关于接地电阻测试仪研究报告
目录
1.立项来源、意义 (2)
2.国内外研究现状 (5)
3.接地电阻测量仪的发展 (9)
3.1.接地系统的研究 (11)
4.接地电阻测量原理 (18)
4.1.手摇式地阻表测量原理 (18)
4.2.钳形地阻表测量原理 (20)
4.3.接地系统接地电阻测试方法和步骤（图解） (23)
5.关键技术、主要创新点 (27)
5.1.研制的接地电阻检测仪的工作原理及创新设计 (27)
5.2.研发的起重机械专用接地电阻检测仪的技术路线及实验方案 (30)
5.3.仪器的主要组成件 (33)
6.项目结论 (37)
接地电阻检测仪检测研究报告
1.立项来源、意义
该项目为江苏省特检院院内自立科技项目，项目号为KJ(Y)2012048。
随着中国经济的飞速发展，在中国工业生产和国民日常生活中对与电力资源相配套的电气与自动化设备的需求也越来越大，近年来全国电气和自动化设备的产量不断扩大，特别是大型的、大功率电气自动化设备在不断增加。但是这些设备运行时的功率较大，为了维护设备的安全可靠运行，保障设备和操作工作人员安全，一个安全可靠的接地系统对电气电动设备安全运行和防止事故的发生具有十分重要的意义，接地的好坏直接关系到设备是否能正常工作和操作工作人员的人身安全。衡量接地系统的标准包括地电阻、跨步电阻、接触电阻、均衡电阻、泄流能力、抗腐能力等，而接地电阻的大小是判断接地系统合格与否的主要判据之一。为了校核接地系统是否正常工作，对没备的接地电阻进行测量是十分必要的。接地电阻测试仪是检验接地电阻的常用仪表，也是电气电动设备的接地验收不可缺少的工具。
在电力系统中，为了正常运行和工作人员的人身安全的需要，需要将电力系统及其电气设备的某些部位与大地做电气上的连接，使其对地保持一个低的电位差，这就构成了接地系统，其主要作用是防止人身遭受电击、设备和线路遭受损坏、预防火灾和防止雷击、防止静电损害和保障电力系统正常运行。从本质上讲，它的目的就是为了在正常和事故以及雷击的情况下，利用大地作为接地电流回路的一个元件，从而限制设备接地处的接地电位。电气设备的接地，按其目的不同可大致分为下列几种：
1）保护接地。其目的是为了保护人身的安全。例如电气设备的金属外壳、底座等由于绝缘损坏而有可能带电的部分应行接地，以免触电危险。
2）工作接地。其目的是为了保证电力系统的正常运行。例如电力变压器中性点的接地。
3）防雷接地。其目的是为了把雷电流引入地中，以消除过电压的危险影响。例如避雷针、避雷器等的接地。
影响接地电阻的因素很多：接地桩的大小（长度、粗细）、形状、数量、埋设深度、周围地理环境、土壤湿度、质地等。为了保证设备的良好接地，利用仪表对地电阻进行测量是必不可少的，常用额测量仪器有手摇式地阻表和钳形地阻表。
起重机是现代工业生产不可缺少的设备，广泛应用于各种物料的起重、
运输、装卸、安装等作业中，有些起重机还能在生产过程中进行某些特殊工艺操作，使生产过程实现机械化和自动化。然而由于起重机电气部分的老化、磨损或过电压击穿等原因，使原来不带电的金属结构带电，不正常的意外带电会引起电气设备损坏、火灾和人身触电伤亡事故时有发生。为避免这类事故的发生,通常采取金属结构接地的措施。
在起重机安全技术检验中，金属结构接地是一个重要项目，也是检验中发现问题最多的项目之一，因此对接地电阻的接地检验具有重要的意义。依据接地电阻测量方法的分析，使用摇表法测量重复接地电阻时，应当把零线从接地装置上断开。该项规定对于我国绝大多数TN电源系统的重复接地电阻测量带
来的不良影响在于断开作业的难度，以及断开后的重新连接的可靠性，以及由此带来的测量方法限制。在绝大多数情况下，接地体采用金属导体，连接点的
