王纯高

（中国葛洲坝集团股份有限公司藏木项目部，西藏加查 856400）

接地电阻是表示接地体接地状态是否良好的关键技术指标，其阻值测量的准确性，是衡量整个接地工程是否合格的重要依据。因此测值应力求准确，若测量结果偏大会浪费大量人力物力，若偏小会给接地建筑物和设备带来安全隐患，严重时造成人身财产损失。

在较小的面积下且当地表土壤电阻率比较高时，雷电流在表面土层排泄散流有困难，要使接地体接地电阻达到安全要求，必须采用有效的降阻措施。随着接地技术和生产力的发展，接地降阻的方法经历了从地表换土，外引接地体增大接地网的面积、使用降阻剂，到增设深埋垂直接地体的过程。

1 接地电阻测量

发、变电站地网接地电阻值是接地系统的重要技术指标，它是衡量接地系统的有效性、安全性以及鉴定接地系统是否符合设计要求的重要参数。

现在很多发、变电工程占地面积小，土壤电阻率高，使接地电阻达不到规程要求的标准。最简单的解决办法就是把地网面积扩大，或增设垂直接地极，发挥三维地网的作用。这是个十分有效的办法，但对接地网的特性参数，尤其是接地电阻的测量仍然具有一定的困难。实事上，城市中建筑物的密度很大，地下管网很多，接地网接地电阻的测量实际上很难测准，尤其是当采用三极直线法测量时，因为接地电阻测量的拉线距离必须大于接地网直径的4～5倍，这一点很难做到。这使得接地电阻的测量可能是在接地网的网眼中进行的，这与接地电阻的定义是不一致的，其测量的结果与实际值存在着偏差，所测结果一般偏小。尽管现在广泛采用了高频接地电阻测量仪和脉冲接地电阻测量仪，所测接地电阻与工频接地电阻是不同的，因为它没有标准定义下的接地电阻意义[1]。

1.1 接地电阻测量原理

接地电阻测量的基本原理是根据接地阻抗的意义，建立在三维地网（视为半球形）基础之上的，是电流I经三维地网接地体流入大地时接地电位U和I的比值，即等于流过接地装置入地的电流被其上产生的电压相除：R=U/I。测量接地电阻的方法很多，无论三极直线法，还是三极三角形法，均由接地装置、电压极、电流极组成，其目的就是为了给摸仿雷击形成的雷电流回路进行测量试验。接闪器和引下线是雷电流从雷云经过雷电放电的通道，再经三维地网向大地四周扩散传播，最后以位移电流的形式经过云地之间的广阔空间，回到雷云，符合电流的闭合性与连续性之规律[1]。三极直线法（接地装置-电流－电压成直线布置）接地电阻测量方法简单，数据可靠性较三极三角形法（接地装置-电流－电压成三角形布置）等测试方法要好，而且稳定性高，目前在现场广泛使用[2]得以推广[3]。

1.2 三极直线法（0．618法）

为了便于分析简化计算，把整个垂直接地体的接地网视为半球形的三维地网。

设rg为球半径，流入大地的电流为I，则在距球心为x处球面上电流密度为：

式中，ρ为土壤电阻率。

则距球心x（x≥Rg）处所具有的电位为：

电位分布曲线如图1所示。

半球接地体表面地电位

其电阻为

图1 半球接地极电位颁布图Fig.1 Hemisphere electrode potential distribution map

式中，ρ为土壤电阻率；rg为垂直接地体的埋设深度。

为了测量接地电阻，首先在三维地网接地体上注入一定的电流，其测试接线原理图如图2所示。

图2 三极直线法测接地电阻的接线原理Fig.2 The wiring principle of measuring the grounding resistance using the 3-electrode straight line method

1）由式（1）可知，通过被测电极1即流入大地的电流使1、2之间所呈现的电位差为

通过电极3即流出大地的电流I使1、2之间所呈现的电位差为

显然通过被测电极1和通过电极3的电流方向相反，因此要准确测量接地电阻，关键在于找准零电位点，才能准确的测量真值[4]。测量接地电阻的电压分布及电流方向图如图3所示。

图3 测量接地电阻的电压及电流方向图Fig.3 The current and voltage direction drawing of grounding resistance measurement

