CN106093589A - 一种杆塔接地电阻准确测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种杆塔接地电阻准确测量方法与装置，包括采用磁场法判断接地体的埋设方位；利用四极法测量接地体附近土壤的土壤电阻率；根据土壤电阻率选择注入电流频率范围，测得一组杆塔接地电阻测量值，修正测量结果，得出杆塔接地电阻的测量准确值。本发明提供装置和方法可以不断开接地引线实现对杆塔接地电阻值的准确测量，首先通过对接地体埋设方位的判断实现垂直布极，提高测量的准确性；其次通过对杆塔附近土壤电阻率的测量选择注入的电流频率，提高测量方法对不同杆塔土壤环境的适应性；无需断开接地引线，提高测量接地电阻的工作效率。对于杆塔接地电阻的计算，采用平均值法，使测量误差达到最小，提升测量结果的准确性。

Description

一种杆塔接地电阻准确测量方法与装置

技术领域

本发明涉及杆塔接地电阻测量技术领域，特别涉及一种杆塔接地电阻准确测量方法与装置。

背景技术

避雷线作为输电线路最基本的防雷措施之一，既保护线路免受雷电直击，同时也与支撑杆塔、接地装置共同构成雷电流的泄流通道。接地装置由埋在大地中的接地体及接地引线构成，是整个泄流通道最重要的部分，而接地电阻是衡量接地装置的主要参数。当雷电流经泄流通道流入大地时，接地装置上的压降将使避雷线获得一个对地电位，如果接地电阻过大将导致避雷线电位升高产生反击过电压使线路跳闸。

因此杆塔接地电阻值直接影响输电线路的跳闸次数，对电网的运行有至关重要的作用。符合规程要求的接地电阻是安全、稳定地输送电力的保证。因此准确、高效地测量杆塔接地电阻值具有重要的工程意义。而目前工程上普遍采用的杆塔接地电阻测量方法准确性却不尽如人意，现今工程中普遍使用的杆塔接地电阻测量方法主要有以下几种：

1)三极法

三极法是目前工程项目中被采用最广泛的一种杆塔接地电阻测量方法。该方法基于电压电流原理，采用布置电流极电压极的方式进行测量，测量时，向接地体中注入电流信号I，并测量电压极上的电压U，最后得到杆塔接地电阻值R＝U/I，但该方法的前提是在土壤均匀且接地体被看作半球体的等效条件下，通过理论计算可以得到电压极距接地体的距离比上电流极距接地体的距离为0.618，理论上将电压极位于零电位点，因此也将此方法称为0.618法。

三极法在测量过程中要求沿着接地体的埋设方位垂直布设测量电极，然而在工程实际中，由于施工图纸的遗失等因素，接地极的埋设方位往往未知，因此垂直布极通常难以得到实现，因此测量的准确性也难以得到完全的保证。此外，由于注入接地体的电流通常为工频电流，因此在测量过程中需断开接地引线，而在实际中，雷电流的泄流通道包含了接地引线，断开接地引线的测量结果也无法准确反映接地体的真实阻值情况。且由于测量过程中需断开杆塔接地引线，因此大大增加了测量的工作量，效率不高。

2)高频并联法

布极方式类似于三极法的高频并联法实现了不断开接地引线下杆塔接地电阻值测量，其利用的原理是向接地体注入10kHz高频电流，由于避雷线电感值远大于接地体电感值，当注入高频信号时，绝大部分电流会经过接地引线流入接地体中，因此可以实现对接地体电阻的在线测量。

然而由于不同杆塔，接地体的阻抗和杆塔的感抗不尽相同，不同杆塔所埋设土壤的土壤电阻率也不同，高频法注入的稳定10kHz频率电流对杆塔所处环境的适应性也难以得到保证。因此，高频法的准确性也有待提高。

3)钳表法

二十世纪九十年代钳形表的出现实现了不完全断开接地测量杆塔接地电阻值，其最大的优点即是测量时无需布置电极，即无需知道杆塔接地体的埋设方位，只要将钳表夹在接地引线上，便能进行测量。与传统的需要布极的三极法相比，该方法大大减轻了人力物力，提高了测量速度。