锈蚀是普遍现象，因此需要将零线从接地装置上断开的难度不小。特别是桥式起重机大车轨道的接地连接点一般在轨道上，下部近地点连接则多采用焊接；断开接地连接点的高空作业安全风险极大，更大的影响在于断开测量完成后的重新连接。如果采用原有连接件而不进行除锈处理，则重新连接的接头电阻必然大大增加，有可能大于10欧，严重影响接地保护性能。钳形电阻表可以对在用设备的接地电阻进行在线测量，且不需切断设备电源或断开地线，测试时不需辅助测试桩，测试时只需往被测地线上一夹，几秒钟即可获得测量结果，极大地方便了接地电阻的测量工作。但是在实际的起重机检测过程中会遇到各种各样的接地线（扁钢、圆钢和角钢等），有些接地线靠墙敷设，有些接地线的截面尺寸会稍大些，这些情况都会给检验人员带来检测的不便。因此，研制一种应用于起重机械接地电阻检验的钳式接地电阻仪具有重要的现实意义。
依据现场检测中起重机械金属结构的接地检验，在起重机安装和检验过程中，经常存在金属结构接地不规范和检验尺度不统一。为了澄清接地的概念，避免因接地不当造成的起重机安全事故，在起重机金属结构的接地检验一文中分析了低压配电系统中三类接地方式的特点及其应用情况，阐述了保护接地和保护接零的工作原理，纠正了保护接零和重复接地的概念及其适用场合，提供了一些起重机金属结构接地检验的技巧和检验中需要注意的内容，为起重机安装和检验提供有益的参考。
在中国专利CN03255283.1中，介绍了一种钳式接地电阻仪的钳头部位设计的工作原理。电压线圈和电流线圈被安置在一个钳口中，操作时只需按下接地电阻仪的钳口扳手，将钳口打开，再套住被测接地线并松开扳手，钳口闭合，同时电压线圈、电流线圈也构成闭合回路。该仪器的电压电路输出一个震
荡电压，该电压在接地回路的接地线中将产生一个感应电流，感应电流经电流线圈接收并输入到仪器电流电路中。震荡电压和感应电流经仪器数据处理成相应的接地电阻，即可在仪器的显示屏上直接显示出来。
在起重机械的实际检测中，会遇到各种各样的接地线（扁钢、圆钢和角钢等）,并且每个生产厂家敷设的接地线的方法各不相同，有些厂家把接地线靠墙敷设，有些厂家为了更安全起见，接地线的截面尺寸会稍大些，在利用钳式接地电阻测量仪检测时，这些情况都会给检测人员带来很大的不便，限制了起重机械接地电阻测量仪的有效检测。
由此可见，研制一种能方便夹持各种类型的接地线（扁钢、圆钢和角钢等）并能准确检测起重机械接地电阻的钳式接地电阻仪具有重要的现实意义，能够有效的保障起重机械设备的本质安全。
2.国内外研究现状
在进行接地电阻测量的时候，需要将稳态接地电阻同冲击接地电阻区别对待。对于工频接地电阻的测量，自1915 年F.Wenner 提出土壤电阻率的测量方法至今，国内外学者已经进行了大量的研究工作。
目前对工频接地电阻进行现场测量的方法极力种类繁多，根据测量信号频率的不同，有工频测量法、异频测量法、扫频法；根据辅助电极数量的不同，有三极法、四极法、多极法；根据消除误差机理和布线以及电极位置的不同，有倒相法、三相电源法、远距离法、双矢量分析法、0.618 布极法、三角布线法等；根据测量信号种类的不同，有电压电流法、电流功率法即瓦特表法等；此外还有钳形表法、比率计法、电桥法等多种测量接地电阻的方法。在实际应用时，根据
现场条件和测量要求的不同，可以灵活的使用某种测量方法或某几种测量方式的融合。
随着计算机技术的发展，计算机也开始被引用到接地电阻的仿真分析计算当中，为接地电阻的准确计算分析提供了便利的平台，许多学者对接地网进行了模拟理论计算分析。时至今日，已经研制出了一些比较完善的接地电阻计算仿真计算软件，如加拿大人开发的著名的CDEGS、TRAGSYS 软件包以及清华大学张波等人开发的软件包，可以对较为复杂情况下接地电阻进行较为准确的计算，但是这些软件需要提供土壤电阻率、地网具体分层结构等参数且使用复杂，需要专业人员操作，同时计算模型受到计算机运算能力的限制，还无法实现普及应用。同时随着离子接地极等各种新的接地模块不断被引入接地网中，单纯使用这些软件包进行接地电阻计算还无法满足实际工程需求，依旧需要进行现场实地测试进行验证考核。
