接地电阻及量测技术.doc

11-15
11
CHAPTER11
實習11　接地電阻及量測技術　
Chapter 11
接地電阻及量測技術

本章除了說明接地電阻的意義、特性及重要性，並提出各種接地電阻的評估方法作為參考，最後提出準確量測的技術。本章的內容包括：

本章要點

11-1 前言
11-2接地的設計
11-3技術標準
11-4測試方法及使用儀器
11-5接地電阻的量測
11-6接地電阻測試時應注意事項
11-7接地系統
11-8量測項目

實習十一 接地電阻及量測技術

11-1前言

接地(Grounding)是把各種電器、電子、通信等設備以金屬導體連接於大地(Ground)之意，接地端子稱為接地電極，一般分為強電（電力）接地與弱電（信號）接地，前者主要功能為安全防護、突波之抑制與系統穩定為主要目的，後者以降低系統雜訊的干擾，維持信號之穩定與人員安全為訴求，各有相關法規規範接地之方式與接地電阻之大小。接地電阻的定義：接地電極注入電流I（A），接地電極因電流之效應，相對於周圍大地之電壓上升為，此上昇電壓與電流I（A）之比值即為接地電阻。理想的接地電阻為零，即電流注入接地電極後，相對於周圍大地之電壓並未產生電壓差，實際上不可能，接地電阻的大小與接地電極的導體材質、形狀、埋設深度、土壤種類與溫度（溫度越高，土讓的電阻率越小）有關。
設備接地的電極必須為良導體，通常為裸銅線、金屬板、金屬水管、建築物鋼架地基或其它合乎國家標準的金屬導體，但瓦斯管雖為金屬導管，為了防爆安全起見，嚴格禁止作為接地導管。接地電極的電阻大小端視電極的形狀、材質、埋設深度與埋設區域的土壤電阻係數而定。所謂電阻係數就是單位長度與單位截面積之圓柱體的電阻，不同區域由於土壤之狀況變化很大，例如濕度、土質、砂礫層、溫度等自然之改變，土壤電阻係數將有很大的變化。表11.1列出常見的幾種土壤電阻係數。

表11.1 多種土壤的電阻係數
土壤種類
電阻係數
沼澤土壤（Marshy soils）
~30
黏土（Loam）
20~100
濕泥煤土 (Damp peat)
5~100
腐植土 (Humus)
10~150
砂土 (Sandy clay)
50~500
塑料土 (Plastic Clay)
50
石灰土 (Open chalk)
100~300
矽泥土 (Silica Clay)
200~3000
緊密的石灰泥
100~200
片巖
50~300
雲母片巖
800
花崗石
1500~10000

為了避兔儀器設備受到外界電磁的于擾，並顧及操作人員的安全，系統需要良好的接地，不同用途的設備應符合該用途的接地需求。

1、 機房接地系統，應符合以下之規格要求。
a、.接地線必須和任何導線完金隔離及絕緣。
b、接地線不是電源中性線。必須與中性線分開。
c、接地導線之線徑至少0.7mm X 8股絞線以上。
d、系統接地阻抗在電源插座中性線與接地線聞之量測不得大於10。
2．頭端機房的接地方式
a、設備接地：:高低壓用電設備非帶電金屬部份必須接地。亦即箱體外殼
須接地。
b、低壓電源系統接地：配電變壓器之三次側低壓線或中性線之接地。
c、設備與系統共同接地：設備接地與用電設備之接地共用一接地線或同一接地電極。為了有效降低接地電阻，頭端機房最好應埋設接地電極群或接地網，接地電阻依有線電視系統工程技術管理規則需求，必須<15 。