而钳表法由于利用电磁感应的原理，在测量杆塔接地电阻时极易受到干扰，因此测量的准确性通常难以得到保证。一般情况下，钳表法只在从变电站出来的前几基杆塔的测量上拥有较高的准确性。

综上所述，目前杆塔接地电阻测量的主要缺陷有：

①接地体埋设方位不明确；

②需断开接地引线、注入电流频率单一；

③未考虑土壤电阻率的影响。

因此，需要研究一种能准确布极且在不断开接地引线的情况下实现准确测量杆塔接地电阻的方法。

发明内容

本发明的目的是研究一种杆塔接地电阻准确测量装置及方法，实现对杆塔接地电阻的准确测量。本方法实现了对接地体埋设方位的判断，从而在测量过程中实现与接地极方向的垂直布极方式；本方法实现了不断开接地引线测量，从而测量结果中包含了接地引线的阻值，具有更加准确的测量结果；本方法通过对土壤电阻率的测量，实现注入电流频率的选择，对不同的杆塔具有更强的适应性。本方法克服了普遍使用的接地电阻测量方法所具有的不足，具有更高的准确性，被证明是一种准确可行、测量方便的方法。

下面对本发明主要内容进行原理上的分析：

1、杆塔接地电阻准确测量方法

(1)杆塔接地电阻埋设方位的探测

本方法的测量电路采用三极法的布极方式，而为了避免干扰，使测量结果更加准确，三极法在测量过程中要求测量电极沿垂直接地体方向布置。由于实际工程中施工图纸遗失等缘故，接地体埋设方位往往未知。本方法提出一种通过磁场判断接地体埋设方位的方法。

测量进行前，向杆塔接地体中注入电流，电流经接地体向土壤中散流，由于接地体电阻远小于土壤电阻，因此电流大部分经接地体埋设方向进行流动，电流在土壤表面会形成磁场，根据电磁场相关理论可知，沿接地体埋设方位的磁感应强度为最大。采用相应探测磁感应强度仪器探测土壤表面磁场，便可得知接地体埋设方位。本方法经仿真分析和现场实验被证明是一种可行的判断接地体埋设方位的方法。

(2)不断开接地引线测量

离线测量方式断开接地引线相比于在线测量方式效率较低，且雷电流的泄流通道包含了接地引线，因此，断开接地引线的测量方式测量结果的准确性也难以得到保证，无法反应接地体最真实的情况。本发明采用不断开接地引线在线测量的方法进行接地电阻测量。向杆塔接地体注入足够大频率的电流，此时杆塔及避雷线感抗比接地体阻抗大得多，可认为杆塔部分被开路，因此实现了对接地电阻的在线测量。

(3)选频式测量方法

传统的高频并联法采用10kHz电流注入杆塔接地体，而由于不同高压杆塔电感值不同，不同杆塔所处环境的土壤电阻率不同导致接地体阻抗也不同，因此仅注入10kHz频率电流对于不同杆塔环境的适应性不强，因此测量结果的准确性也无法得到保证。

本发明采用选频的方法进行注入电流频率的选择。首先测量杆塔附近土壤的土壤电阻率，根据土壤电阻率选择注入电流频率的频段，向杆塔接地体注入该频段内的一组频率，算出测量电阻值，并利用平均法对测量结果进行计算，得出杆塔接地电阻的测量值。通过与三极法和钳表法的实验数据进行比对，可得本方法可行，且测量结果准确。

2、选频式接地杆塔接地电阻测量装置的设计

选频式杆塔接地电阻测量装置由现场测量装置和中央处理模块两部分组成，其中现场测量装置包括：激励源模块、信号采集电路模块、中央处理模块、液晶显示模块、电源电路，现场测量装置主要完成数据信号采集、进行现场杆塔处土壤电阻率的计算和接地电阻值的计算及显示、电流频率的选择。