冲击接地电阻与工频接地电阻不同，其原因是冲击电流的幅值很大，而且冲击电流的等效频率又比工频高的多。因此，当冲击电流通过接地电极在大地中散流的时候，接地电极和大地土壤中有一个复杂的过渡过程，必须将冲击接地电阻同工频接地电阻区分开来。对于冲击电阻测量的研究，国内外都处在一个探索阶段，目前主要有以下研究方法：
(1)在理论分析的基础上对具体接地装置建立数学物理模型，通过解偏微分方程或者差分方程从而计算求出该接地装置的冲击接地电阻。
(2)进行模拟试验，主要针对集中接地体。
(3)利用测量得到的工频接地电阻乘以冲击系数，求出冲击接地电阻。
目前，国内外输电线路冲击接地电阻都采用工频接地电阻×冲击系数的方法
来确定，冲击系数根据模拟试验方法获得，然后依据工频接地电阻，计算相应的冲击接地电阻，一些典型的接地电极的工频接地电阻的计算方法如式（2-1） ：
)(l n 22A dh
L L R g +=πρ （2-1） 式中，d 为接地体直径，h 为接地体埋深，L 为接地体总长度，A 为不同接地体形式的屏蔽系数，对于方形地网 A=1。
(4)根据经验公式进行估算。
在野外进行地网冲击接地电阻模拟试验，由于接地电极与电流极之间相距较远(几十米到几百米)，回路连线较长且冲击接地电阻的数值一般都在数欧姆到数十欧姆之间，整个回路中的电感和电阻都很大，要产生波头很陡、幅值很大的雷电流波形就需要极高的电压或者很大的雷电流，这在工程应用中很难实现，而且花费极其巨大。然而除了第二种模拟试验方法外，其余都不是通过直接测量得到结果。而是利用间接手段求出冲击接地电阻，其结果的可靠性难以验证。冲击电流通过接地体在大地中散流的时候，在接地体和大地土壤中有一个复杂的过渡过程。简单的利用冲击系数把直流或者工频接地电阻换算为冲击接地电阻来描述接地电极在冲击电流下的性能特征是不准确的，而且还会带来潜在的危害。而目前在理论分析的基础上对具体接地装置建立数学物理模型，或多或少都存在着一定的条件假设或者忽略了一些因素的影响，其计算结果难以验证。
因此想要准确的评估一个接地系统的冲击接地系统就需要对冲击电流入地后在接地体上的过渡过程进行更加深入的研究。虽然国内外学者对接地体在冲击电流作用下的过渡过程的研究工作已经广为展开 [22]~[33] ，但是人们对过渡过程的了解还是十分粗浅，特别是对于影响接地体过渡过程的因素还没有详细的把握，目前只是做了一些比较基本的研究，例如大地的结构与性质、冲击电流的
注入点、接地体的几何形状、
接地体的掩埋深度、接地体之间的距离等对冲击接地电阻的影响,简单冲击接地模型的仿真计算等。这些关于冲击电流作用下接地体的过渡过程的研究成果对于冲击接地电阻的测量是很有指导意义的。
目前几种代表性的冲击暂态过程分析方法是基于电路理论的分析方法、传输导线分析法、电磁场分析法、有限元分析法。
（1）基于电路理论的方法：是由集中参数R-C-L-G 组成的π型等值电路来模拟计算接地导体暂态特性的一种直接有效的方法。
与其他方法相比，易于执行，在对计算机资源的消耗以及结果的准确度方面都是可以接受的。但对于复杂地网的计算，该方法在计算导体间的交错复杂的耦合参数时候存在一定的困难。
（2）传输导线分析法：将接地体在冲击电流作用下的响应看做具体分布参数的传输线上的波过程来考虑。
这一方法对于水平接地体是完全合理的，但是不适用于垂直接地体。
