某油田供电网接地电阻测试研究

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某油田供电网接地电阻测试研究

梅忠恕

昆明昆雷电力科学研究所（昆明650051）

摘要：本文对某油田选定的供电线路杆塔和变电站及发电厂接地网接地电阻进行了认真的测试，在测试中比较了几种不同的仪表仪器和接线方式，以期掌握正确的测试方法，确保测试结果的准确。通过测试发现线路水泥杆本身电阻较大。 关键词：接地网，接地电阻，大地零电位参考点 1、 前言 某油田位于甘肃、陕西、内蒙和宁夏回族自治区交界的黄土高原地区，整个油田分布在海拔1300~1700m的山地，面积30多万平方公里。油气资源丰富但比较分散，油田供电网采用110、35及10kV三个电压等级为各采油区和各采油站供电。 由于油田地区雷电活动比较激烈，雷害事故频发，给生产带来很大损失。 某油田水电厂负责整个油田地区的发供电，近年来为降低雷害事故，对线路杆塔接地电阻进行了改进。笔者应邀赴某油田进行了防雷知识的讲课，并指导线路杆塔接地电阻与靖边燃气发电厂-变电站大型接地网接地电阻的现场测试。本文是在此基础上对测试方法和测试结果所做的总结和分析。 2、 土壤电阻率的测试 土壤电阻率的测试采用四极法，测试电极的布置如图1所示。用四根直径2.0cm的圆钢电极棒，沿一直线取向打入地中，深度L=20cm，每两电极之间的距离为a = 4m或8m，将此四根电极分别接到仪器Metrel（美翠）的C1、P1、P2、C2四端，如图1所示。输入a值，从仪器直接读出土壤电阻率的值r。 如果使用其它型号的仪表，不能直接读取土壤电阻率的结果值，而只测得两电极P1和P2之间的电阻为R，则土壤电阻率需用下式进行计算： （1） 所得r值与极间距离a有关，通常r是反映的0.75a深处的值。 图1 采用四极法测量土壤电阻率的接线方法 所测部分土壤电阻率列于表1。 表1 土壤电阻率的实测结果

序号	测点位置	实测结果，Ω·m	备注
1	高候35kV 003#杆	228.6
2	杏河四号线17-08杆	132.0
3	杏东35kV线XD-004杆	216.0

