埋地金屬導(dǎo)體對(duì)接地系統(tǒng)電阻測(cè)試影響試驗(yàn)分析

覃彬全 郭在華 陳佳祺 吳剛 糜翔

(1 重慶市氣象安全技術(shù)中心，重慶 401147； 2 成都信息工程大學(xué)，成都 610225； 3 中國(guó)氣象局大氣探測(cè)重點(diǎn)開放試驗(yàn)室，成都 610225； 4 重慶市沙坪壩區(qū)氣象局，重慶 400030)

引言

接地電阻值是衡量接地裝置是否有效、安全的重要參數(shù)，但接地電阻值在測(cè)量過(guò)程中受到諸多因素的影響，例如測(cè)量裝置的誤差、不當(dāng)?shù)臏y(cè)量方法、接地裝置所處土壤環(huán)境等、都會(huì)導(dǎo)致接地電阻測(cè)量值的不準(zhǔn)確[1-5]，為此學(xué)者們對(duì)不同對(duì)象影響接地電阻的情況開展了研究。鄭君亮等通過(guò)土壤結(jié)構(gòu)的反演獲取土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行仿真分析研究土壤電阻率對(duì)接地電阻的作用[6]。張宇從土壤結(jié)構(gòu)對(duì)接地極接地性能影響的角度進(jìn)行了分析[7]。史鋒旗從分析接地阻抗的角度入手，提出了科學(xué)測(cè)量接地電阻值的理論依據(jù)[8]。孫金華等從三級(jí)測(cè)試法入手，分析了接地電阻測(cè)量過(guò)程中雜散電流、高頻、工頻及測(cè)試引線互感對(duì)測(cè)量值的影響[9]。高振洲等提出通過(guò)變頻法來(lái)降低工頻干擾對(duì)接地電阻測(cè)量的影響，并進(jìn)行了變頻測(cè)量設(shè)備的設(shè)計(jì)[10]。褚文超等通過(guò)分析變電站地網(wǎng)測(cè)試中接地電阻測(cè)試值不準(zhǔn)確的實(shí)例，提出了改進(jìn)測(cè)試方法[11]。張柯林以變電站地網(wǎng)為例，對(duì)接地電阻的數(shù)值計(jì)算及改造技術(shù)進(jìn)行了研究[12]。李密在研究接地檢測(cè)時(shí)提出了測(cè)量不確定因子的控制辦法[13]。李鵬從接地網(wǎng)狀態(tài)綜合檢測(cè)的角度進(jìn)行了分析研究[14]。然而，在諸多對(duì)接地電阻測(cè)量值準(zhǔn)確度的研究中，并未見(jiàn)以埋地金屬導(dǎo)體對(duì)接地電阻測(cè)量值影響角度入手開展的研究。為研究埋地金屬導(dǎo)體對(duì)接地電阻的影響，本文搭建了試驗(yàn)地網(wǎng)，通過(guò)埋設(shè)不同形狀金屬導(dǎo)體，改變金屬導(dǎo)體埋設(shè)深度、與試驗(yàn)地網(wǎng)相對(duì)距離等，在不同測(cè)試點(diǎn)位測(cè)量試驗(yàn)地網(wǎng)接地電阻值，分析試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，獲取土壤中存在金屬埋設(shè)物時(shí)的接地電阻測(cè)試值的修正系數(shù)，為接地電阻的準(zhǔn)確測(cè)量提供方法依據(jù)。

1 接地電阻的測(cè)量原理

接地電阻測(cè)量采用電位降法：在離被測(cè)接地體一定距離的土壤中插入電流極和電壓極，經(jīng)電流極向被測(cè)接地體注入恒定電流，電流流經(jīng)接地體后再通過(guò)大地—電流極形成回路。測(cè)量電壓極與接地體之間的電壓，通過(guò)公式R=U/I，求出接地體的接地電阻。測(cè)量原理圖如圖1所示：