电极1、2之间的总电位差为

则电极1、2之间呈现的电阻Rg为

接地电阻的测量是按照上式来进行的：给接地装置（接地极或接地网）施加一个电流I，测量出接地极（网）上的电压U，电压与电流相除，就得到了接地电阻。

而接地网的接地电阻实际等于

于是由（3）式测量误差的绝对值为

由此得到测量误差相对值为

欲使测量的接地电阻Rg与接地网的实际电阻R两者是相等的，则必须有

显然只要准确布置3个电极的位置即可满足上式。

上述分析过程表明，如果电流极置于非无穷远处，把电压极放在距接地网0.618处，即对被测接地网与电流极两者之间进行黄金分割，就可测得接地网的真实接地电阻。

2）如果电极周围土壤电阻率是均匀的，同理根据2个极的互电阻与土壤电阻率成正比，而与两电极间的距离成反比；或列出3个极的电压方程组：

式中，I1为流入接地装置的电流；I2为流入电压极的电流；I3为流入电流极的电流；R1为接地装置1的自电阻，即接地装置的被测接地电阻；R2为电压极的自电阻；R3为电流极的自电阻；R13和R31为接地装置与电流极之间的互电阻，它们相等；R12和R21为接地装置与电压极之间的互电阻，它们相等；R23和R32为电压极和电流极之间的互电阻，它们相等。

测试时电流是从接地装置流入大地，而从电流极流出，回到电源。取流入大地的电流方向为正，则I1=-I3。因为流过电压极的电流极小，故可以认为I2=0。又因三对互电阻相等：R13=R31，R12=R21，R23=R32，则方程组可改写为：

由式（7），得U

由此可得接地电阻的测量值为：

在式（9）的等式右边，第一项R1为接地装置接地电阻的真值，于是，后三项互电阻（R23－R12－R13）就为测量误差：

从式（9）和式（10）可知，测量误差由3个互电阻构成，而互电阻又是由各电极的相对位置引起，取决于各电极位置的布置。正确的电极位置的布置应使

则测量误差就可等于或接近于零，即δ=±0%。

如果电极周围土壤电阻率是均匀的，2个极的互电阻与土壤电阻率成正比，而与两电极间的距离成反比，式（4）和式（11）具有等效性。

1.3 三极三角形法（30°夹角法）

在某些情况下，由于地形的限制，很难将电流极打到接地网最大对角线D的4～5倍的直线距离的位置，可采用三极三角形法测量接地电阻，接地装置、电压极、电流极按等腰三角形布置，如图4所示。

可得 cos θ=7/8=0.875，θ=29°

习惯上一般取d12=d13≥2D，夹角θ=30°。

由此得到三角形法测量误差为

图4 三极三角形法接地电阻测量接线Fig.4 Wiring digram of 3-electrode trigonometry method for measuring grounding resistance

即得测量误差δ≠0（当θ=30°时）

经实测和理论计算表明：当d13=2D时，用三角形法的测量结果，也只相当于3D直线法的测量结果，误差δ约在±10%，引起误差的主要原因是θ取值和受2D所限;采用30°夹角法测量时，把在直线法测量时的全部公式中的（d13-d12）用电流极和电压极之间的实际距离进行了代替。因此三极直线法较三极三角形法测出的接地电阻的数据稳定性好，可靠性高。

2 三维地网

所谓三维立体接地网是指由于多方面原因，在高土壤电阻率、扩张裕度有限的地段，为了降低接地电阻，使接地电阻值满足设计规范要求，在水平接地网的基础上，从接地技术上采用改变土壤（换土或用降阻剂），增加深孔垂直接地等降低接地电阻值方法，将接地系统向纵深方向发展，并与水平接地网连接起来，以改善接地效果，有效地解决接地系统的安全性问题，这种在地下深层形成的半球散流接地网称为三维地网[1]。三维地网能将强大的过电压和过电流迅速流散于土壤深层，可有效地降低地网的接地电阻。