（3）电磁场分析法：利用电磁场方法来分析接地体在雷电冲击下的暂态性能。这种方法目前已经得到比较成功的应用，上文提到的加拿大人开发的著名的CDEGS、TRAGSYS 软件包以及清华大学张波等人开发的软件包均是基于这种分析方法，但是该方法并没有考虑雷电流入地在接地体周围产生的非线性击穿，即火花效应。同时其计算效率低也成为其发展的瓶颈。
（4）有限元分析法：应用有限元法（FEM）来模拟计算接地体在雷电冲击下的暂态性能。这一方法可以方便的考虑土壤分层的结构，但是其对于金属接地体同土壤分界面处电阻率的突然变化引起的病态矩阵，导致了计算结果的误差。
3.接地电阻测量仪的发展
最初人们对接地电阻的策量是用伏安法，这种实验是非常原始的。用安培计，伏特计的测量方祛．在测定电阻时须先估计电流的大小．选出适当截面的绝缘导线．在预备实验时可利用可变电阻R调整电流．当正式测定时，则将可变电阻短路，由安培计和扶特计所得的数值可以算出接地电阻。
伏安法测量地阻有明显不足之处．烦琐、工作量大。试验时。接地棒距离地极为20～50m，而辅助接地距离接地至少40～100m。另外受外界干扰影响极太，在强电压区域内有时简直无法测量。
20世纪五六十年代前苏联E型摇表代替了伏安法．携带方便，又是手摇发电机，因此工作量比伏安法简单。
20世纪70年代国产接地电阻仪问世．如：ZC一28，ZC 29，无论在结构、体积、重量、测量范围、分度值和准确性，都要胜过“E型摇表。因此，相当一段时间内接电阻仪都以上海六表厂生产的ZC系列为典型代表。上述仪器由于手摇发电机的关系，精度也不高。
20世纪80年代数字接地电阻仪的搜投入使用给接地电阻测试带来了生机。虽然测试的接线方式同ZC系列没什么两样。但是其稳定性远比摇表指针式高得多。
而真正接地电阻仪的一个创举是在20世纪90年代钳口式地阻仪的诞生．它打破了传统式测试方法。如福禄克公司生产的GE030钳式接地电阻测试，其最大特点是不必辅助地棒．只要钳住接地线或接地棒就能测出其接地电阻。上述地阻测试仪属单钳口形式．具有的快速测试、操作简单等优点，但也存在精度不高
的缺点．特别是接地电阻在小于 7.0以下，无法分辨。单钳口式地阻仪主要用于检查在地面上相连的多电极接地网络。通过环路地阻查询各接地电阻测量。GEOX双钳口接地电阻仪测量范围和精度均有所提高．比较完善地结合了传统伏安法测量的特点与钳口法新技术原理，再运用先进的计算机控制技术．从而成为当代首届一指的智能型接地电阻测量仪。它具有精度高，功能齐全．操作简便的特点，可广泛应用干电力电信系统，建筑火楼、机场、铁路、油槽、避雷装置．高压铁塔等接地电阻测量。目前在国内邮电，电力．航空等行业都进行了配置。
目前接地电阻仪按适用对象可分为两类，A类：适用于一般接地装置接地电阻的测量（即常规测量）；B类：适用于大型接地装置接地阻抗的测量（即特殊测量）。其中大型接地装置是“110kv及以上电压等级变电所的接地装置，装机容量在200MW以上的火电厂和水电厂的接地装置，或者等效面积在5000㎡以上的接地装置”。对于大型接地装置的测量，一般用异频接地阻抗测试仪采用三级法测量。对于常规测量的仪器，由于输出电流小，电流辅助电极、电压辅助电极和接地极之间距离近（按使用说明一般为5至10米），其测量容易产生较大的误差。图1为接地电阻测试示意图。
3.1.接地系统的研究
研究不同接地体的形式及其接地电阻值的范围，便于选择不同的测量仪器及测量方式
3.1.1.接地方式