装置采用三极法的布极方式，通过对土壤电阻率的测量选择注入接地体的电流频率，通过信号采集模块将采集的电压、电流信号经过放大、滤波、转换处理后输入中央处理模块(单片机)计算被测杆塔接地电阻值，在此计算过程中使用平均法，从而使整体计算误差最小，准确反映接地电阻值。

鉴于以上分析，本发明采用的技术方案是：一种杆塔接地电阻准确测量方法，包括以下步骤：

1)杆塔接地电阻埋设方位的探测，采用磁场法判断接地体的埋设方位，从而确定电极的布设方向。

2)利用四极法测量接地体附近土壤的土壤电阻率。

3)采用三极法的布极方式进行测量电极的布设，根据土壤电阻率选择注入电流频率范围，向杆塔接地体注入该频率范围内的一组电流，分别计算出一组待测量电阻值，并利用平均法对所述一组待测量电阻值进行计算，得出杆塔接地电阻的测量值。

具体地，在步骤1)中，所述磁场法判断接地体的埋设方位具体为：向杆塔接地体中注入电流，电流经接地体和土壤散流之后经电极回收并在土壤表面形成磁场；利用磁场探测仪探测土壤表面磁场的分布情况，以电流注入点为圆心，距离注入点a距离为半径测量圆周上磁感应强度分布，磁感应强度最强处即为杆塔接地体埋设方位，记为点E，同理在距离注入点b距离的圆周上测量磁感应强度的分布，得出杆塔接地体埋设方位，记为点F，点E与点F的连线方向即为杆塔接地体的埋设方位。

在上述技术方案中，步骤3)所述根据土壤电阻率选择注入电流频率范围，是根据以下关系进行注入电流频率范围选择的：

上述注入电流频率范围的上限值的确定如下：

为使接地阻抗值接近于接地电阻值，接地体感抗部分需要尽可能小，2πfL_x/R_x→0，设注入电流频率上限值确定函数Δ(f)为：Δ(f)＝2πfL_x/R_x，其中L_x为被测杆塔接地体电感，R_x被测杆塔接地体电阻，f为注入电流频率,Δ(f)为上限值确定函数。

即条件转化为Δ(f)→0时，可以满足准确测量的要求，仿真计算可得，Δ(f)的值随着频率的增大而逐渐增大，但Δ(f)的值只有趋近于0才可以减少误差，在确保测量结果准确性的前提下，设定Δ(f)＝0.05对应的频率值为频率上限值，根据不同土壤电阻率下的接地电阻标准，计算出注入电流频率的上限值。

本发明还提供一种杆塔接地电阻准确测量装置，包括激励源模块、信号采集模块、信号预处理模块、中央处理模块和显示模块，所述激励源模块向杆塔接地体注入电流，通过杆塔接地体、电流极与激励源模块形成回路；激励源模块的输出端与中央处模块连接；信号采集模块的输入端与电压极连接，信号采集模块的输出端与信号预处理模块的输入端相连；信号预处理模块的输出端与中央处理模块的输入端相连；显示模块与中央处理模块输出端相连。

本发明提供的技术方案可以不断开接地引线实现对杆塔接地电阻值的准确测量，首先通过对接地体埋设方位的判断实现垂直布极，提高测量的准确性；其次通过对杆塔附近土壤电阻率的测量选择注入的电流频率，提高测量方法对不同杆塔土壤环境的适应性；无需断开接地引线，提高测量接地电阻的工作效率。对于杆塔接地电阻的计算，采用平均值法，使测量误差达到最小，提升测量结果的准确性。

