接地电阻试验报告
试验人员: 牛宝东 李皂平 夏菲 高升 武鹏 田慧军
审 核：段琦芳
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第二篇：接地电阻能否精确测量
第25卷第9期20xx年9月大 学 物 理COLLEGE PHYSICSVol.25No.9
Sep.2006
教学研究
接地电阻能否精确测量
虞 昊
(清华大学物理系,北京 100084)
摘要:根据物理量测量的基本原则可以看出,,接地电阻是一个无法测 定的物理量.
关键词:接地电阻;;中图分类号:TM895:A 文章编号:100020712(2006)0920010204
1 接地电阻
在工程技术领域,接地电阻是一个非常重要的物理量,其精确测定日益重要.例如,许多部门都因采用计算机等信息技术而面临雷击危险,都需考虑建筑物的接地技术是否合格.国内外所制订的防雷规范中接地电阻值均有明确的规定值.由此看来,这些制订防雷规范的专家都认为接地电阻值可以精确测定.
实际情况又是如何呢?19xx年美国接地工程权威GilbertSharick在他写的Groundingandbonding一书的序言中强调“:接地、搭接和屏蔽技术不能列为一门精密的科学.接地技术一直没有固定的准则.本书主要是阐明过去积累的一些有关接地的见解以及各种有关的数据,可能是互相矛盾的.本书并不是一本结论性的经典著作,对于‘标准’的接地方法,似乎有多少工程技术人员就会有多少不同的看法.”
19xx年国家科委主任宋健强调:“任何科学假
[1]
器生产厂的使用说明书还是高校各教科书均没有令人信服的科学分析或实验研究结论.各种防雷标准,如GB50057—94,或者外国流行的IEC标准均没有对测量方法和读数误差问题作出科学说明.
3 任何工程技术测量的理论基础都是物理学
工科大学生必须学习大学物理,并接受物理实验教学训练,工程技术中出现的大量疑难问题都需依靠物理学来解决.中科院何祚庥院士强调指出:物理教师应参与专业的科研以解决工程技术中的学术疑难问题.本文就是运用物理学来探讨接地电阻的测量问题
.
世界闻名的莫斯科大学物理系一年级教科书《力学的物理基础》一书中“物理量的测量”一节指出:
1)物理量的任何测量必须首先选定标准器,在与标准器的比较中获得测量的数值.
2)为了满足可重复性、单值性,所用测量方法必须能反映被测物理量的本性.
3)引入任何新物理量时,首先应规定测量法,物理量的测量法不是任意选择的而是根据实验拟定的,也就是它必须有定义.
[4]
说和命题在未经科学验证之前,都不能作为制定国家政策和法令的依据.”各种防雷规范所规定的接地电阻值是否合乎科学,应给予科学验证.
4 根据物理测量的基本原则审查接地电阻
2 我国防雷界几十年的实践产生的困惑
不同的仪器测同一建筑的接地电阻得出的值可能相差许多倍
[2]
这个物理量
首先应察觉“接地电阻”,这个物理量与100多年前欧姆发现直流电路的欧姆定律时引入的物理量“电阻”是不同的物理量,不可混淆,因此两者所定义的测量方法和选用的标准是绝然不同的.讨论接地
;用同一台仪器对同一建筑测量多
[3]
次,测得值可能相差几十倍.这使我们产生疑问,究竟是仪器的问题呢,还是测量方法有问题?无论是仪
收稿日期:2005-07-15;修回日期:2006-03-13
),男,浙江宁波人,清华大学物理系教授,主要从事物理教学、 作者简介:虞昊(1929—科学史和防雷科技的研究.
第9期 虞 昊:接地电阻能否精确测量 11
电阻的工程书刊都没有明晰区分这一重要差异.首
先,电工电路里使用的“电阻”是描述一维电路网络中一个不太大的元件的两个端点加上电压之后表现的阻流特性,每个端点的电势只有单一的确定值,而元件内的电流线与电力线恒平行,均是一维的.而“接地电阻”描述的对象是三维空间里无限大体积的大地,只限定一个端点即接地极的某固定点的电势是单一值的.在电工学或电磁场理论这类物理学的电工电路的一个元器件来考虑,,发了一系列问题.以研究,.为何说它不妥,这就需要物理学工作者深入到工程技术领域去探讨.本文着重分析这个疑难问题.
