钳形接地电阻测试仪在防雷检测中的应用分析

代先进，张坤，仇艳玮，孙自胜 （六安市气象局，安徽 六安 237000）

1 引言

随着现代化快速发展，高层或超高层建筑数量在逐年增加，大规模的集成电路更新换代日益频繁。实践表明，建筑越高越容易遭受雷击，随着集成度的增加其耐受过电压能力出现下降趋势。雷电已被联合国公认为十大自然灾害之一，也是目前中国十大自然灾害之一，具有偶发性、强破坏性等特点。全世界平均每分钟发生雷暴2000 次，造成大量的森林火灾、油库等易燃易爆场所燃烧和爆炸、通信和信息系统崩溃、电力系统瘫痪及人员伤亡等。全球气候变暖，极端天气频发，雷雨季节雷击事故逐年增多。加强雷击灾害防范直接关系到生产发展和生命安全。随着人们对雷电危害性的认知不断加强，防雷检测业务开展的领域也在逐年拓宽。我国相关行业要求密集型建筑、易燃易爆场所需要定期进行防雷检测，检测业务量大，传统检测方法费时费力。高层建筑大多数位于市区，且都是硬化地面，很难找到合适的土壤做辅助接地极，从屋面往下放接地线比较危险，很容易出现触摸高压线、坠落砸伤人员、中途盲区阻隔等现象，所以传统防雷检测方法局限性大。

目前，国内不少学者对钳形接地电阻测试仪的应用进行了分析和研究。张宁等[1]在“ETCR2000 型接地测试仪在防雷检测中的应用”一文分析了其原理，总结了ETCR2000 型钳形接地电阻测试仪测试接地电阻的优点和缺陷；阮波[2]在“高铁贯通地线接地电阻测试及断点查找方法研究”一文中探索出钳形接地电阻测试仪是不需设置测量电极的新测试方法，能很好地适应高铁贯通地线的环境，减小了测试工作量，找出了测试值变化的规律。本文将从钳形接地电阻测试仪的基本原理入手，解决其使用的场所和条件，为防雷检测业务工作提供参考[3-5]。

2 钳形接地电阻测试仪原理

钳形接地电阻测试仪的钳头包含两个磁芯部分：一个是仪器信号发生的磁芯线圈，发出交流电压信号E；另一个是信号接收磁芯线圈，电流测量I，由信号源E 发出激励信号，感应线圈接收电流I，构成闭合回路，仪器即可计算出Z=E/I。若自身能够形成闭合回路的情形，可以直接使用钳形电阻接地测试仪；若不能，可以加辅助条件达到回路后使用。在防雷检测活动中，有多个独立接地体类型、多根共地接地体、单个接地体等多种情况。

3 钳形接地电阻测试仪的应用

3.1 多组独立接地极

多组独立接地极，是指接地极由多个独立接地极组成（一般指多于2 根接地极），但是每个接地极都有各自单独的接地体（如图1）。一般的输电杆塔、通信基站属于此类情况，每个单独接地体在地面0.3～1.8m 处都未设置断接卡。采用传统的三级法测量，由于传统方法受到测试电极距离、周围环境、土壤电阻率、接地延长线等多种因素影响，测量值与真实值误差较大。

图1 多组独立接地极

若使用钳形接地电阻测试仪，建（构）筑物的整体接地电阻与各自独立接地极的单体电阻的关系为R=R1+（R2//R3//R4），而（R2//R3//R4）阻值很小，可以忽略不计，所以R≈R1。

测量当地的土壤电阻率，通过《建筑物防雷设计规范》（GB 50057-2010）[3]附录一中关于工频电阻与冲击电阻的转化，得到最终检测数据。

3.2 多组共用接地极

现代建筑大多数都是利用建筑物基础作为自然接地体，引下线利用构造柱内的钢筋，钢筋都隐蔽在混凝土内，一般在屋面部分预留引下线端子，供屋面接闪带与之连接。图2 是一栋利用地基基础作为防雷自然接地体的模型。

图2 多组共地接地体

Z=Rx+Ze+(R1//R2...//Rn)+Zg

其中，Rx为被测接地极接地电阻；Ze为大地阻抗值，通常小于1Ω；（R1//R2...//Rn）为多个接地极接地电阻的并联值，其值非常小，可忽略不计；Zg为保护线电阻，通常小于1Ω。因此，最终Z值近似于Rx。

3.3 单个接地极接地电阻的检测

从测试原理来说，钳形接地电阻测试仪只能测量回路电阻，单点接地无法测量。但是可以采用一根测试线连接附近的其他接地系统，辅助构造一个测试回路进行测试。下文将介绍常单点接地的两种钳形表测量方法。

①简易两点法

在被测接地体RA附近找一个独立的接地较好的接地体RB（例如临近的自来水管、建筑物等），将RA和RB用一根测试导线连接起来（如图3），由测试体RA、辅助接地体RB以及大地之间构成一个回路，得出：RT=RA+RB+RL。