对于含有弱电系统、交流和直流电源系统的对象，各个系统都有独自的接地要求，按功能分有防雷地、工作交流地（N线）、静电地、屏蔽地、直流地、绝缘地、安全保护地等，为了各接地装置之间不被土壤击穿和避免相互干扰，防雷接地与其它接地装置在土壤中需隔开较大的距离（如20m）。由于城市中大楼的接地装置受到接地装置场地的限制，无法实现上述距离间隔，因此按照现行的国家相关防雷标准，应将上述接地实现共用接地系统。在电子设备有特殊要求时，应采用瞬态接地技术。明确地讲，所说的共用接地系统是将防雷地、工作交流地（N线）、静电地、屏敝地、直流地、绝缘地、安全保护地等做在一个接地装置上（通常是大楼基础地），接地电阻值取其中的最低值。完全的共地系统不仅采用公共的接地装置，而且采用公共的接地系统，共地使电子设备无法受到地电位反击。智能建筑必须有良好的接地装置以及良好的接地系统。智能建筑的共用接地系统是以大楼基础接地为接地装置，以暗装的法拉第笼中的钢筋笼栅为接地系统的骨架，并将各种已与此笼栅做了等电位连接的设备金属外壳、金属管道、电气和信号线路的金属护套、桥架等连接到一起，构成了多种大小不同的金属接地（等电位连接）网络。在垂直方向上，最下层为大楼基础地，向上是各个楼层的楼层地，在楼层内设有机房接地母排（环形或接地线），信息系统首先接到机房接地母排上，然后由此引向楼层地，再经大楼接地骨架接到最底层的接地装置上。
各大楼内机房电子设备的接地方式按下述进行：
a)机房接地：计算机网络机房、卫星和有线电视系统和监控系统等机房联合接地,电阻应≤1Ω。机房静电地板下应加做均压环（具体见第6点），以起到等电位连接作用，并将均压环至少两处连接到机房所在楼层的弱电管道井内的共用接地排（楼层弱电等电位汇集点）上；机房内的工作交流地（N 线）、静电地、屏敝地、直流地、绝缘地、安全保护地等直接连接到均压环上；在土建施工过程中最好将穿线缆的管从弱电间直埋到各个弱电机房，每个机房两根。
b)设备间接地：各设备间接地的方法同机房接地。
c)共用接地体：大楼存在着强电接地和弱电接地，采用共用接地体，因两接地线的不对称、共用接地体上的引出点不同、大楼接闪雷电时、引下线的不对称接闪现象等，造成了同一机房内的强电接地和弱电接地不可能存在等电位，有可能存在相对电位，这将可能使弱电设备内部强电接地点与弱电接地点之间造成闪烙现象，从而损坏设备。将强电引到机房配电箱后，从强电井内引出的PE线不在在机房内使用，机房内的单相三线制中的PE线采用在机房配电箱内连线到机房环行接地母排，所以在强电地与弱电地之间加装等电位连接器，一旦出现不对称现象可起到等电位连接的保护作用。
d)电位汇流排：如果机房面积较大，在均压环较远处设备放置比较集中，应在该处设置机房设备等电位汇流排，在均压环与汇流排之间采用线缆连接，设备接地以最近的距离连接到该等电位汇流排上，由于计机房面积较大，故考虑设置2块。
e)机房均压环：在有弱电机房的楼层弱电井内设置楼层弱电等电位汇集
点，水平与楼层各个机房均压环连接，垂直采用线缆与下层弱电等电位汇集点联结，层层联结下传到大楼共用接地体（基础弱电接地点）。沿计算机机房等机房墙体四周分别均布安装环行均压环。并采用将均压环至少两处连接到机房所在楼层的弱电管道井内的共用接地排（楼层弱电等电位汇集点）上；机房内的静电地、屏蔽地、直流地、绝缘地、安全保护等接地直接连接到均压环上；机房环行均压环安装组成：静电地板、扁铜条、机房墙壁、机房地面、膨胀螺丝、相接处。
f)线路的屏蔽：感应雷击很多是由于传输线路在磁场中切割磁力线产生感应高压，使计算机系统遭到破坏，对传输线路采取屏蔽措施，是降低感应雷击破坏的有效方法。目前机房内的大部分线路采用穿管布线（金属软管或硬管），但从实际情况看，综合布线的金属护管的屏蔽接地需改进，使每根护管两端有效接地，并与均压等电位带连接，最大限度的减少感应雷击侵入的渠道。
g)法拉第笼的问题：当机房的均压等电位带与大楼的钢筋网相连时，形成一个法拉第笼；或者做防静电处理，墙壁采用防静电铝塑板，并与机房共地系统相连，使机房形成一个法拉第笼。