实测结果表明，虽然某油田广大地区的土壤主要为黄沙，由于前两天刚下了雨，沙土层并不干燥。在10cm表层下的黄沙就是潮湿的，因此土壤电阻率并不大。以此观之，降低杆塔和变电站接地网的接地电阻应不难。 3、 输电线路杆塔接地电阻的测试 3.1 杆塔接地电阻的测试方法和仪器仪表 在测试中采用并比较了几种测试方法和仪器仪表。 A、 三极直线法 三极直线法是接地电阻测试中使用最多最广的方法，测试时被测接地网、电压辅助极与电流辅助极三点布置成一直线，如图2所示。所用仪器（表）有国产ZC-8接地摇表，杭州产接地摇表ZC-29B和日立Kyoritsu 4150A表。两种国产表自备的电流、电压辅助极接线长度分别为40m和20m，而日立表自备的电流、电压辅助极接线长度分别不足40m和20m。 M 测试仪器或仪表 U 测试电源 1 被测接地网，2 电压辅助极， 3 电流辅助极 图2 三极直线法测量接地电阻的接线 采用此法测试的仪表还有MC-07、MC-08或日本L-8等接地摇表和ZC-29、JD-1、L-9、E-1型等地阻仪。这类仪器的原理都是采用流比计法或电桥法。对于流比计法仪表来说，仪器内有两个线圈——电压线圈和电流线圈，测试电源都是交流，有采用手摇发电机提供的，也有采用电池逆变倍压产生的。对于前者测试时一边摇动发电机手柄，一边调节旋钮盘，使仪表的指针指零（即检流计中的电流为零），然后直接从仪表上读出测量结果的电阻值。而对于后者，测试电源由电池经逆变倍压产生，仪器内的软件直接计算出测试结果，因此测试更简单，接好线后，手按测试按钮，直接从仪表上读出测试结果。 采用三极直线法测量接地电阻的关键问题是如何保证测量的准确度，而现在很多防雷工作者对此知之甚少。通常仪器提供的两根测量线分别为20m和40m，它们分别用于电压辅助极和电流辅助极的接线；有的仪器，如日立Kyoritsu 4150A表，提供的测量接线更短。测量时将两根辅助接地极打入地下，用上述测量线接好仪器，摇一下摇表，或按一下测试按钮，测量结果就可立即得到。如果我们要问这样的测量结果准不准？或者问，如何判断测量结果是准确的还是不准的？很多人对此都回答不上来。实际上，这样的测试很难保证测试结果的准确。 为了确保测试结果的准确，在三极直线法的测试中，需要注意以下几个问题： （1） 电流辅助接地极的距离d13 为了保证测量的准确，电流辅助极距被测接地网边缘（注意，不是仪表接入点，而是接地网的边缘）的距离d13必须大于或等于3～4倍接地网最大对角尺寸D，即d13 ³（3～4）D，如图3所示。有的人在一个较大的接地网中测量接地电阻，使用仪器自带的40m电流线，所打的电流辅助接地极还处于接地网之中，测试电流只在接地网上流过，还没有流入土壤中，这是不可能测出接地电阻的，根本谈不上测量结果的准确。 采用仪器自带的40m电流线只能测量那些最大尺寸不超过10m 的小型接地系统（极）的接地电阻。如果被测接地网的最大对角尺寸超过10m，就必须按（3～4）倍接地网最大对角尺寸打电流辅助极，并使用相应长度的电流线。 测试时测量电压加在接地网与电流辅助极上，测量电压分别降落在接地网接地电阻与电流辅助极接地电阻上。在接地网与电流辅助极之间的电压分布曲线如图3右所示。如果电流极的距离太近，d13< 3D，那此电压分布曲线与零位线相交的角度很大，就很难找准此零电位点，相应就很难测准接地电阻值。当d13>3D时，电压分布曲线与零位线的相交就会呈现出一个缓慢变化的区域，这时就比较好找准零电位点，测试结果的准确度就能保证了。 E 测试电源 A 流入接地网的测量电流 U 被测接地网接地电阻上的电压降 UC 电流流助极电阻上的电压降 1 被测接地网 2 电压辅助极 3 电流辅助极 图3 接地电阻测量中大地零电位区的示意图 （2） 电压辅助接地极的距离d12 电压辅助极的作用是为取得一个大地零电位点，以得到所加测量电流在被测接地网接地电阻上的电压降U。从图3可见，如果不能准确找到大地零电位点，电压极所取得的电压就不是U了。如果电压辅助极太靠近接地网，那取得的实际电压就比U小，测出的接地电阻就偏小；如果电压极距离比零电位点远，那电压极取得的电压就偏大，测出的接地电阻也随之偏听偏大，两种情况都得不到准确的测量结果。电压辅助极打在什么地方才能测准呢？这正是测量接地电阻的关键。 只用20m电压线对大型接地网进行的测量，甚至电压辅助极还处于接地网之内，那测量结果是什么呢？可以肯定的说，那不是接地电阻！因此，对于对角尺寸超过10m的大型接地网，不能使用仪器自带的20m电压线进行测量。 即使对于尺寸小于10m的小型接地网，电压辅助极的距离d12取20m，即电流辅助极距离的一半，这也是不准确的。按理论计算，这个距离应为0.618d13 = 25m，而不是0.5 d13 = 20m。在实际上，由于地下土壤电阻率的不均匀，接地网电极的非球形或盘形，以及地下其它自然接地极（如金属管道）的影响，仅按0.618d13打电压辅助极也很难得到准确的测量结果。 （3） 零电位参考点的寻找 准确找到零电位参考点是测准接地电阻的关键。由于地形的复杂，土壤电阻率的不均匀，以及地中其它金属管网的存在，很难计算d12的准确距离。