覃彬全 郭在華 陳佳祺 吳剛 糜翔

(1 重慶市氣象安全技術中心，重慶 401147； 2 成都信息工程大學，成都 610225； 3 中國氣象局大氣探測重點開放試驗室，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)，但接地電阻值在測量過程中受到諸多因素的影響，例如測量裝置的誤差、不當?shù)臏y量方法、接地裝置所處土壤環(huán)境等、都會導致接地電阻測量值的不準確[1-5]，為此學者們對不同對象影響接地電阻的情況開展了研究。鄭君亮等通過土壤結構的反演獲取土壤結構參數(shù)，進行仿真分析研究土壤電阻率對接地電阻的作用[6]。張宇從土壤結構對接地極接地性能影響的角度進行了分析[7]。史鋒旗從分析接地阻抗的角度入手，提出了科學測量接地電阻值的理論依據(jù)[8]。孫金華等從三級測試法入手，分析了接地電阻測量過程中雜散電流、高頻、工頻及測試引線互感對測量值的影響[9]。高振洲等提出通過變頻法來降低工頻干擾對接地電阻測量的影響，并進行了變頻測量設備的設計[10]。褚文超等通過分析變電站地網(wǎng)測試中接地電阻測試值不準確的實例，提出了改進測試方法[11]。張柯林以變電站地網(wǎng)為例，對接地電阻的數(shù)值計算及改造技術進行了研究[12]。李密在研究接地檢測時提出了測量不確定因子的控制辦法[13]。李鵬從接地網(wǎng)狀態(tài)綜合檢測的角度進行了分析研究[14]。然而，在諸多對接地電阻測量值準確度的研究中，并未見以埋地金屬導體對接地電阻測量值影響角度入手開展的研究。為研究埋地金屬導體對接地電阻的影響，本文搭建了試驗地網(wǎng)，通過埋設不同形狀金屬導體，改變金屬導體埋設深度、與試驗地網(wǎng)相對距離等，在不同測試點位測量試驗地網(wǎng)接地電阻值，分析試驗測試數(shù)據(jù)，獲取土壤中存在金屬埋設物時的接地電阻測試值的修正系數(shù)，為接地電阻的準確測量提供方法依據(jù)。

1 接地電阻的測量原理

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

圖1 接地電阻測量 (圖中：E為被測接地體，P為電壓極，C為電流極)

2 試驗模型及測試方法

搭建試驗地網(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5 m×5 m試驗地網(wǎng)，在試驗地網(wǎng)中心位置預留出測試點。待試驗地網(wǎng)與土壤充分穩(wěn)定接觸后，采用三極測試法(直線布極法、三角形布極法、兩側布極法)分別在地網(wǎng)的8個方位進行測試。試驗前，首先測試土壤濕度，確保其土壤濕度大概一致，同時在無埋地金屬導體條件下，獲取試驗地網(wǎng)接地電阻測試數(shù)據(jù)。選取DN100普通鋼管做埋地金屬導體，通過改變埋地金屬導體的幾何形狀、埋設深度、數(shù)量、與試驗地網(wǎng)相對位置關系，開展試驗地網(wǎng)周圍有埋地金屬導體時的接地電阻測試，測試方法與試驗地網(wǎng)周圍無埋地金屬導體時對應，記錄每組測試數(shù)據(jù)。根據(jù)獲得的相關數(shù)據(jù)進行比較，分析土壤中埋地金屬導體幾何形狀、埋設深度、數(shù)量、與地網(wǎng)相對位置關系等因素對試驗地網(wǎng)接地電阻測試結果的影響，獲取土壤存在金屬埋設物時的接地電阻測試值修正系數(shù)。

圖2為5 m×5 m試驗地網(wǎng)示意圖，圖3為無埋地金屬導體時的試驗地網(wǎng)接地電阻測試布置方式。埋地金屬導體幾何形狀有4種：一形、L形、U形、環(huán)形，埋設深度分4個：300 mm、600 mm、900 mm、1200 mm。埋設物與試驗地網(wǎng)無連接(圖4)，埋設完畢回填土夯實并待試驗環(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體位于電壓極內(nèi)側、電壓極外側的布置方式(內(nèi)側指地網(wǎng)和電壓極之間，外側指電壓極和電流極之間)。

圖2 5 m×5 m環(huán)形試驗地網(wǎng)示意

圖3 無埋地金屬時試驗地網(wǎng)接地電阻測試布置方式 (其中P為電壓極，C為電流極)

圖4 鋼管埋設示意

圖5 不同形狀埋地金屬導體位于電壓極內(nèi)側模型

圖6 不同形狀埋地金屬導體位于電壓極外側模型

3 試驗數(shù)據(jù)分析

在試驗地網(wǎng)無金屬埋設物的情況，以及有不同形狀金屬埋設物埋設在不同深度、不同位置的情況下，于不同時刻反復對試驗地網(wǎng)的8個測試點位進行測試，記錄測試時的環(huán)境溫度和土壤濕度，獲得試驗測試數(shù)據(jù)，各個點位多次測量后取平均值，如表1所示。

表1 不同條件下的埋地金屬導體接地電阻測量值

3.1 埋地金屬導體形狀位置對接地電阻的影響

埋地金屬導體對接地電阻測量值的影響如圖7所示。從埋地金屬導體埋設位置來看，金屬導體位于電壓極內(nèi)側時，對接地電阻測量值的影響較小，位于電壓極外側時，對接地電阻測量值的影響較大。從埋地金屬導體的形狀來看，環(huán)形埋地金屬導體對接地電阻測量值的影響最大，U形、L形埋地金屬導體對接地電阻測量值的影響次之，一形埋地金屬導體對接地電阻測量值的影響最小?？傮w來看，當土壤中存在金屬導體時，都會對接地電阻測量值產(chǎn)生影響，使得接地電阻測量值變小。