现在在大学物理教学中在讲到直流电路部分时几乎很少讲欧姆定律,正如在静电学教学中很少讲大气电场一样,这些都是欠妥的.须知21世纪已进入信息时代,这类基础物理知识愈加重要.上世纪60年代美国大学为进行物理教学改革而出现的两
种化学成分的液滴等就大不相同了.其传导电流的载流子是各种离子,离子浓度会随E的大小而改变,其迁移方向不一定与E平行,显然它们形成的电流不遵守J=γE,更何况是由这些复杂物质组成的大地呢!所以把大地等效为电工电路中的一个元器件是荒唐的,即使等效为一个非欧姆电阻,例如半导体热敏电阻也不行γ与E的.“电阻”的标准器是国际,而大地的接地电阻迄今尚无国际公认的标准器,所以现有的任何工厂生产的任何品牌的测地阻仪的读数都无法标定!
第三,如何定义测量方法?“电阻”的测量法很简单:在元件两端点通以电流I,再在同一对端点测其电压U,两端点上U/I值恒为单值,具有重复性,即为电阻R值.此法用了百余年,未发现任何异常.但对“接地电阻”,其测量方法还没有公认的明确定义.
1)对“接地电阻”的测量方法,各书的定义差异颇多,没有明确的可操作性!所以Sharick实事求是地承认“没有固定的准则”.就举日本极著名的接地
[7]
专家近年出版的专著《接地技术与接地系统》为例,其定义是“:在接地极通以电流I,测得该电极的电位升高U,则UΠI就是接地电阻R=UΠI”.问题暴露了,这个U
怎么测?I是流到无限远还是在有限远处流回电源?该专著含糊其词,无法解答!
该专著含糊之处正是当今所有测量接地电阻以及所有大学教科书计算接地电阻的理论公式无法回避的实际问题:就是回流电极的存在,使得电场线不是均匀对称的辐射状分布,而是不均匀不对称的分布,并且这个电极的位置并无明确的规定,而电场线分布与这个位置紧密相关!也就是通入电流点与流出电流点这两者电势之差(即电压U)是随回流电极位置的改变而改变的,虽然电流保持不变.也就是说R=UΠI不是恒量.黑龙江省防雷中心的6位检测工程师的实验结果很明确地证明了这一物理分析结论.
2)即使把大地理想化为均匀的各向同性的导电介质,又假定介质的γ是恒量,但由于J矢量与E矢量不平行,因而欧姆定律不成立.因此即使回流电极的位置固定不变,改变电流I,测得相应的电压
U,则R=UΠI也不可能是恒量,而是随I而变.从
[3]
本非常重要的新物理学教材,一本是费曼的《费曼物
[5]
理学讲义》,另一本是伯克利的《伯克利物理教程》,均对当前信息技术面临的防雷安全问题提供了非常重要的理论和方法论基础.伯克利的《电磁学》从138页到166页,足足用28页讲欧姆定律,几乎
[6]
不讲电路计算,而是讲物理概念和物理思维方法.珀塞尔在此书中指出“:电气工程师……主要是为了计算电路……物理工作者们,除了设计电器仪表外,他们把这些式子看作是反映物质的最显著和最一般特性的,物理工作者的任务就是要了解物质的特性.”
珀塞尔写的“欧姆定律失效之处”这一节非常有价值,众多工程技术专家滥用欧姆定律而导致许多严重差错,就是因为不懂得任何物理定律都有其适用的范围,把握好尺度是不容易的.物理教师有责任让学生重视这个问题.
首先,从欧美众多学者所做的实验知道,这个定律仅适用于金属材料,不论电流I多大,电阻值R总是不变的恒量.从微观的物理学理论获知,载流子是密度极大的自由电子,由于密度不随导体内的电场强度E而变,才使得电阻R或者电导率γ是不随电流I或电势差U而变的恒量.再者,大量自由电子的碰撞导致其平均定向迁移速度必与E的方向一致,从而使欧姆定律的微分形式J=γE成立.
