考值一致。而在有埋地金属导体的方向，测量电流回路均全部通过埋地金属导体，测量结果表现为原接地体与埋地金属导体的总接地电阻，因此偏差最大。环形埋地金属导体在各个方向的测量值变化不大，总体稳定，部分点位略为偏高，这是因为它在各个方向的散流影响相同，部分点位略微偏高估计由于人工测试的测量误差。

4 不同点位接地电阻测量差值均值分布拟合分析

结合前面的分析，对不同形状的埋地金属导体在不同方向进行测量值的修正。这里面不考虑测量深度的影响，将不同深度的测量值作整体考虑。图12为不同点位接地电阻值内外侧差值均值分布拟合函数。

图12 不同点位接地电阻值内外侧差值均值分布拟合函数

本文选择傅里叶函数，获取最佳拟合函数：

y(x)=a0+a1cos(xw)+b1sin(xw)+a2cos(2xw)+

b2sin(2xw)

(1)

其中,y表示测量偏差，x是测量点位，对于95%置信区间内的拟合函数结果如下：

y1(x)=0.125-0.035cos(1.046x)+

0.034sin(1.046x)-0.036cos(2.092x)+

0.017sin(2.092x)

(2)

y2(x)=0.558+0.003cos(0.606x)-

0.068sin(0.606x)+0.006cos(1.212x)-

0.041sin(1.212x)

(3)

其中，y1为不同测量点在电压极内侧时的差值分布函数，y2为不同测量点在电压极外侧时的差值分布函数。

测量时，不同方向和测量点的偏差可以由y1、y2来表示，此时，各点的偏差值也可以作为修正参数，在测量时进行应用。另外计算得到y1的均值为0.137 Ω，分布区间为[0.054 Ω,0.175 Ω]；y2的均值为0.542 Ω，分布区间为[0.486 Ω,0.632 Ω]。

关于y1的拟合优度有：和方差(SSE)为0.001209；决定系数(R2)为0.9276；校正决定系数为0.7467；均方根(RMSE)为0.02459。

关于y2拟合优度有：和方差(SSE)为0.008488；决定系数为0.7071；校正决定系数为-0.02504；均方根(RMSE)：0.06515。

SSE越接近于0，说明模型选择和拟合越好，数据预测也越成功，说明该函数可较好地用来预测不同点位下埋地金属导体位于电压极内、外侧时接地电阻测量值的偏差值。R2的正常取值范围为[0，1]，其值越接近1，表明方程的变量对y的解释能力越强，由此可见该模型对接地电阻偏差值的拟合也较好。

在不具备地下埋设物详细资料的情况下，也可以简化应用y1、y2平均值进行修正。

5 结论

本试验分别在试验地网的8个方位对其进行接地电阻测试，获取试验地网在有、无埋地金属导体条件下接地电阻值的测试数据，经分析得出以下结论：

(1)土壤中的埋地金属导体会对接地电阻的测量值产生影响，使得接地电阻的测量值偏小，埋地金属导体位于测试电压极外侧时对接地电阻测量值的影响较大。

(2)环形的埋地金属导体对接地电阻的测量值影响最大，使得接地电阻测量值减小最多。-形的埋地金属导体对接地电阻的测量值影响较小。

(3)埋地金属导体位于测试电压极内侧时，埋设深度对接地电阻测量值的影响并不大；位于测试电压极外侧，埋设深度为600 mm时对接地电阻测量值的影响最大。

(4)除环形外，埋地金属导体位于测试电压极内侧时，不同测试点位测得接地电阻测量值差异较大，其中在点位1处所测得电阻测量值最小；埋地金属导体位于测试电压极外侧时，各测试点位接地电阻测量值差异不大。

(5)在具有埋地金属导体的情况下测量接地电阻时，可以通过不同的测量方向，对测量值进行偏差修正。