接地線之埋設必須考慮安全牢固，埋入地下的銅線、電極銅棒(或電鍍銅棒)線徑必須足夠大。連接處須用模鑄焊或銀焊以保接續牢固，以避免腐蝕或因震動以致斷裂，失去接地效果。
對一個視訊傳送的有線電視(CATV)系統而言，正確的接地措施可降低損害的影響程度，諸如：突波電壓(Surge)、感應電壓、雷擊、電力公司的電力線掉落至有線電視纜線上而造成的高壓短路等。接地措施的目的是將以上情形所產生的電流導引至大地，避免經由CATV網路的傳導，造成器材、用戶財物及人員的損傷，同時提升信號的穩定度。
電信自由化的推動，促進行動通信業務的蓬勃發展，依電信法及固定網路通信業務管理規則之規定，CATV業者得將網路出租給第一類與第二類電信事業，因應此項有利的發展商機，除了網路更新及頭端增加設備以符合現行電信服務品質規範外，接地品質更須大幅加強，避免雜訊的增加，以提升信號傳輸的品質及穩定度，接地如何加強以達到電信服務需求，例如依電信總局84年7月技20-2(135)號函"電信機房接地系統設計規範"機房的接地電阻須小於2.5歐姆，同時具有通信用單一接地(Single Point Grounding)裝置，不與避雷接地共用，如何以較精確及可靠的方法量測接地電阻，在本實習中將加以說明。

11-2接地的設計

接地電阻愈低，雜訊愈小，系統特性穩定度也較高，受突波電壓的影響也小，但接地電阻愈低，困難度增加，施工不易，投資成本相對增加，如何以較低的成本順利獲得低的接地電阻，必須事前仔細規畫，適當的方法將能避免無謂的施工與浪費，也能有效地縮短施工的期限。
一、設計步驟(如圖11.1所示)
1.設計開始
2.依建築圖，機房配置了解通信設備類別，終期容量
3.現場查勘(大地導電率測試、地形、土壤條件、水位等)
4.取得鑽探資料→決定接地方式
5.接地極及接地引上線等材料選定、數量、配置等計算規劃
6.參照規範編訂設計書
接地工程設計流程

設計開始

依建築圖，機房配置了解通信設備類別，終期容量

現場查勘(大地導電率測試，地形，土壤條件，水位等)

取得鑽探資料

決定接地方式

接地極及接地引上線等材料選定，數量，配置等計算規劃

參照規範編訂設計書

圖11.1 接地的設計流程
二、接地極接地電阻之計算公式
接地電極以金屬為之，型式很多，應視現場情況選用適當之型式，除接地棒、銅管、銅板、地網接地設施外，亦可採用旋轉式鑽井方式。各型接地極接地電阻計算公式分列於下，供作設計參考：
1.直埋棒狀或管狀地極
(a).單極式：以同棒或銅管接地極單根打入或直埋，公式為
R＝ (1)
其中：
R：單根接地棒或銅管之接地電阻值（Ω）
L：接地棒或銅管長度（㎝）
ρ：大地電阻率（Ω-㎝）
r：接地棒或銅管外圍半徑（㎝）
接地棒可為銅棒或銅包鋼棒或不銹鋼棒等，銅管則為適當厚度銅管。
(b).多極直線並聯式公式為:
R= (2)
其中：
R：多極直線接地棒或銅管之接地電阻值（Ω）
L：接地棒或銅管長度(cm)
ρ：大地電阻率(Ω-cm)
n：接地棒或銅管數量
S：接地棒或銅管間隔（㎝）
r：接地棒或銅管外圍半徑（㎝）

(c).多極環狀並聯式公式為：
(3)
其中：
R：多極環狀接地棒或銅管之接地電阻值（Ω）
D ：環狀圓周半徑（㎝）
L：接地棒或銅管長度（㎝）
ρ：大地電阻率（Ω-㎝）
n：接地棒或銅管數量
r：接地棒或銅管外圍半徑（㎝）
(d).裸銅線之接地電阻計算公式:
R= (4)
其中：
R：裸銅線接地電阻（Ω）
ρ：大地電阻率（Ω-㎝）
L：埋入銅線長度(cm)
r：埋入銅線半徑(cm)
d：銅板埋設深度（㎝）
(e).銅板(平埋)之接地電阻計算公式:
R= (5)
其中：
R：單片銅板接地電阻（Ω）
ρ：大地電阻率（Ω-㎝）
d：銅板埋設深度（㎝）
r =
a：銅板寬（㎝）
b：銅板長（㎝）
(f).銅帶（紫銅，立埋）接地電阻計算公式
R= (6)
其中：
R：銅帶接地電阻（Ω）
ρ：大地電阻率（Ω-㎝）
L：銅帶埋設長度（㎝）
r：銅帶等效半徑
(g).多極並聯接地電阻計算公式
R (7)
其中：
RT：並連接地電阻(Ω)
Rs：單一接地極之接地電阻(Ω)
：並聯效應係數自1.4-1.8，依土壤性質及街地排列間隔以及深度不同妥善選定，土壤電阻率越大則值越大。
N：並聯接地電極數