金属以外的物质,如气泡、晶粒、砂砾土壤、含各
物理学基础原理很易看清,因为电荷有惯性,从接地
电极进入大地的电荷并不沿电场线方向移动,因此不会全部跑到回流电极去!
南京河海大学物理实验室已按上述理想化的大
12大 学 物 理 第25卷
地模型设计了一个检验实验,证明了上述结论.
电力部门测变电站的接地电阻或者防雷中心检测建筑物的接地电阻都是仅用某一个电流I值所测得的U/I值作为接地电阻R的精确值,这种做法是不妥的,严重脱离实际.变电站发生短路事故时的短路电流或者落地雷的入地电流都比测量用的I值大成千上万倍,完全不同的物理状态,岂可用同一个R值表征?!
3)地电阻的理论计算公式,算过程,的.《电磁场理
[8]
论》,可惜也只举了一个最简单的理想化的实例———深埋于均匀土壤的圆铜球,在这一理想化的接地极情况下,电场线与电流密度线重合,均匀辐射至无限远.这时欧姆定律当然成立,可以简易地计算推导出接地电阻公式,是与电流无关的恒量.但是实际上并没有这样的接地电极,另外,它回避了如何做实验测量和验证这个至关重要的实际问题.只要做测量,就必须添加一个接受回流电流的电极,这时圆球接地极就不可视作孤立圆球了,电场线就不是从圆球均匀分布辐射至无限远,而是汇集到另一电极,也就变为一对正负点电荷的电场线分布了,这样一来,不仅圆球接地极的理论公式不适用了,而且出现电场线与电流密度线不一致的问题,欧姆定律也不成立了.由此可见,各种形状的接地极的接地电阻理想化计算公式都将陷入相同的困境!
阻的需要都认定接地电极是电流入地点,其电势最高,四周的地面电势均匀对称地降低,也就是地表面的等电势线是一组以接地电极为中心的同心圆,与入地电流的路径方向无关.正是基于这种人为的假定,电力部门测量变电所接地电阻时,测量仪表的手摇发电机的电流方向可以是任意的.而实际情况完全不是这样,,只需另取一个测电压.实际上,都是一对正负点电荷的电场线表征的电场,其等电势线是两组既不同心又不是圆的曲[9]
线,不同方向的跨步电压明显地有极大差异.因此这样引入一个不符合实际的新物理量接地电阻以定量分析跨步电压的办法很不精确可靠.根据这套理论求出降低跨步电压所需的大量昂贵的钢材和成吨的化学降阻剂,将它们埋入地下,耗费极巨,还不如变电站接地极附近地面铺层绝缘材料,既省钱又可靠.难怪Sharick在“作者自序”中呼吁人们要对这个“没有固定的准则”的接地技术进行深入探讨,这才是科学的态度,也是对人民负责的态度.
6 防雷工程领域的接地电阻
百年前输变电开始出现时定义出“接地电阻”概念,是为了解决变电所的人身安全问题,这个物理量关系到的范围不大,精确测量与否,没有什么重要价值.可是自从进入信息社会以后,以微电子技术为基础的信息技术设备遭雷击的损失非常严重,防雷已成为国民经济、国防领域的极为重大的问题,于是对任何建筑都提出了一个必须遵守的要求:即楼房的接地电阻值必须低于一个限定值,否则就认为不合格,不准出售使用.本文暂不讨论防雷安全与接地之间是否有必然联系,这是非常严肃重大的理论问题,又是迫切需要解决的实际问题,有兴趣者可看文献[9],此处只讨论防雷领域的接地电阻的测量问题.原先接地电阻只在电力行业使用,电力部门从直流输电转变为工频输电,把直流电路的概念扩大到似稳电路,差异不大.防雷的迫切性大增以后,接地电阻概念就变得非常重要,电信、铁道、建筑、气象、航空、石油等等行业都要接触、使用,特别是因为闪电是一种速变电磁现象,其频谱范围极宽广,从直流一直到微波甚至光波以上,在这样的频率范围内,接地电阻的概念如何适用?另一方面,闪电的电流强度变化范围非常大,接地电阻的定义和测量又该如何考虑
?这些都是迫切需要探讨的重要问题,不可含糊!