附图说明

图1是本发明专利的测量电路图；

图2是杆塔水平接地体在土壤表面产生的磁场分布图；

图3是不断开接地引线测量杆塔接地电阻物理模型；

图4是杆塔接地电阻准确测量简化等效模型；

图5是土壤电阻率测量的电路图；

图6是δ(f)随注入电流频率f变化曲线；

图7是选频式杆塔接地电阻测量装置结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步描述：

1、杆塔接地电阻准确测量方法，其接线图参照图1，核心部分包括以下步骤：

1)采用磁场法判断接地体的埋设方位，从而确定电极的布设方向；

测量工作开始之前，向杆塔接地体中注入电流，电流经接地体和土壤散流之后经另一个电极回收并在土壤表面形成磁场。由于杆塔水平接地体多选择截面为矩形的扁钢或圆形的圆钢，电流流经接地体时，即可将杆塔水平接地体等效为有限长直载流导线模型进行计算，等效后的模型如图2所示。计算可知，土壤表面任意一点P(x,y,0)处磁感应强度B：

式中，μ为土壤的磁导率，I为测量电流有效值，h为接地体的埋深， 为P点和杆塔接地体两端连线与接地体的垂直线所成夹角，L为接地体的长度。

可知，磁感应强度的最大值位于杆塔水平接地体的正上方，随着位置的偏移，磁感应强度逐渐减小。利用磁场探测仪探测土壤表面磁场的分布情况，由于电流主要沿杆塔接地体进行流动，以电流注入点为圆心，距离注入点a距离为半径测量圆周上磁感应强度分布，磁感应强度最强处即为杆塔接地体埋设方位，记为点E。同样的方法在距离注入点b的圆周上测量磁感应强度的分布，得出杆塔接地体埋设方位，记为点F，点E与点F的连线方向即为杆塔接地体的埋设方位。

2)注入高频电流作为测量电流，避免测量过程中断开接地引线，测量结果包含接地引线电阻值，提高测量结果准确性；

测量电路与三极法测量电路相同，辅助电压极P和辅助电流极C布置在垂直于杆塔接地体埋设方位的方向上，将电压极布置在电位补偿点(经计算电压极P距离接地体G的距离为电流极C距离接地体G的距离的0.618倍，此时P处的电位为0)。

向接地体中注入高频交流电流，随着频率和土壤电阻率的提高，杆塔的电感效应越来越明显，可以得到不断开接地引线测量杆塔接地电阻物理模型如图3所示，注入电流为其中通过杆塔接地体，土壤以及电流极形成了电流回路，而通过杆塔，避雷线以及周围的杆塔形成电流回路。设待求杆塔两侧的避雷线感抗、避雷线电阻、杆塔电阻、杆塔感抗、接地电阻与接地体等效感抗总和为Z_eq＝jωL_eq+R_eq，其中L_eq为避雷线等效电感，R_eq为避雷线等效电阻，等效后电路模型如图4所示。经计算可知，杆塔接地阻抗值随频率f变化的表达式：

$\left|Z\left(f\right)\right|=\sqrt{\frac{{\left(2\mathrm{\π}f\right)}^4{L}_{eq}^2{L}_x^2+R_x^2{\left(2\mathrm{\π}f\right)}^2{L}_{eq}^2}{R_x^2+{\left(2\mathrm{\π}f\right)}^2(L_{eq}^2+2L_{eq}{L}_x+L_x^2)}}---\left(2\right)$

式中：L_x为杆塔接地体电感，R_x为杆塔接地体电阻。

不断开接地引线杆塔接地电阻准确测量的条件为：

|Z(f)|″＝0 (3)

3)通过对土壤电阻率的测量，确定注入电流的频率范围，测得一组杆塔接地电阻测量值，修正测量结果，得出杆塔接地电阻的测量准确值。

利用四极法对接地体附近土壤土壤电阻率进行测量，其测量电路如图5所示，采用四个电流布极，其中A、B两个电极构成电流回路，C、D两个电极用于测量土壤表面的电位差，从而利用电压电流的关系计算得出ρ值。

图中，a₁，a₂为电流极A和电位极C，D的间距，a₃，a₄为电流极B与电位极C，D的间距，同样，四个电极需沿着同一直线进行布极，且布极的深度为h，各个电极之间均为a，其布极的深度h要小于等于各个电极之间距离a的1/20,即h≤a/20，电流极对立面两个电压极产生的电位为：

V₁＝Iρ/2π(1/a-1/2a)

V₂＝Iρ/2π(1/2a-1/a)