圖1 接地電阻測(cè)量 (圖中：E為被測(cè)接地體，P為電壓極，C為電流極)

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y(cè)試方法

搭建試驗(yàn)地網(wǎng)：在均質(zhì)土壤中利用40 mm×4 mm扁鋼和40 mm×4 mm×2500 mm角鋼敷設(shè)5 m×5 m試驗(yàn)地網(wǎng)，在試驗(yàn)地網(wǎng)中心位置預(yù)留出測(cè)試點(diǎn)。待試驗(yàn)地網(wǎng)與土壤充分穩(wěn)定接觸后，采用三極測(cè)試法(直線布極法、三角形布極法、兩側(cè)布極法)分別在地網(wǎng)的8個(gè)方位進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)前，首先測(cè)試土壤濕度，確保其土壤濕度大概一致，同時(shí)在無(wú)埋地金屬導(dǎo)體條件下，獲取試驗(yàn)地網(wǎng)接地電阻測(cè)試數(shù)據(jù)。選取DN100普通鋼管做埋地金屬導(dǎo)體，通過(guò)改變埋地金屬導(dǎo)體的幾何形狀、埋設(shè)深度、數(shù)量、與試驗(yàn)地網(wǎng)相對(duì)位置關(guān)系，開展試驗(yàn)地網(wǎng)周圍有埋地金屬導(dǎo)體時(shí)的接地電阻測(cè)試，測(cè)試方法與試驗(yàn)地網(wǎng)周圍無(wú)埋地金屬導(dǎo)體時(shí)對(duì)應(yīng)，記錄每組測(cè)試數(shù)據(jù)。根據(jù)獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，分析土壤中埋地金屬導(dǎo)體幾何形狀、埋設(shè)深度、數(shù)量、與地網(wǎng)相對(duì)位置關(guān)系等因素對(duì)試驗(yàn)地網(wǎng)接地電阻測(cè)試結(jié)果的影響，獲取土壤存在金屬埋設(shè)物時(shí)的接地電阻測(cè)試值修正系數(shù)。

圖2為5 m×5 m試驗(yàn)地網(wǎng)示意圖，圖3為無(wú)埋地金屬導(dǎo)體時(shí)的試驗(yàn)地網(wǎng)接地電阻測(cè)試布置方式。埋地金屬導(dǎo)體幾何形狀有4種：一形、L形、U形、環(huán)形，埋設(shè)深度分4個(gè)：300 mm、600 mm、900 mm、1200 mm。埋設(shè)物與試驗(yàn)地網(wǎng)無(wú)連接(圖4)，埋設(shè)完畢回填土夯實(shí)并待試驗(yàn)環(huán)境穩(wěn)定(土壤自然沉淀)。圖5、圖6為不同形狀埋地金屬導(dǎo)體位于電壓極內(nèi)側(cè)、電壓極外側(cè)的布置方式(內(nèi)側(cè)指地網(wǎng)和電壓極之間，外側(cè)指電壓極和電流極之間)。

圖2 5 m×5 m環(huán)形試驗(yàn)地網(wǎng)示意

圖3 無(wú)埋地金屬時(shí)試驗(yàn)地網(wǎng)接地電阻測(cè)試布置方式 (其中P為電壓極，C為電流極)

圖4 鋼管埋設(shè)示意

圖5 不同形狀埋地金屬導(dǎo)體位于電壓極內(nèi)側(cè)模型

圖6 不同形狀埋地金屬導(dǎo)體位于電壓極外側(cè)模型

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在試驗(yàn)地網(wǎng)無(wú)金屬埋設(shè)物的情況，以及有不同形狀金屬埋設(shè)物埋設(shè)在不同深度、不同位置的情況下，于不同時(shí)刻反復(fù)對(duì)試驗(yàn)地網(wǎng)的8個(gè)測(cè)試點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)試，記錄測(cè)試時(shí)的環(huán)境溫度和土壤濕度，獲得試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，各個(gè)點(diǎn)位多次測(cè)量后取平均值，如表1所示。