注：接地引下线的连接必须在防雷配电柜前进行；UPS电源插座必须就近与均压等电位相连接。综上所述，我们根据所保护对象的不同，考虑了智能大楼各系统的电源、信号及接地的防雷击过电压，提出了完善的防雷解决方案。随着智能建筑物管理系统的出现、应用推广和发展以及综合业务数据网（ISDN）、双绞线分布数据接口（TPDDI）、光纤分布数据接口（FDDI）等技术的发展,使智能建筑内、外各种信息、数据图象的高速传输和大容量传输
成为可能。信息已是智能建筑非常关键和重要的资源,对信息资源的保护是必不可少的。我们所提供的方案满足防雷接地保护需要，机房接地工程需要应安装一个良好的接地系统，使电源中有一个稳定的零电位，作为供电系统电压的参考电压，有一个良好接地线，计算机传输中的电源电压及信号遇到或产生各种干扰时，就可以通过高、低频滤波电容将其滤掉。此外，当遇到雷电、机柜附近的强功率源以及电火花干扰时，良好的机房接地系统应可以起到保护计算机的作用。
因此，设计一个良好的机房接地系统是相当重要的，机房接地系统一般分为下述4种：
a)直流地：这种接地系统是将电源输出端通过地网接地一起，使其成为稳定的零电位，这个电源地线与大地直接连通，并有很小的接地电阻。
b)交流电：这种接地系统把交流电源的地线与电动机、发电机等交流电动设备的接地点连接在一起，之后再与大地连接。
c)安全地：为了屏蔽外界干扰、漏电及电火花，所有计算机的机柜、机箱、机壳、面板及马达外壳都需要接地屏蔽，该系统即可为安全地。
d)防雷接地：防雷接地，应按现行国家标准《建筑防雷设计规范》执行。
一般要求：直流地电阻小于1欧姆，交流地接地电阻小于4欧姆，安全地接地电阻小于4欧姆。
交流工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷接地等四种接地宜共用一组接地装置，其接地电阻按其中最小值确定；若防雷接地单独设置接地装置时，其余三种接地宜共用一组接地装置，其接地电阻不应大于其中最小值，并应按现行国标准《建筑防雷设计规范》要求采取防止反击措施。交流
工作接地、安全保护接地、直流工作接地、防雷接地等四种接地宜共用一组接地装置，其接地电阻小于1欧姆；对直流工作接地有特殊要求需单独设置接地装置的电子计算机系统，其接地电阻值及与其它接地装置的接地体之间的距离，应按计算机系统及有关规定的要求确定。
电子计算机系统的接地应采取单点接地并宜采取等电位措施。当多个电子计算机系统共用一组接地装置时，宜将各电子计算机系统分别采用接地线与接地体连接。
3.1.2.接地方法
3.1.2.1.直流接地
直流工作接地是计算机系统中数字逻辑电路的公共参考零电位，即逻辑地。逻辑电路一般工作电平低，信号幅度小，容易受到低电位差和外界磁场的干扰,因此需要一个良好的直流工作接地，以消除低电位差和磁场的影响。机房直流工作接地线的接法通常有三种:串联法、汇集法、网格法。
串联法：在地板下敷设一条截面积为(0. 4～1. 5mm) ×(5～10mm) 的青铜(或紫铜)带。各设备把各自的直流地就近接在地板下的这条铜皮带上。这种接法的优点是简单易行，缺点是铜带上的电流流向单一,阻抗不小，致使铜带上各点电位有些差异。这种接法一般用于较小的系统中。
汇集法：在地板下设置一块5～20mm厚、500 ×500mm大小的铜板，各设备用多股屏蔽软线把各自的直流地都接在这块铜板上。这种接法也叫并联法,其优点是各设备的直流地无电位差，缺点是布线混乱。
网格法：用截面积为(2. 5mm ×50mm)左右的铜带,在整个机房敷设网格地线（等电位接地母排），网格网眼尺寸与防静电地板尺寸一致，交叉点焊