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

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

埋地金屬導體對接地電阻測量值的影響程度取決于其對測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體對試驗地網(wǎng)的包圍程度。一形埋地金屬導體對試驗地網(wǎng)的包圍范圍最小，因此在散流回路上對測量電流擴散的影響也較小。而L形、U形、環(huán)形埋地金屬導體對試驗地網(wǎng)的包圍范圍依次增大，對電流的擴散或泄放影響也依次增強。

3.2 埋設深度對接地電阻的影響

從圖7來看，當埋地金屬導體位于電壓極內(nèi)側時，埋設深度對接地電阻測量值的影響并不大；位于外側時，埋設深度對接地電阻測量值的影響較為明顯。埋地金屬導體同樣形狀、同樣埋設位置情況下，600 mm埋設深度測得的接地電阻測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體對接地電阻測量值的影響

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

圖9 不同埋設深度接地電阻值測量的偏差

圖10是埋地金屬導體位于電壓極內(nèi)外、側時，接地電阻測量值的偏差總體分布。埋地金屬導體位于電壓極外側比位于內(nèi)側時，接地電阻測量值的偏差要大。埋地金屬導體位于電壓極外側時的綜合測量偏差平均值為0.55 Ω，內(nèi)側時為0.14 Ω，隨著測量點位的不同，呈現(xiàn)波動性變化，總體平穩(wěn)。在實際測量過程中，如果遇到埋地導體，應該盡量使其位于電壓極的內(nèi)側。

圖10 內(nèi)外側接地電阻值的測量平均偏差

當埋地金屬導體位于電壓極的內(nèi)側時，試驗地網(wǎng)與埋地金屬導體之間通過大地連通，與電流極之間形成共同回路，此時埋地金屬導體等效于一個次生地網(wǎng)，與原地網(wǎng)串聯(lián)形成一個共用大地網(wǎng)，從而導致試驗地網(wǎng)的接地電阻測量值降低，但限于埋地金屬導體的規(guī)模，接地電阻測量值降幅很小，在0.2 Ω以下。

當埋地金屬導體位于電壓極的外側時，電流極、埋地金屬導體、電壓極之間也形成通路，部分電流將通過埋地金屬導體散流，導致埋地金屬導體周邊地電位升高，改變了正常測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，但測量電流未變，從而導致接地電阻測量值減小。其減小幅度由電壓極與埋地金屬導體之間距離、測量電流共同決定。

3.3 測試點位對接地電阻的影響

測試點位，對接地電阻測量值的影響明顯，也是造成測量值波動的最主要原因。如圖3，從地網(wǎng)6點鐘方向開始，順時針將整個平面均分為8個測試點位，用數(shù)字“1～8”表示。圖11為不同點位接地電阻值測量值的分布情況，當埋地金屬導體位于電壓極內(nèi)側時，不同測試點位的接地電阻測量值差異較大，曲線波動性較強，但整體平穩(wěn)。埋地金屬導體不同形狀，不同深度下接地電阻測量值的平均偏差為0.14 Ω，其中1、2、7、8測試點偏差較大，最大偏差值達到0.26 Ω，5、6測試點偏差較小，最小偏差值是0.01 Ω。埋地金屬導體位于電壓極外側時，不同測試點位接地電阻測量值差異較小，波動特征不明顯，有上升趨勢。埋地金屬導體不同形狀，不同深度下接地電阻測量值的平均偏差為0.54 Ω，其中7、8測試點偏差較大，最大偏差值達到0.67 Ω， 1、3測試點偏差較小，最小偏差值是0.40 Ω。

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

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

4 不同點位接地電阻測量差值均值分布擬合分析

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

圖12 不同點位接地電阻值內(nèi)外側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表示測量偏差，x是測量點位，對于95%置信區(qū)間內(nèi)的擬合函數(shù)結果如下：

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為不同測量點在電壓極內(nèi)側時的差值分布函數(shù)，y2為不同測量點在電壓極外側時的差值分布函數(shù)。

測量時，不同方向和測量點的偏差可以由y1、y2來表示，此時，各點的偏差值也可以作為修正參數(shù)，在測量時進行應用。另外計算得到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，說明模型選擇和擬合越好，數(shù)據(jù)預測也越成功，說明該函數(shù)可較好地用來預測不同點位下埋地金屬導體位于電壓極內(nèi)、外側時接地電阻測量值的偏差值。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y的解釋能力越強，由此可見該模型對接地電阻偏差值的擬合也較好。

在不具備地下埋設物詳細資料的情況下，也可以簡化應用y1、y2平均值進行修正。

5 結論

本試驗分別在試驗地網(wǎng)的8個方位對其進行接地電阻測試，獲取試驗地網(wǎng)在有、無埋地金屬導體條件下接地電阻值的測試數(shù)據(jù)，經(jīng)分析得出以下結論：

(1)土壤中的埋地金屬導體會對接地電阻的測量值產(chǎn)生影響，使得接地電阻的測量值偏小，埋地金屬導體位于測試電壓極外側時對接地電阻測量值的影響較大。

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

(3)埋地金屬導體位于測試電壓極內(nèi)側時，埋設深度對接地電阻測量值的影響并不大；位于測試電壓極外側，埋設深度為600 mm時對接地電阻測量值的影響最大。

(4)除環(huán)形外，埋地金屬導體位于測試電壓極內(nèi)側時，不同測試點位測得接地電阻測量值差異較大，其中在點位1處所測得電阻測量值最??；埋地金屬導體位于測試電壓極外側時，各測試點位接地電阻測量值差異不大。

(5)在具有埋地金屬導體的情況下測量接地電阻時，可以通過不同的測量方向，對測量值進行偏差修正。