图3 两点法测量（钳形法）

其中，RT为钳形表所测的阻值；RL为测试线的阻值。

将测试线头尾相连即可用钳表测出其阻值RL，由于测试接与辅助电极相距很近，RL可以忽略不计。如果此时钳形表的测量值小于接地电阻的允许值，那么此时的读数近似认为是该接地体的接地电阻。

②三点法

在被测接地体RA附近找两个独立的接地体RB和Rc。

第一步，利用简易两极法，将RA和RB用一根测试导线连接起来，用钳形表测量读数为R1；

第二步，通用利用简易两极法，将RB和Rc连接起来，用钳形表测量读数为R2；

第三步，将Rc和RA连接起来，用钳形表测量读数为R3（如图4）。

图4 三点法（钳形法）

上述每一步所测得的读数都是两个接地电阻的串联值。通过简易计算得出：

R1=RA+RB、R2=RB+RC、R3=RA+RB

RA=(R1+R3-R2)/2

RB=(R2+R3-R1)/2

RC=(R1+R2-R3)/2

3.4 传统测试仪与钳形测试仪检测数据对比分析

3.4.1 两种测试方法在易燃易爆场所的应用对比分析

分别采用MI2126 接地电阻测试仪、CA6416 钳形电阻测试仪对罩棚和加油机进行检测。测试点位置分布如图5 所示。本次选取了六个位置进行测试。经过现场测量，MI2126接地电阻测试仪的线阻为1.0Ω（表1 已扣除），精度为0.01Ω，CA6416钳形测试仪的精度为0.01Ω，两者检测数据数如表1所示。将CA6416 检测数据代入上述三点法公式，得知R1=0.855Ω、R2=0.905Ω、R3=0.875Ω、R4=0.86Ω、R5=0.91Ω、R6=0.83Ω。对比MI2126 数据可以看出CA6416检测数据具有可靠性。

表1 MI2126与CA6416检测数据（单位：Ω）

图5 中石化六安前进路加油站平面图

图6 某小区高层建筑平面图

3.4.2 两种测试方法在高层建筑检测中的应用对比分析

传统方法在高层建筑防雷检测中受环境因素影响较大。

高层放接地线时很容易受到风向、附近高压线、自身裙楼等不确定因素影响，给防雷检测工作者带来极大不便，费时费力。尤其是当高层建筑附近有高压线时，检测人员放线时存在很大的安全隐患，甚至有生命危险。

其次，现代住宅、商业区基本都在城镇，周边都是混凝土，传统检测无法找到合适的地点作为辅助电极。而钳形电阻测试仪可以利用环路定理，可以直接在高层建筑屋面测量，不需要放线，寻找接地点、扣除线阻等，减少了防雷检测人员的工作量，缩短了检测时间，提高了防雷检测效率。

使用以上两种防雷检测方法分别对某小区的一栋高层建筑同一位置进行检测，逐一进行数据对比分析。已知MI2126 接地电阻测试仪的线阻为1.0Ω（表2 已扣除），精度为0.01Ω，CA6416钳形测试仪的精度为0.01Ω，1、2、3、4为该高层建筑屋面接闪带东南西北四个方位的检测点，CA6416 钳形测试仪在检测点1～4 可以直接读取数据，MI2126接地电阻测试仪分别对以上四个点进行测试，最终检测结果如表2 所示。从表中可以看出MI2126 接地电阻测试仪的测试数据略小于CA6416 的测试结果，误差控制在0.03Ω 以内，检测点1：MI2126 的测量结果是0.89，CA6416 的测试结果是0.90，二者误差为1.12%。同样原理分析其余3 个检测点，其误差分别为1.25%、3.80%、3.84%，显然误差控制在5%以内，不影响最终结果的判定。

表2 MI2126与CA6416检测数据对比表（单位：Ω）

4 结语

防雷设施检测涉及类型多、范围广、环境复杂[6-7]，如何选择最优测试方法，需要因地制宜进行综合防雷设施类型分析。结合笔者实践经验，现将成熟用于钳形电阻测试仪的情景总结如下：

①屋面接闪带、侧击雷、楼层等电位闭合回路的电气导通性以及配电柜过渡电阻的测试；

②无法找到适合辅助电极插桩的场所或者检测区域为水泥路面；

③防雷设施周边有裙楼、高压线等无法放线的场所；

④位于高山上的采用深井接地防雷设施。

随着城市现代化的快速发展，建筑的数量和高度也在与日俱增，办公信息化设备也在不断地更新换代。超大规模的集成电路应用，虽然集成度大幅度提升，但是耐受过电压的能力在降低，因此，合理的防雷电过电压显得尤为重要。

随着人们安全意识的不断提高，防雷设施检测呈现几何倍的增长，这对检测人员提出了新的挑战，钳形电阻测试仪的使用既避免传统测试法因电极位置分布、环境因素的带来限制，又大幅压缩了防雷检测业务人员的工作量，节约了检测时间，提高了检测的效率[8-9]。