所以两个电压极之间的电位差为：

V＝V₁-V₂＝Iρ/2πa

由此可以得出土壤电阻率为：

ρ＝2πaV/I＝2πaR_g (4)

式中，a为电极间的距离，R_g为实测的土壤电阻。

由式(4)可知，当a已知时，测量C、D电极之间的电压以及流过A、B电极的电流，即可以算出土壤电阻率。

根据测得的土壤电阻率，高频法测量要求接地电阻值远远大于接地体感抗值且远远小于避雷线感抗值，即：

$\frac{R_x}{2{\mathrm{\&pi;L}}_{eq}}<<f<<\frac{R_x}{2{\mathrm{\&pi;L}}_x}---\left(5\right)$

将R_x＝10Ω，L_x＝10μH，L_eq＝10mH代入式(4)中得：

159Hz<<f<<159kHz (6)

上式得到了一个比较宽泛的注入电流频率范围，结合实际测量需要，将选频式杆塔接地电阻的注入电流频率范围初步确定为1kHz～15kHz，即对1kHz～15kHz范围内每隔1kHz进行测量。在该范围内测量得到多组频率值，并根据测量所得到的离散数据进行处理，得到最佳频率点，求解出接地电阻值。

由于不同的土壤电阻率环境下，杆塔接地电阻的标准值也不尽相同，若每基杆塔的值都采用相同的标准值，注入相同频率的电流，误差也会随之增大，因此有必要分析在不同土壤电阻率段的注入电流频率范围。

式(6)中已经初步推导出了一个初步的注入电流频率范围为1～15kHz，则根据表1中的接地电阻标准值，通过构建两个数学函数，来分别确定注入电流频率范围的上限值与下限值。

表1不同土壤电阻率下杆塔接地电阻标准值

a)注入电流频率下限值的确定

设注入电流频率下限函数δ(f)为：

$\mathrm{\&delta;}\left(f\right)=\frac{R_x+2{\mathrm{\&pi;fL}}_x}{2{\mathrm{\&pi;fL}}_{eq}}---\left(7\right)$

当式(7)中δ(f)→0时，即可以满足式准确测量条件，因此，选取选频式杆塔接地电阻测量的典型参数带入该式，绘制出δ(f)随频率f变化的曲线图，如图6所示。

根据该曲线可以看出，当接地电阻标准值从10Ω变化到30Ω时，函数δ(f)变化幅度并不大，当f在1kHz以后取值时，δ(f)的值的变化量非常小，几乎接近于零。结合之前确定的初步频率范围的下限值，在不同土壤电阻率范围内，注入电流频率的下限值均可以设定为1kHz。

b)注入电流频率上限值的确定

为使接地阻抗值接近于接地电阻值，接地体感抗部分需要尽可能小，将(5)转化为：2πfL_x/R_x→0，设注入电流频率上限值确定函数Δ(f)为：

Δ(f)＝2πfL_x/R_x (8)

即条件转化为Δ(f)→0时，可以满足准确测量的要求。仿真计算可得，Δ(f)的值随着频率的增大而逐渐增大，但Δ(f)的值只有趋近于0才可以减少误差，在确保测量结果准确性的前提下，设定Δ(f)＝0.05对应的频率值为频率上限值，在保证有足够的频率段进行选频处理的同时，也能满足准确测量的条件。则可确定在不同土壤电阻率下，注入电流频率的上限值。

由a)、b)可确定不同土壤电阻率下，注入电流选频的频率范围，如表2所示。确定注入电流频率范围后，向已知附近土壤电阻率的杆塔接地体中注入选定频段的10组不同频率的电流(在选定频段内平均选10组频率)，测量接地电阻值，取得10组测量接地电阻值的平均值，得杆塔接地电阻的准确测量值。