狭义地讲，在水平地网基础上，深钻垂直接地体就形成三维地网。在当今的移动通信基站、微波基站、电视台、地震观察站、GIS变电站等要求低电阻的地网施工中，具有广泛的应用前景。由于钻探技术的发展及其在地壳钻孔工程成本的下降，钻孔深埋接地网在世界各国得到了广泛的引入和应用，将地网的泄流空间从地表引向了地层深处，使地网的技术出现了质的飞跃。

一般说来，在低土壤电阻率地区修建发、变电工程时，只要在周边敷设水平接地网，其接地电阻值就很容易满足设计规范要求。但在高土壤电阻率地区修建发、变电工程时，单靠采用水平接地网就很难满足接地规范的要求。特别是对于城市内的发、变电站，地价昂贵，地网施工面积受了限制，平面地网施工难度较大，在通过地网扩张裕度达到降阻效果有困难的情况下，将地网往纵深方向发展是必然的趋势。如果地中深层有低土壤电阻率区域，尤其在有地下含水层的地方，入地电流可以经深井接地体，通过水层或低电阻率物质散流，可效降低整个接地系统的接地电阻。增设垂直接地体，这是因为土壤越深，电阻率不受季节和气候条件的影响，使接地系统的性能更加稳定。三维地网除了降阻以外，还可以克服因场地窄小而不便采用常规的水平敷设接地网的缺点，这在山区高土壤电阻率的地方更是一种行之有效的接地方法[5]。因此广义地讲，三维地网包括在高电阻率土壤里，改变土壤、增加垂直接地深孔等。现行接地网中的接地模块、钢桩、深（水）井法、铺设水下接地、利用自然接地体、钻孔深埋、添加降阻剂、置换土壤等就是三维地网的典型应用，其中钻孔是深埋接地体的最有效手段。通过钻孔深埋接地体，并在钻孔内注入导电性能良好的降阻剂，使接地体与大地之间有机的整合接触，造成雷电流与大地体（绝对零电位体）的通道通畅。

2.1 三维地网原理

所谓三维地网实质上是指接地体的埋设深度与接地网的等值半径处于同一数量级的接地网。

从式（2）中可见，Rg与rg成反比，为使Rg减小，rg越大越好，但对（2）式偏微分有

决定垂直接地体最佳深度，应考虑到三维地网的因素。钻孔的深度是有条件的，垂直接地极的埋设深度应在可能的条件下尽可能地取最大值，但并不是越深越好。由式（13）分析可以看出，随着埋设深度rg的不断增大，反而降阻率坠R/坠rg与rg2成反比急剧下降，当到增大rg到一定程度后，似乎呈饱和状态，降阻率坠R/坠rg已接近于零[6]。据此从理论上说明了接地极的深度对改善电流、电位分布的影响，以及深层接地极在不同埋深时引起的地表电位大小是不相同的。接地极的埋深至多对接地极附近的土地表面电位有较大的影响，而对远方的电位影响不大。通过一个实际的500 kV电网的仿真，说明直流电流在交流电网中的分布受埋深的影响很小，通过深埋接地极无法有效地解决直流偏磁问题[7]。

2.2 垂直接地体技术

rg的大小也可通过接地有效长度（L）e来加以认识。所谓接地有效长度（L）e是指地网在有效的流散时间内，通过接地体及时把强大的过电压和过电流排入大地，从而使受保护系统不致发生残压或残余电流的伤害。在有效时间内电流可能达到的最远距离，就是有效长度。“规范”列出，式中ρ为敷设地网处的土壤电阻率。Le确定了地网支线实际长度的最大值。从而，否定了水平地网地网支线无限制地延长的可行性和有效性。

当土壤电阻率为ρ时[8-9]，

单根水平接地体的接地电阻：R≈2ρ/l，

单根垂直接地体的接地电阻：R≈ρ/l。

因此，垂直接地体是水平接地体允许长度的1/2，可推广至最大长度的关系之中。从趋肤效应分析中可知，水平地网只有向下半球体空间排泄散流，而垂直接地体可在整个圆柱体周围向整个空间排泄散流。可见钻孔散流、深埋接地是减少趋肤效应的一个措施。由于趋肤效应，高度重视平面地网的长度或钻孔深度是至关重要的，这些散流支线的长度均要在“有效长度”范围内。