通常是采用试探法找寻大地零电位点的准确位置。其方法就是在(0.5～0.65) d13这个范围，以d13的3%为间距，打电压辅助极，进行至少3～5个点的测量。对于电压极的每一个点位，可以测得一个接地电阻值。当相连三个以上电阻值之间相对误差小于3%时，就取这几个值的平均值为最后的测量结果。 B、 三极三角形法 若S = D2，d13 = 2D，则有 （5） 因此，接地电阻阻R近似等于U/I。这样我们就可直接用电压除电流得到接地电阻了。 在三极三角形法中，接地网1、电压极2与电流极3三点呈三角形布置，电压极距离d12与电流极距离d13相等，但保持夹角30°，如图4所示。 图4 三极三角形法测量接地电阻的接线 如果将整个接地网的面积等效为相同面积的半球，根据理论计算，接地电阻为： （2） 式中，a为接地装置的等效半径； q为d12和d13之间的夹角， 为计算方便，取q = 30°； 通常取 ，D为接地网最大对角线的长度。 则 （3） 若接地网的面积为S，则其等效半球的半径与S有关系：S = 2pa2， 所以有： ，则有 （4） 在三极三角形法的测试中，无需移动电压极位置，寻找零电位点，测试起来比三极直线法简单。但需要注意，三角形法是按d12和d13的夹角为30°计算出来的近似方法，如果两条辅助线的夹角不是30°，那测量结果的误差就不可避免了。误差有多少也难于判断。 在测试中要目测30°的一个角是很难做到准确的。通过三角形的计算，只要在测试中保证d12 = d13 > 2D，d23 =0.52d12，其夹角θ就等于30°。即是说，如果d12 = d13 = 40m, d23 = 21m就行了。 C、 接地钳表法 我们这次测试所用接地钳表为某商家拿来试用的，英文名为Metrel，中文名为“美翠”，查遍说明书也找寻不到此仪表的生产国、生产厂家和厂家地址。 这是一种双钳表。测量时两个钳口夹住引下线，并保持20cm的距离，按一下测试按钮，测试结果接地电阻值就可从仪表显示器上直读得到。 使用接地钳表测量接地电阻无需打辅助接地极，减少了测试工作量，简化了测试方法，很受测试人员的欢迎。但接地钳表的使用是有条件，有限制的，不是在任何情况下都可对任何条件下的接地电阻进行测试。时下有些厂商或代理商在宣传中，尽说它的不打辅助接地极的优点，而不客观地介绍它的使用限制条件。这就是一种误导，人们应当注意！ 其实，接地钳表所测的是一个闭合回路的全电阻。它用于测量接地网的接地电阻时，要求被测接地电阻与其它电路形成一个闭合回路。在三极法的测试中，被测接地网是通过电流辅助极形成闭合回路，而在钳表的测试中，虽然没有打电流辅助极，但作为电流回流的电路是少不了的。不仅要有电流回流的电路，而且要求电流回流的电阻极小，以至于与被测接地网的电阻相比，可以忽略不计。这样的能够作为电流回路的电路就要依靠我们测试人员去寻找和利用。 在输电线路杆塔接地电阻的测试中，这样的电流回路却是现成的，无需寻找就有的。大家可以仔细观察，线路每基杆塔的接地电阻都通过架空地线和其它数量众多的杆塔接地形成闭合回路，如图5 所示。 图5 用钳表测输电线路杆塔接地电阻原理 如果一条具有架空接地线的输电线路共有N基杆塔，各基杆塔的接地电阻分别表示为R1、R2、R3……..Rn-2、Rn-1、Rn。我们可以看到，整个输电线N基杆塔的N个接地电阻都是通过大地和架空地线并联在一起的图5(a)。如果我们要测其中一基杆塔，例如第一基杆塔的接地电阻R1，我们只要把它的引下线断开，而得到一个断口，例如a、b两点。这时我们可以看到，除被测的第一基杆塔的电阻外，其余N-1基杆塔的电阻都并联在一起的，如图5（b）。我们再进一步简化成图5 (c)的简单接线。不难看到，被测电阻R1是与其它N-1个电阻的并联电阻R’相串联的。 如果整条输电线路的杆塔基数很大，例如几十基以上，那几十个电阻之并联，其总的阻值就很小了，即R’» 0。于是我们从a、b两点测得的电阻就可近似认为是杆塔1的接地电阻R1。 接地钳表的设计就是根据上述原理进行的，使用接地钳表测量杆塔接地电阻还无需打开接地引下线，即不必打开上述第一基杆塔引下线上的a，b两点。钳表一般有两个钳口，一个钳口是往测量回路注入测试电压的，另一个钳口是从测量回路中取得电流的。有了电流和电压这两个参数，仪器内的软件就可以计算出所需的电阻值了。 如果输电线路杆塔有两条以上的引下线，在测试时就必须将不参予测试的引下线断开，才能测得合理的结果。如果线路杆塔是通过两根水泥杆做引下线，都不能断开，或者，杆塔是铁塔，它的四条腿都是引下线，不能断开，那就不能采用钳表法测量接地电阻了。此外，如果输电线不是全线都有架空接地线，而只有少数几基杆塔有架空地线，例如只有2km进线段才有架空地线的情况，那也不能采用接地钳表测试杆塔的接地电阻。 如果引下线自身的电阻很大，例如利用水泥杆做引下线时，水泥杆自身的电阻很大，又不能断开，这也不能用钳表测量杆塔的接地电阻。 3.2 测试结果 这次测试对十多条线路的十几基杆塔进行了测试，由于有些水泥杆自身电阻很大又不能断开，而无法测出它的接地电阻值。部分测试结果如表2所示。 表2 输电线路杆塔接地电阻的测试结果，欧