表1 不同條件下的埋地金屬導(dǎo)體接地電阻測(cè)量值

3.1 埋地金屬導(dǎo)體形狀位置對(duì)接地電阻的影響

埋地金屬導(dǎo)體對(duì)接地電阻測(cè)量值的影響如圖7所示。從埋地金屬導(dǎo)體埋設(shè)位置來(lái)看，金屬導(dǎo)體位于電壓極內(nèi)側(cè)時(shí)，對(duì)接地電阻測(cè)量值的影響較小，位于電壓極外側(cè)時(shí)，對(duì)接地電阻測(cè)量值的影響較大。從埋地金屬導(dǎo)體的形狀來(lái)看，環(huán)形埋地金屬導(dǎo)體對(duì)接地電阻測(cè)量值的影響最大，U形、L形埋地金屬導(dǎo)體對(duì)接地電阻測(cè)量值的影響次之，一形埋地金屬導(dǎo)體對(duì)接地電阻測(cè)量值的影響最小?？傮w來(lái)看，當(dāng)土壤中存在金屬導(dǎo)體時(shí)，都會(huì)對(duì)接地電阻測(cè)量值產(chǎn)生影響，使得接地電阻測(cè)量值變小。

圖8是不同形狀下接地電阻測(cè)量值偏差分布情況，每一點(diǎn)的值代表該點(diǎn)在某種形狀下4種不同深度測(cè)量或偏移的均值。一形埋地金屬導(dǎo)體平均偏差最小，位于電壓極內(nèi)側(cè)時(shí)為0.08 Ω，變化范圍是0.02～0.13 Ω；位于外側(cè)時(shí)為0.51 Ω，變化范圍是0.40～0.57 Ω。L形埋地金屬導(dǎo)體平均偏差稍大于一形，位于電壓極內(nèi)側(cè)時(shí)為0.10 Ω，變化范圍是0.01～0.20 Ω；位于外側(cè)時(shí)為0.53 Ω，變化范圍是0.46～0.63 Ω。U形埋地金屬導(dǎo)體平均偏差大于L形，位于電壓極內(nèi)側(cè)時(shí)為0.15 Ω，變化范圍是0.04～0.22 Ω；位于外側(cè)時(shí)為0.56 Ω，變化范圍是0.47～0.67 Ω。環(huán)形埋地金屬導(dǎo)體平均偏差最大，位于電壓極內(nèi)側(cè)時(shí)為0.22 Ω，變化范圍是0.153～0.28 Ω；位于外側(cè)時(shí)為0.58 Ω，變化范圍是0.49～0.64 Ω。

圖8 不同形狀埋設(shè)下接地電阻值的測(cè)量值(a,b,c,d)及偏差(e,f,g,h)

埋地金屬導(dǎo)體對(duì)接地電阻測(cè)量值的影響程度取決于其對(duì)測(cè)量回路電流散流的影響大小，該影響大小又取決于埋地金屬導(dǎo)體對(duì)試驗(yàn)地網(wǎng)的包圍程度。一形埋地金屬導(dǎo)體對(duì)試驗(yàn)地網(wǎng)的包圍范圍最小，因此在散流回路上對(duì)測(cè)量電流擴(kuò)散的影響也較小。而L形、U形、環(huán)形埋地金屬導(dǎo)體對(duì)試驗(yàn)地網(wǎng)的包圍范圍依次增大，對(duì)電流的擴(kuò)散或泄放影響也依次增強(qiáng)。

3.2 埋設(shè)深度對(duì)接地電阻的影響

從圖7來(lái)看，當(dāng)埋地金屬導(dǎo)體位于電壓極內(nèi)側(cè)時(shí)，埋設(shè)深度對(duì)接地電阻測(cè)量值的影響并不大；位于外側(cè)時(shí)，埋設(shè)深度對(duì)接地電阻測(cè)量值的影響較為明顯。埋地金屬導(dǎo)體同樣形狀、同樣埋設(shè)位置情況下，600 mm埋設(shè)深度測(cè)得的接地電阻測(cè)量值與參考值偏差最大。