12-3技術標準

基礎經濟之考慮，各機房接地電阻值之標準訂定如表11.2。

表11.2 機房接地電阻值
機房種類
接地電阻值(Ω)
備 註
交換機房(10,000門以下)
5
門號以最終容量為準
交換機房(10,000門以上)
0.5
〞 〞
綜合機房
0.5

無線機房
2.5

拖車交換機
5
廠商另有規定者依其
規定
租用機房
10
〞 〞

12-4測試方法及使用儀器

一、大地電阻率之測試
在地線設計過程中，大地阻率之推定以及測定為設計重要數據取得之手段，通常依據之原理為"電位測定法"，如圖11-2之配置則可知:
P之電位：
V (8)
P之電位：
V (9)

P、P兩點電位差則為:
V= (10)
式中V、I均可由電表測知，故大地電阻率ρ即可求得。通常極間距離a應為埋設深度d之20倍以上。

圖11.2 大地電阻率測定原理圖
二、測試方法
一般為簡化作業，採用3244型接地電阻定器，以表11.3分別求出值，再依公式算出ρ值予以平均作為設計之依據。
測試時請參考圖11.3，表中各欄所標之參數意義如下(單位為公尺)。
表11.3 大地電阻率量測記錄表
a
C1
P1
G
P2
C2

(-cm)

a：極間距離 C1：O – C1距離 P1：O – P1距離
G：O - G距離 P2：O – P2距離 C2：O – C2距離

圖11.3 大地電阻率測試回路

12-5接地電阻的量測

法規建議之量測裝置，參見圖11.4，量測步驟如下為：
1.在距離待測接地電阻20公尺以上之適當位置，打入電流電極輔助接地棒，然後利用金屬導線接至電壓降式接地電阻器C端。
2.在待測電阻和電流電極接地棒之中間位置附近，打入電壓電極輔助接地棒，然後利用金屬導線接至電壓降式接地電阻器P端。
3.調整測試供應電流至5到20mA左右。
4.測試供應電流使用頻率需求：1kHz以下，且必須與周遭系統使用之頻率不同，不能用直流。
5.由指示器讀出接地電阻值。

圖11.4 法規建議量測裝置圖
一般而言，常見的較精確的量測，有以下兩種量測方式：
一、62%量測法
1.用較短的導線將接地棒連接到量測設備的電極X，另一電極Z連接到輔助電極，接地棒與輔助電極之間隔約 30公尺。長距離的間隔促使電極產生的電場區域不至相重疊，以避免干擾，約略在中間位置時，對應的電位差曲線較為平坦，如圖11-5所示。

2.在距離接地棒72%遠的位置 (約22公尺) ，量測設備的電極 Y 用導線改接到輔助電極Y"，接地棒與另二支輔助電極必須保持一直線，並且儘可能將接地電極打入地下，以增加接地的效果。依據儀器的操作手冊，調整量測設備的電流與電阻指示範圍，按下量測鍵，記錄讀值。
3.重覆步驟2，此時之距離改變為52%。
4.重覆步驟2，此時之距離改變為62%。
5.步驟2、3與4量測值如相當接近 (誤差在5%內) ，則接地棒的接地電阻可取三者之平均，如誤差太大，表示電極產生的電場相互重疊，彼此干擾，必須再次調整接地棒X與輔助電極間的距離，重覆步驟2-4，直到滿足需求。