序号	线路名称	电压，kV	杆号	测试仪表	接线，m D12/d13	接地电阻，Ω	备注
1	高候线	35	003			28
2	杏河四号线	35	17-08	日立4150A	10/20	9～11
				美翠	10/20	8.0
				ZC-29B	20/40	7.3
				美翠	20/40	7.26
3	杏东线杏6/40B	35	XD-004
4	杏中线	35	4	ZC-8	20/40	14.0
				美翠	14.8/18	15.0
5	杏中线	35	5	ZC-8	20/40	28.0

由于对线路杆塔接地网进行了改进，接地电阻都降下来了，大都小于15W，处于合格的范围。可是，在测试中我们发现，有的水泥杆自身的电阻就有几十欧姆，致使整基杆塔的接地电阻仍然不合格。因此，建议不能利用水泥杆做为引下线，而应在水泥杆之外另设接地引下线。 我们测试了备用的水泥杆，它们的电阻都很大。建议以后生产水泥杆时一定要将其中钢筋采用焊接联通，以确保每根水泥杆整体的电阻小于0.2W。这样才能用水泥杆作为引下线。 4、 发电厂变电站大接地网接地电阻的测试 靖边燃气发电厂的厂房接地网和升压站接地网是相联结的，联结后形成的统一接地网对角尺寸D ≈ 350m。作为大型接地网来考虑，采用三极直线法，外加电压（流）测试它的接地电阻。 4.1 辅助电流极的设置 按三极直线法的要求，辅助电流极需要离开接地网边缘（3～4）D。实际测试时采用4mm2铜导线，从接地网边缘开始放线，用了11卷导线，1100m，来到沙漠边缘的一片小树林。电流辅助极采用3根，每根2m长，直径50mm钢管，打入地中，再将它们并联起来。估计电流极的接地电阻还比较大，于是我们利用了周围的树，将十余颗树用裸铜线并联连接起来，再与打入地中的金属管电流极并联在一起，组成一个小有规模的接地网系统，作为电流辅助极。 树有强大的根系，这些根系与土壤的结合很好，对于泄导电流的扩散和降低（辅助电流极的）接地电阻十分有利。 4.2 辅助电压极的设置 辅助电压极的第一点位距被测接地网边缘0.62d13≈700m，然后每隔3% d13≈ 30m设置辅助电压极的第二、第三以及第四点位等，以寻找测试中大地的零电位参考点。 4.3 试验结线 接地电阻测试的结线如图6所示。 T1 隔离变压器 K 刀闸开关 T2 调压器 V 电压表 A 电流表 W 功率表 E 被测接地网 P 辅助电压极 C 辅助电流极 D 被测接地网的最大对角尺寸，350m D13 电流辅助极距接地网边缘的距离，1100m D12 电压辅助极距接地网边缘的距离，650～750m Dd 电压辅助极间距30m P1、P2、P3 电压辅助极的三个位置 图6 大接地网接地电阻测试接线 4.4 测试电源 对于发电厂和变电站的接地网，由于地中杂散电流的干扰和影响，通常是不可能用一般的接地摇表或接地电阻测定仪进行测试的。例如，上述辅助电流极打好并将电流引线拉到测试点后，测得电流引线对地网电压为59mV，这就是地中干扰电压。又用数字万用表测量电流引线对测点地网的电阻（被测接地网电阻与电流辅助极接地电阻之和），万用表指示为无穷大。这表明，由于上述干扰电压的存在，使万用表欧姆档无法给出正确的指示。 对大型接地网接地电阻的测试，只有用独立的隔离电源。这就需要一台隔离变压器，测试电流应不小于5A，此变压器的输出电压，取决于测试电流与电流辅助极（加被测接地网）的电阻。由于找不到合适的隔离变压器，决定采用一台厂用变压器替代之（该厂共有两台厂用变压器，停下一台作为试验电源用）。此变压器高压侧为10kV，低压测为380/220V，试验就在它的一个单相380V上进行。 4.5 测试操作与测试结果 先用单相220V进行测试，其电流只有4.4A，较小。于是又用380V电压进行测试，电流增大到6.8A左右。测试结果列入如表3。 表3 发电厂变电站联合接地网的接地电阻