圖7 不同深度、不同形狀埋地金屬導(dǎo)體對(duì)接地電阻測(cè)量值的影響

圖9是埋地金屬導(dǎo)體在不同深度與不同形狀下，接地電阻測(cè)量值與無(wú)埋地金屬導(dǎo)體情況下測(cè)量值的偏差分布。當(dāng)埋地金屬導(dǎo)體位于電壓極內(nèi)側(cè)時(shí)，接地電阻測(cè)量值偏差范圍在-0.05～0.32 Ω之間波動(dòng)， 波動(dòng)幅度達(dá)0.37 Ω。埋設(shè)深度300 mm下一形埋地金屬導(dǎo)體，埋設(shè)深度600 mm和900 mm下的L形埋地金屬導(dǎo)體使接地電阻測(cè)量值略高于參照值，這是由于測(cè)試點(diǎn)位避開了埋地金屬導(dǎo)體所致。當(dāng)埋地金屬導(dǎo)體位于電壓極外側(cè)時(shí)，接地電阻測(cè)量值的偏差較大，偏差范圍在0.35～0.7 Ω之間波動(dòng)，波動(dòng)幅度達(dá)1.05 Ω。

圖9 不同埋設(shè)深度接地電阻值測(cè)量的偏差

圖10是埋地金屬導(dǎo)體位于電壓極內(nèi)外、側(cè)時(shí)，接地電阻測(cè)量值的偏差總體分布。埋地金屬導(dǎo)體位于電壓極外側(cè)比位于內(nèi)側(cè)時(shí)，接地電阻測(cè)量值的偏差要大。埋地金屬導(dǎo)體位于電壓極外側(cè)時(shí)的綜合測(cè)量偏差平均值為0.55 Ω，內(nèi)側(cè)時(shí)為0.14 Ω，隨著測(cè)量點(diǎn)位的不同，呈現(xiàn)波動(dòng)性變化，總體平穩(wěn)。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，如果遇到埋地導(dǎo)體，應(yīng)該盡量使其位于電壓極的內(nèi)側(cè)。

圖10 內(nèi)外側(cè)接地電阻值的測(cè)量平均偏差

當(dāng)埋地金屬導(dǎo)體位于電壓極的內(nèi)側(cè)時(shí)，試驗(yàn)地網(wǎng)與埋地金屬導(dǎo)體之間通過(guò)大地連通，與電流極之間形成共同回路，此時(shí)埋地金屬導(dǎo)體等效于一個(gè)次生地網(wǎng)，與原地網(wǎng)串聯(lián)形成一個(gè)共用大地網(wǎng)，從而導(dǎo)致試驗(yàn)地網(wǎng)的接地電阻測(cè)量值降低，但限于埋地金屬導(dǎo)體的規(guī)模，接地電阻測(cè)量值降幅很小，在0.2 Ω以下。

當(dāng)埋地金屬導(dǎo)體位于電壓極的外側(cè)時(shí)，電流極、埋地金屬導(dǎo)體、電壓極之間也形成通路，部分電流將通過(guò)埋地金屬導(dǎo)體散流，導(dǎo)致埋地金屬導(dǎo)體周邊地電位升高，改變了正常測(cè)量條件下電壓極的零電位特征，從而使得接地極與電壓極之間的電位差變小，但測(cè)量電流未變，從而導(dǎo)致接地電阻測(cè)量值減小。其減小幅度由電壓極與埋地金屬導(dǎo)體之間距離、測(cè)量電流共同決定。