圖11.5 電位變化曲線圖
二、正三角型法
如果接地棒附近係高密度建築群，無空曠區域，導致輔助電極無法插於遠處，或者三支電極無法成一直線排列，正三角形法是一適當量測接地電阻之技術。如圖11.6之量測裝置，接地棒 X與接地電極Y、Z構成正三角形，將電極棒Y置於點A (第一個正三角形) ，調整量測設備的電流與電阻指示範圍，然後按下開關，得到第一次讀值，然後置於點B (第二個正三角形) 得到另一次讀值，比較二者之結果。如果相差很大，代表接地電極丫在電場影響區內，必須考慮把電極Y與Z移動使之更遠離X，然後再次量測，取得讀值，如二者讀值相當接近，誤差在數%內，方可考慮接受，差異還很大時，再移動電極Y與Z，直到讀值滿足須求為止。
圖11.6 三角形量測技術

12-6接地電阻測試時應注意事項

1.輔助電極要儘量離開建築物，地下構造物。如地下有導體存在時，會把測試電流短路，測試值會顯示偏低。
2.以接地電阻計測試時輔助電極不可接成△形，應排成一直線。因接地電阻計的測試原理是"電壓電流表法"，故測電壓降輔助電極應在產生電壓降的電流路徑上。
3.測試電流要儘量大，希望能達150mA以上。因無論在何時何地，大地內已有由電力系統的洩漏電流存在。如要測試接地網時，因習見接地電阻測試儀器的測試電流只不過是幾十mA，大地裡面的許多因素恐有影響。如在60Hz附近的電源，經由濾波器，亦可使用小電流測方式。
4.輔助電極間的間隔要儘可能長，至少需要10m以上。
5.地下不得有洩漏電流及雜散電壓降。有時免不了些許存在，故在測試時電流要儘量大。
6.需要使用交流電源以免造成電解質的水電解。
7.使用接地電阻測試儀器的量測時，電流不能使用60Hz電流。但以大電流測試時，因設備關係免不了使用60Hz電源，故測試電流要儘量大。
輔助電極的接地電阻對測試值的影響(參考日本JECC-1304)。例如被測接地電阻為10Ω，而輔助電極的接地電阻是2KΩ以上就會出現誤差，8KΩ時誤差可能會達到(低)約1/2刻度。通常認為輔助電極的接地電阻在500Ω以下就可以了。

12-7接地系統

1.頭端機房接地系統，應符合以下之規格要求
(a)接地線必須和任何導線完全隔離及絕緣。
(b)接地線不是電源中性線，且必須與中性線分開。
(c)接地線徑至少在5㎜的以上。
(d)系統接地阻抗在電源插座中，中性線與接地線間測量不得大於10Ω。
(e)在電源輸出端，所測得中性線與接地線間電壓必須小於0.5V且無論電腦系統是否使用，電壓值變化量亦不得超過 ±0.5V。
2.電源的接地方式
依台電地線工程規定可分為下列兩種:
(a)設備接地：
高低壓用電設備非帶電金屬部份之接地，亦即箱體之接地。
(b)低壓電源系統接地：
配電變壓器之二次側低壓線或中性線之接地。
(c)設備與系統共同接地：
為設備接地與內線系統接地共用型，其實施方法為內線系統之接地與用電設備之接地共用一接地線或同一接地電極。台電建議自備變壓器者，二次側線路對地電壓超過150V者採用"設備單獨接地"者為多，甚至強調中性線必須與地分離。一般以遵照儀器設備之原廠規範要求為妥，以配合原廠設計需要。
3.接地電阻
接地系統之重要條件，頭端機房應埋設〝接地電極群〞或〝接地網〞，一般均施行單獨接地電極，〝有線廣播電視法〞規定頭端機房接地電阻需在15Ω以下，而台電規定施行單獨接地電極者其接地電阻保持在5Ω以下。但依設備精密儀器需要，以要求3Ω以下為佳(電信機房2.5Ω)。接地線之設施不得輕易為之，必須考慮安全牢固，埋入地下之銅線、電極銅棒直徑必須足夠大，以免腐蝕或因震動以致斷裂，失去接地效果。

12-8量測項目

1. 在一空曠區，選擇一區域量測該區的土壤電阻係數。
2. 選定一已知的接地電極量測其接地電阻。
3. 選定一空曠區域，並建立電極，就不同的電極深度量測其接地電阻，同時討論接地電阻與接地深度的關係。
4. 如有勾表，討論勾表與本章儀器或方法量測結果，並討論勾表量測的約略原理，降低接地電阻的可能造假方法。

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