接地电阻测试仪四端测量法详解

接地电阻测试仪的四端测量法（也称为四线法或凯尔文连接法）是一种高精度测量接地电阻的方法，专门设计用于消除测试导线电阻和接触电阻对测量结果的影响。这对于精确测量低值电阻（通常接地电阻的目标值在几欧姆甚至更低）至关重要。

核心原理：分离电流注入与电压测量回路

四端法的精髓在于它使用了两对独立的端子：

1. 电流端子 (C1 和 C2)：

• C1 (电流输出)： 连接到被测接地电极 (E)。

• C2 (电流回流)： 连接到一个辅助电流极 (H 或 辅助电流桩)。这个辅助极需要打在远离被测接地极的位置（通常距离是被测接地装置最大对角线长度的 4-5 倍）。

• 作用： 测试仪通过 C1 和 C2 向大地注入一个已知的恒定交流测试电流 I。这个电流从接地极 E 流出，经过土壤，流回辅助电流极 C2，形成一个完整的电流回路。

2. 电压端子 (P1 和 P2)：

• P1 (电位探测)： 连接到被测接地电极 (E) (通常和 C1 接在同一点，但在仪器内部是独立回路)。

• P2 (电位参考)： 连接到一个辅助电压极 (S 或 辅助电压桩)。这个辅助电压极需要打在 C1 (E) 和 C2 (H) 之间的连线上，通常更靠近被测接地极 E（例如，在距离 E 约 62% 总距离的位置，这是电位理论上的零电位点附近）。

• 作用： 测试仪通过 P1 和 P2 测量被测接地极 E 相对于辅助电压极 S 之间的电位差 V。关键是： 测量电压的回路 (P1-P2) 中流过的电流非常微小（通常是微安级），因此测量回路导线本身的电阻和 P1、P2 端子处的接触电阻对电压测量 V 的影响可以忽略不计。

如何计算接地电阻 (Rg)

测试仪内部根据欧姆定律计算接地电阻：
Rg = V / I

• V 是 P1 和 P2 之间测得的电压降。

• I 是 C1 和 C2 之间注入的恒定测试电流。

为什么四端法比两端法或三端法更准确？

1. 消除测试线电阻影响：

• 在两端法或三端法中，电流注入和电压测量共用部分导线。

• 测试导线本身的电阻会被计入测量结果中。对于长导线或测量低电阻时，导线电阻可能与被测接地电阻相当甚至更大，导致巨大误差。

• 四端法将电流回路 (高电流) 和电压测量回路 (高阻抗，极低电流) 完全分开。电压测量回路的高输入阻抗确保了流过电压测量导线的电流极小，因此导线电阻产生的压降 (I_voltage * R_wire ≈ 0) 可以忽略，测量到的 V 几乎完全是被测接地极上的真实压降。

2. 消除接触电阻影响：

• 电流端子 C1 和 C2 处的接触电阻会影响注入电流 I 的大小吗？测试仪通常会施加恒定电流源，即使接触电阻存在，它也能努力维持 I 恒定。接触电阻主要消耗功率，但不会显著改变电流值（在仪器能力范围内）。

• 电压端子 P1 和 P2 处的接触电阻呢？由于电压测量回路输入阻抗极高（兆欧级），流经接触电阻的电流微乎其微 (I_voltage ≈ 0)。根据 V_drop = I_voltage * R_contact ≈ 0 * R_contact = 0，接触电阻上的压降几乎为零，因此不会影响测得的 V。

接线步骤（典型）

1. 关闭被测设备电源，断开接地极连接： 安全第一！确保被测接地极与设备或系统的其他部分断开，只保留待测的接地极本身。

2. 打入辅助电极：

• 在远离被测接地极 (E) 的位置（距离 D ≈ 接地网最大对角线长度 L 的 4-5 倍），打入辅助电流极 (C2)。

• 在 E 和 C2 的连线上，距离 E 约 0.62D 的位置（或在仪器说明书指定的位置），打入辅助电压极 (P2/S)。

3. 连接测试仪：

• 用导线连接测试仪 C1 端子到 被测接地极 (E)。

• 用导线连接测试仪 C2 端子到 辅助电流极 (H)。

• 用导线连接测试仪 P1 端子到 被测接地极 (E) (通常与 C1 接在同一接地点)。

• 用导线连接测试仪 P2 端子到 辅助电压极 (S)。

4. 设置与测量：

• 选择合适的测试电流（根据仪器和接地要求）。

• 启动测试，仪器会自动注入电流 I，测量电压 V，并计算显示接地电阻值 Rg。

5. 验证与记录： 检查读数是否稳定。有时需要在 P2 位置前后移动一小段距离（例如 ±10% D）多次测量，取平均值或检查最小值，以确认找到了电位零区。记录测量值、测试电流、辅助极位置等信息。

关键优势

• 高精度： 特别适合测量低值电阻（<1Ω）。

• 消除导线电阻影响： 允许使用较长的测试导线而不显著降低精度。

• 消除接触电阻影响： 对测试夹/探针与接地极、辅助桩的连接要求相对较低（只要接触良好能导通即可，不像电流钳那样对接触要求极高）。

• 标准方法： 是测量独立接地极、小型接地网以及要求高精度测量的推荐和标准方法。

注意事项

• 电极间距 (D)： 是最关键的参数之一。D 必须足够大，以确保辅助极在接地极产生的电场影响范围之外。土壤电阻率越高，所需的 D 越大。如果 D 不够大，测量结果会偏小。遵循仪器手册或相关标准（如 IEEE Std 81）的推荐。

• 辅助电压极 (S) 的位置： 理想位置是在 E 和 H 连线上电位为零的点（约 0.62D 处）。实际土壤不均匀可能导致零电位点偏移，采用 61.8% 法（移动 S 测量，找到读数最小的点）是最可靠的做法。

• 土壤均匀性： 土壤分层或电阻率不均匀会影响电场分布和零电位点位置。

• 辅助电极的接地电阻： 辅助电流极 (H) 自身的接地电阻不能太大，否则测试仪可能无法输出足够的测试电流 I。通常需要将辅助桩打入潮湿土壤深处或浇盐水降低其电阻。辅助电压极 (S) 的接地电阻对测量精度影响很小。

• 干扰： 附近运行的电气设备可能在大地中产生干扰电流或电压（工频或谐波），影响测量。现代测试仪通常使用异频（非50/60Hz）测试电流和滤波技术来抑制干扰。

四端测量法是接地电阻测试中追求高精度和消除导线/接触电阻误差的黄金标准方法。它通过独立分开电流注入回路和电压测量回路，有效解决了传统方法在测量低电阻时的主要误差来源。虽然需要多打两个辅助桩，但在需要精确结果的场合（如验收测试、故障诊断、防雷检测等）是必不可少的。理解和正确应用四端法是进行可靠接地系统测试的基础。