3.3 測(cè)試點(diǎn)位對(duì)接地電阻的影響

測(cè)試點(diǎn)位，對(duì)接地電阻測(cè)量值的影響明顯，也是造成測(cè)量值波動(dòng)的最主要原因。如圖3，從地網(wǎng)6點(diǎn)鐘方向開始，順時(shí)針將整個(gè)平面均分為8個(gè)測(cè)試點(diǎn)位，用數(shù)字“1～8”表示。圖11為不同點(diǎn)位接地電阻值測(cè)量值的分布情況，當(dāng)埋地金屬導(dǎo)體位于電壓極內(nèi)側(cè)時(shí)，不同測(cè)試點(diǎn)位的接地電阻測(cè)量值差異較大，曲線波動(dòng)性較強(qiáng)，但整體平穩(wěn)。埋地金屬導(dǎo)體不同形狀，不同深度下接地電阻測(cè)量值的平均偏差為0.14 Ω，其中1、2、7、8測(cè)試點(diǎn)偏差較大，最大偏差值達(dá)到0.26 Ω，5、6測(cè)試點(diǎn)偏差較小，最小偏差值是0.01 Ω。埋地金屬導(dǎo)體位于電壓極外側(cè)時(shí)，不同測(cè)試點(diǎn)位接地電阻測(cè)量值差異較小，波動(dòng)特征不明顯，有上升趨勢(shì)。埋地金屬導(dǎo)體不同形狀，不同深度下接地電阻測(cè)量值的平均偏差為0.54 Ω，其中7、8測(cè)試點(diǎn)偏差較大，最大偏差值達(dá)到0.67 Ω， 1、3測(cè)試點(diǎn)偏差較小，最小偏差值是0.40 Ω。

圖11 埋地金屬導(dǎo)體位于電壓內(nèi)側(cè)(a)和外側(cè)(b)時(shí) 不同點(diǎn)位接地電阻值的測(cè)量值

不同測(cè)量點(diǎn)位引起不同的測(cè)量偏差，這是由于不同的測(cè)量方向，測(cè)試回路散流路徑不同所造成的。從圖11可見(jiàn)，一形、L形和U形埋地金屬導(dǎo)體的反方向均有非常接近于參考值的測(cè)量值(5、6點(diǎn))，同時(shí)在正對(duì)埋地方向也具有接近于參考值的測(cè)量值(1點(diǎn))，而在其他方向，值的變化比較明顯，這是由于這兩個(gè)方向測(cè)試電路的影響水平接近。在反方向，接地體不與埋地導(dǎo)體形成電流回路，測(cè)量結(jié)果基本與參考值一致。而在有埋地金屬導(dǎo)體的方向，測(cè)量電流回路均全部通過(guò)埋地金屬導(dǎo)體，測(cè)量結(jié)果表現(xiàn)為原接地體與埋地金屬導(dǎo)體的總接地電阻，因此偏差最大。環(huán)形埋地金屬導(dǎo)體在各個(gè)方向的測(cè)量值變化不大，總體穩(wěn)定，部分點(diǎn)位略為偏高，這是因?yàn)樗诟鱾€(gè)方向的散流影響相同，部分點(diǎn)位略微偏高估計(jì)由于人工測(cè)試的測(cè)量誤差。

4 不同點(diǎn)位接地電阻測(cè)量差值均值分布擬合分析

結(jié)合前面的分析，對(duì)不同形狀的埋地金屬導(dǎo)體在不同方向進(jìn)行測(cè)量值的修正。這里面不考慮測(cè)量深度的影響，將不同深度的測(cè)量值作整體考慮。圖12為不同點(diǎn)位接地電阻值內(nèi)外側(cè)差值均值分布擬合函數(shù)。

圖12 不同點(diǎn)位接地電阻值內(nèi)外側(cè)差值均值分布擬合函數(shù)

本文選擇傅里葉函數(shù)，獲取最佳擬合函數(shù)：

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

b2sin(2xw)

(1)

其中,y表示測(cè)量偏差，x是測(cè)量點(diǎn)位，對(duì)于95%置信區(qū)間內(nèi)的擬合函數(shù)結(jié)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為不同測(cè)量點(diǎn)在電壓極內(nèi)側(cè)時(shí)的差值分布函數(shù)，y2為不同測(cè)量點(diǎn)在電壓極外側(cè)時(shí)的差值分布函數(shù)。