5 跨步电压与接地电阻
论述接地技术的书大都是从跨步电压对人身安全的威胁,引导到接地电阻的计算与测量的.其逻辑推理过程中隐藏了一系列未经科学验证的假定,必须给予物理学上的严谨证明.
1)为了探讨分析两脚所站地点的跨步电压,不得不求助于欧姆定律U=IR,地面的故障电流I的大小是可测定的,只需定义出一个新物理量“接地电阻”R就可以得出跨步电压值.所以由此定义出来的R必须服从欧姆定律!各种讨论接地的书刊列出的所有计算接地电阻的理论公式都认定R是与I无关的恒量,即认为所定义的新物理量“接地电阻”是遵守欧姆定律的,而实际上根本不是这么一回事,上节已作了说明.
2)所有讨论接地电阻的书刊为了计算接地电
第9期 虞 昊:接地电阻能否精确测量 13
1)首先谈谈普通的欧姆电阻在不同频率下的Ri?R～
电阻值变化,它在高频下必有电流的趋肤效应.同
样,大地在闪电击中时也表现出显著的趋肤效应,笔者在编导的科教片中就有这样的镜头.可是各地防雷中心在测量建筑物的接地电阻值时,测量用的电流均未考虑趋肤效应,这样的测得值岂不与闪电击中建筑物时的物理状态大不相同!
2)大地不是金属材料而是固体介质,它的导电现象有些特殊规律,绍,,使得欧姆定律不成立了,这种现象就是:在电场刚加上去的一段时间内γ随时间而变,最后才达到稳恒值.这种现象在日常生活和工程应用上可以忽视,可是在闪电袭击下却极为重要,因为闪电的作用时间极短,大地在闪电作用瞬间正是在γ随时间而变的范围内.可见防雷中心的测量脱离雷击时的实际状态!
3)大地的各种物质都不服从欧姆定律,即不同电流值下测得的电阻值不同,电阻值是电流I的函数.这一点电力行业的专家们早就注意到了,采取了一个过于简化的似是而非的修正办法,认为闪电的电流强度太大,会使土壤产生火花击穿效应,使得大地的接地电阻变小,变小后的接地电阻值称为冲击接地电阻值,以Ri表示.原先电力行业测量接地电阻时流行用摇表测,使用的为工频电流,因之又命名为工频接地电阻,常用R～表示,这样就引入一个换算系数A,而得出
R～=ARi,A>1
[10]
为此该厂按防雷规范规定必须停产整顿,重修接地工程,这家工厂停业一天就损失百万元.可见测量接地电阻值一事之重大.
笔者研究了该仪器,发现它的电源只是几节小电池,通过电子线路产生一个脉冲小电流而已,只能用,不可以用作测,因此如何标定测量接地电阻?既然Ri值不能测量,那么换算系数A如何得出?即使A可以得出,它也应该与R～一样都是电流I的函数,凭摇表仅测量一次当然是不行的,因为大地的各组成部分并不遵守欧姆定律!
参考文献:
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138～166.
[7] [日]川濑太郎.接地技术与接地系统[M].北京:科学
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[8] 毕德显.电磁场理论[M].北京:电子工业出版社,1985.[9] 虞昊,现代防雷技术基础[M].第2版.北京:清华大学
从表面上看,这似乎解决了闪电袭击下如何测
得接地电阻精确值的问题,而实际上却使问题更混乱了.有一幢厂房建筑,多年来都是用摇表测量,测得值为R～,一直被主管防雷机构认定是合格的.而改用几万元一台的“冲击接地电阻测试仪”测量,所得到的值Ri却远远大于R～,即
出版社,2005.93.
[10] 虞昊,臧庚媛.大气电场[CPΠDK].北京:清华大学音像
教材出版社,1988.
[11] 斯卡那维.电介质物理学[M].北京:高等教育出版
社,1958.298～319.
Adiscussionontheprecisemeasurementofthegroundresistance
YUHao
(DepartmentofPhysics,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)
Abstract:Accordingtotheprinciplesofphysicalmeasurement,themeasurementofgroundresistancedonotpossesrepeatabilityandunivalue.Practiceshowthatthegroundresistanceisanunscientific
physicalquantity.
Keywords:groundresistance;precisemeasurement;definitionofthemethodofmeasurement