凡出现需要补加水平或垂直接地体的，规范均要求所加垂直接地体长度是水平接地体长度的1/2就等效，这隐含了在一定量值范围，垂直接地体的散流效果是等长水平接地体的2倍。所以当ρ为均质土壤电阻率时，就有了1/2的关系。

但是，在应用深井法降阻时是有一定的条件限制。在土壤电阻率较高的地方，深井降阻的效果还是比较明显的，而在土壤电阻率较低的地方，深井降阻的效果并不明显[10]；而且考虑到雷电流的大地趋肤效应，接地极越深，释放雷电流的能力越差。因此，从经济角度考虑，在土壤电阻率较低的地区，不宜用深井法。

一般水平接地网以方格网状布置的俱多，要使埋设深度与接地网的等值半径处于同一数量等级，钻孔以浅孔多孔并联为好，孔距不小于水平地网的等值半径，尽可能使地网形成半球状[11]。这样既可节省施工成本，又能达到防雷效果。垂直接地体的布置方式及长度若选择不当，其降阻效果并不明显，垂直接地体的间距一般不宜小于其长度的2倍（摘自《接地装置施工及验收规范》（GB 50169-1992），且应满足规范关于垂直接地体围闭成环状时，各钻孔间距应≥5 m的规定，以免各孔垂直接地体围闭成的圆柱体屏蔽作用降低投资效益，否则也会由于增设的垂直接地体过密使其降阻作用被水平地网和垂直接地体相互屏蔽抵消，这样既达不到预期效果又浪费资源。

既然到达一定深度后，若进一步伸展垂直接地体，降阻效果已并不明显。因此设计和施工接地网时要因地制宜，对深井法降阻效果进行深入的分析。因为在不同的土壤电阻率条件下，同样深度接地极的降阻效果是不同的[10]。

虽然理论上应尽可能使垂直接地极的埋设深度接近于水平接地网的等值半径，但这样会造成较大的建安成本。垂直接地体的最佳埋置深度是使散三维地网电阻尽可能小的，而又易于达到的埋置深度。对高电阻率的地层，要求达到上述标准都是十分困难的。在有些条件下，根本难于实现。通常按地质情况来确定，一般为2.5～5.0 m（水平地网网眼的平均等值直径大多为10 m左右）。

2.3 三维地网的优点

1）具有降阻幅度大，排泄散流能力增强；

2）性能稳定，使用寿命长；

3）不污染环境，属环保型工程；

4）占地面积小，更增添了这一方法的发展空间；

5）安全可靠，能有效地改善地表电位分布，降低接触和跨步电压，满足人体安全的要求。

3 结论

我国电力系统通常采用三极直线法（又称0．618法）和三极三角形法（又称30°夹角法）进行接地电阻的测量[12]。直线法与三角形法实际测量时，由于电流极不可能按理论达到无穷远，而是有效地利用了图3中电流极，因受到电流极的作用造成了图1的电场畸变为图3，使电流极和接地体之间呈现零电（点）位面，以致测量布线的长度在可能范围内大大缩短。规程的要求是依据理想半球状地网、土壤均匀，现行电力系统规程[12]所推荐的主要方法是针对土壤均匀而得的。但接地电阻实际测量的结果受不均匀性土壤的影响是明显的，不同方向测量也量造成地网接地电阻测试阻值相差较多的因素。在大型接地网中，尽管接地网在工频条件下，可以近似地看成是一个等位接地体，但本身的阻抗不均匀会引起地网电位分布，因此，测试结果时应对接地网中的电流分布规律有较全面的分析了解。

接地工程是一门多学科的综合技术，因此接地网的设计和施工，应根据不同区域的地质条件，以最高性能价格比，采取不同的降阻方法，来完成其接地网。尤其是三维地网接地技术有待在今后的工作中进一步地去研究和探索，科学地采用新技术和新材料，以使其更加趋于完善。接地电阻的大小主要由周围环境、地理位置、土壤电阻率、接地体尺寸、结构、形状、层次、埋入深度、接地线与接地体的连接情况决定。由于接地线与接地体的电阻相对较小，可认为接地电阻主要是指接地体的流散电阻，而接地体流散电阻又主要由土壤电阻率决定[13]。三维地网阻值的大小直接关系着发、变电站的雷电防护以及发、变电站设备和人身的安全。

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