表2不同土壤电阻率下注入电流频率范围

2、选频式杆塔接地电阻测量装置参照图7，其组成及模块连接情况如下：该装置包括激励源模块1、信号采集模块2、信号预处理模块3、中央处理模块4和显示模块5，所述激励源模块1向杆塔接地体注入电流，通过杆塔接地体、电流极C)与激励源模块1形成回路；激励源模块1的输出端与中央处模块4连接；信号采集模块2的输入端与电压极P连接，信号采集模块2的输出端与信号预处理模块3的输入端相连；信号预处理模块3的输出端与中央处理模块4的输入端相连；显示模块5与中央处理模块4输出端相连。本装置中中央处理模块4采用意法半导体集团的高性能微处理器STM32。

本发明装置是一种选频式杆塔接地电阻准确测量装置，能够在不断开接地引线的情况下准确测量杆塔的接地电阻值，并且采用平均法对测量数据进行处理从而使得误差达到最小，是一种准确、高效的测量方法。通过对土壤电阻率的测量选择注入接地体的电流频率，通过信号采集模块将采集的电压、电流信号经过放大、滤波、转换处理后输入中央处理模块(单片机)计算被测杆塔接地电阻值，在此计算过程中采用平均值法对选频计算的10组测量接地电阻值结果进行处理，从而使整体计算误差最小，准确反映接地电阻值。

Claims (5)

1.一种杆塔接地电阻准确测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)杆塔接地电阻埋设方位的探测，采用磁场法判断接地体的埋设方位，从而确定电极的布设方向；

2)利用四极法测量接地体附近土壤的土壤电阻率；

3)采用三极法的布极方式进行测量电极的布设，根据土壤电阻率选择注入电流频率范围，向杆塔接地体注入该频率范围内的一组电流，分别计算出一组待测量电阻值，并利用平均法对所述一组待测量电阻值进行计算，得出杆塔接地电阻的测量值。

2.根据权利要求1所述一种杆塔接地电阻准确测量方法，其特征在于：步骤1)所述磁场法判断接地体的埋设方位具体为：向杆塔接地体中注入电流，电流经接地体和土壤散流之后经电极回收并在土壤表面形成磁场；利用磁场探测仪探测土壤表面磁场的分布情况，以电流注入点为圆心，距离注入点a距离为半径测量圆周上磁感应强度分布，磁感应强度最强处即为杆塔接地体埋设方位，记为点E，同理在距离注入点b距离的圆周上测量磁感应强度的分布，得出杆塔接地体埋设方位，记为点F，点E与点F的连线方向即为杆塔接地体的埋设方位。

3.根据权利要求1所述一种杆塔接地电阻准确测量方法，其特征在于：步骤3)所述根据土壤电阻率选择注入电流频率范围，是根据以下关系进行注入电流频率范围选择的：

4.根据权利要求3所述一种杆塔接地电阻准确测量方法，其特征在于：所述注入电流频率范围的确定如下：

其中上限值：为使接地阻抗值接近于接地电阻值，接地体感抗部分需要尽可能小，2πfL_x/R_x→0，设注入电流频率上限值确定函数Δ(f)为：Δ(f)＝2πfL_x/R_x，

即条件转化为Δ(f)→0时，可以满足准确测量的要求，仿真计算可得，Δ(f)的值随着频率的增大而逐渐增大，但Δ(f)的值只有趋近于0才可以减少误差，在确保测量结果准确性的前提下，设定Δ(f)＝0.05对应的频率值为频率上限值，根据不同土壤电阻率下的接地电阻标准，计算出注入电流频率的上限值。

5.采用权利要求1所述杆塔接地电阻准确测量方法的杆塔接地电阻准确测量装置，其特征在于：所述装置包括激励源模块(1)、信号采集模块(2)、信号预处理模块(3)、中央处理模块(4)和显示模块(5)，所述激励源模块(1)向杆塔接地体注入电流，通过杆塔接地体、电流极(C)与激励源模块(1)形成回路；激励源模块(1)的输出端与中央处模块(4)连接；信号采集模块(2)的输入端与电压极(P)连接，信号采集模块(2)的输出端与信号预处理模块(3)的输入端相连；信号预处理模块(3)的输出端与中央处理模块(4)的输入端相连；显示模块(5)与中央处理模块(4)输出端相连。