电压极位置	电流，A	电压，V	干扰电压，U0	接地电阻，Ω	备注
第一点位置	6.8	2.65	0.28	0.389
第二点位置	6.83	2.72	0.28	0.398
第三点位置	6.82	2.77	0.3	0.406
平均				0.398

注：由于干扰电压较小，未计入对测试结果的影响。 整个发电厂加变电站接地网的接地电阻为0.4Ω。 5、 某油田电网接地系统的降阻与防腐 某油田供电系统35kV输电线路杆塔的接地极原来只有两根2.5m长直径50mm的钢管，接地电阻满足不了要求。为降低输电线路杆的接地电阻，一方面，对每基杆塔的接地极增打了四根钢管，另一方面还采用了降阻剂。这次结合杆塔接地电阻的测试，还挖开接地极检查了接地极受腐蚀的情况。发现接地极都有不同程度的腐蚀。 按有关电力规程的要求，有避雷线的高压架空电力线路杆塔的工频接地电阻依土壤电阻率的不同而不同，如表4所示。 表4 有避雷线的高压架空电力线路杆塔的工频接地电阻

土壤电阻率，ρ（Ω·m）	100及 以下	100以上 至500	500以上 至1000	1000以上 至2000	2000以上
工频接地电阻，（Ω）	10	15	20	25	30 （注）

注：如土壤电阻率很高，接地电阻很难降到30欧时，可采用6~8根总长不超过500米的放射形接地体或连续伸长接地体，其接地电阻可不受限制。 经测量可知，某油田地区土壤电阻率小于500Ω，因此，每基杆塔接地电阻的标准可按15Ω考虑。一根2.5m长直径50mm的钢管打入地中，其接地电阻可粗略地估计为0.3ρ。若土壤电阻率以300Ω·m计，单根管子的接地电阻约为90Ω，再考虑多根管子并联后的屏蔽系数，每基杆塔下的接地极有8根上述尺寸的钢管足矣。因此从减小接地极受腐蚀的角度出发，无需再施用化学降阻剂。 6、 小结 6.1 某油田虽地处黄土高原，可土壤电阻率却不高，加之土质均匀，少石头，好打接地极，因此，改善接地网，降低接地电阻不是一件难事。油田有关部门为降低线路杆塔的接地电阻的确也做了许多努力，可是，雷害事故仍不见减少。何故？线路水泥杆本身的电阻很大就是原因之一。 6.2 线路杆塔接地网的尺度不大，其接地电阻的测量不难，不论采用什么方法和仪器都可行，但重要的是要掌握正确的测量方法。 6.3 变电站和发电厂的接地网的尺度很大，其接地电阻的测量就是一个比较复杂的技术和组织工作。采用一般小型接地电阻测量仪表和20m和40m测量线是难于得到准确结果的。正确的测量方法如第4节所述。 6.4 采用钳型接地表测量线路杆塔的接地电阻无需打辅助接地极，很方便，但它的使用是有条件的，这就是要求线路具有几十基以上的架空地线，线路杆塔具有单根引下线。 6.5 某油田地区的接地网，无需采用降阻剂。 6.6 对于所有线路水泥杆应进行一次杆体电阻的普查。凡是杆体电阻较大，就不能用杆体做引下线，而应另设引下线。今后生产水泥杆时，一定要注意杆体内钢筋的焊接连通，以确保杆体电阻小于0.2欧以下。