測(cè)量時(shí)，不同方向和測(cè)量點(diǎn)的偏差可以由y1、y2來(lái)表示，此時(shí)，各點(diǎn)的偏差值也可以作為修正參數(shù)，在測(cè)量時(shí)進(jìn)行應(yīng)用。另外計(jì)算得到y(tǒng)1的均值為0.137 Ω，分布區(qū)間為[0.054 Ω,0.175 Ω]；y2的均值為0.542 Ω，分布區(qū)間為[0.486 Ω,0.632 Ω]。

關(guān)于y1的擬合優(yōu)度有：和方差(SSE)為0.001209；決定系數(shù)(R2)為0.9276；校正決定系數(shù)為0.7467；均方根(RMSE)為0.02459。

關(guān)于y2擬合優(yōu)度有：和方差(SSE)為0.008488；決定系數(shù)為0.7071；校正決定系數(shù)為-0.02504；均方根(RMSE)：0.06515。

SSE越接近于0，說(shuō)明模型選擇和擬合越好，數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)也越成功，說(shuō)明該函數(shù)可較好地用來(lái)預(yù)測(cè)不同點(diǎn)位下埋地金屬導(dǎo)體位于電壓極內(nèi)、外側(cè)時(shí)接地電阻測(cè)量值的偏差值。R2的正常取值范圍為[0，1]，其值越接近1，表明方程的變量對(duì)y的解釋能力越強(qiáng)，由此可見(jiàn)該模型對(duì)接地電阻偏差值的擬合也較好。

在不具備地下埋設(shè)物詳細(xì)資料的情況下，也可以簡(jiǎn)化應(yīng)用y1、y2平均值進(jìn)行修正。

5 結(jié)論

本試驗(yàn)分別在試驗(yàn)地網(wǎng)的8個(gè)方位對(duì)其進(jìn)行接地電阻測(cè)試，獲取試驗(yàn)地網(wǎng)在有、無(wú)埋地金屬導(dǎo)體條件下接地電阻值的測(cè)試數(shù)據(jù)，經(jīng)分析得出以下結(jié)論：

(1)土壤中的埋地金屬導(dǎo)體會(huì)對(duì)接地電阻的測(cè)量值產(chǎn)生影響，使得接地電阻的測(cè)量值偏小，埋地金屬導(dǎo)體位于測(cè)試電壓極外側(cè)時(shí)對(duì)接地電阻測(cè)量值的影響較大。

(2)環(huán)形的埋地金屬導(dǎo)體對(duì)接地電阻的測(cè)量值影響最大，使得接地電阻測(cè)量值減小最多。-形的埋地金屬導(dǎo)體對(duì)接地電阻的測(cè)量值影響較小。

(3)埋地金屬導(dǎo)體位于測(cè)試電壓極內(nèi)側(cè)時(shí)，埋設(shè)深度對(duì)接地電阻測(cè)量值的影響并不大；位于測(cè)試電壓極外側(cè)，埋設(shè)深度為600 mm時(shí)對(duì)接地電阻測(cè)量值的影響最大。

(4)除環(huán)形外，埋地金屬導(dǎo)體位于測(cè)試電壓極內(nèi)側(cè)時(shí)，不同測(cè)試點(diǎn)位測(cè)得接地電阻測(cè)量值差異較大，其中在點(diǎn)位1處所測(cè)得電阻測(cè)量值最??；埋地金屬導(dǎo)體位于測(cè)試電壓極外側(cè)時(shí)，各測(cè)試點(diǎn)位接地電阻測(cè)量值差異不大。

(5)在具有埋地金屬導(dǎo)體的情況下測(cè)量接地電阻時(shí)，可以通過(guò)不同的測(cè)量方向，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行偏差修正。