JP2010127851A - ３電極を用いた配電用大地固有抵抗測定装置およびその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】配電工事の施工実務のうちの最も基本でありながらも見過ごし易い大地固有抵抗測定において、３電極法だけで接地抵抗のみならず大地固有抵抗も測定できる３電極を用いた配電用大地固有抵抗測定装置およびその方法を提供する。
【解決手段】測定装置は、電源を供給する電源供給部１０と、前記電源供給部から電源の供給を受け、スクリュー型に構成され、３電極法による大地固有抵抗の推定に用いられるスクリュー型接地極２０と、前記スクリュー型接地極２０で接地抵抗値を測定する接地抵抗値測定部３０と、前記接地抵抗値測定部によって測定されたアナログ接地抵抗値をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部４０と、前記Ａ／Ｄ変換部によって変換された接地抵抗値によって３電極法による大地固有抵抗を推定する３電極法推定部５０と、前記３電極法推定部によって推定された大地固有抵抗を表示する表示部６０と、を含む。
【選択図】図７

Description

本発明は、大地固有抵抗測定に関し、特に、配電工事の施工実務のうちの最も基本でありながらも見過ごし易い大地固有抵抗測定において、３電極法だけで接地抵抗のみならず大地固有抵抗も測定できる３電極を用いた配電用大地固有抵抗測定装置およびその方法に関するものである。

一般的に、変電所接地、鉄塔接地などの送変電系統の工事設計・施工時、大地固有抵抗を求める方法としてウェンナーの４電極法（１９１５年に考案される）がある。

しかし、電極が４個以上（５個もある）であるために測定装置を取り扱うのに不便であり、繰り返し測定して平均値を取らなければならず、電極の間隔に応じて大地固有抵抗値が異なり得るため、必ずしも４電極法が大地固有抵抗の測定に有利であるとは言えない。したがって、接地棒を単位とする配電工事の設計・施工には適しておらず、今回開発の配電用大地固有抵抗測定器は、接地棒を埋設しようとする箇所の大地固有抵抗を容易に計測できる長所がある。

送変電系統に関連した接地工事に活用する４電極法は、変電所接地、鉄塔接地などの広範囲な面積の大地固有抵抗を数回繰り返し測定して平均値を取るが、配電工事は、その特性上、接地棒の埋設に関連した非常に小さい面積単位の工事が散発的に広い範囲にかけてなされるので４電極法による活用が不便であるためにその活用がほぼなされていない現状である。

図１は、従来の４電極法による大地固有抵抗の測定図である。ここで、ｃ１〜ｃ２は電源接続であり、ｐ１〜ｐ２は電位差測定であり、ｌは接地極の長さであり、ａは接地極の電極間距離であり、Ｖは電圧であり、Ｉは電流である。

ウェンナーの４電極法（Wenner's four electrode method）はＦｒａｎｋ Ｗｅｎｎｅｒが１９１５年に発表した４個の電極を直線状に同一間隔に配置する方法であり、現在、大地抵抗率の測定方法として最も多く用いられている。

これは、図１に示すように、４個の電極を大地に設置し、両サイドの外側の電極間に流れる電流Ｉと内側の２個の電極間に誘導される電圧Ｖを測定して大地抵抗率を算出する方法である。外側の２つの接地電極ｃ１とｃ２との間に電源を供給して大地に電流を流し、この時、内側の２つの接地電極ｐ１とｐ２との間に発生する電位差を測定し、Ｖ／Ｉから接地抵抗Ｒ［Ω］を求めることができる。また、電極間隔をａ［ｍ］とすると、大地抵抗率ρ［Ω．ｍ］は次の式１から算出することができる。
ここで、抵抗Ｒ＝Ｖ／Ｉである。また、測定用接地電極の埋設深さが電極間距離に比べて非常に小さい場合には４電極法（four electrode method）または４点法（four point method）を適用することが好ましいため、ａ≧２０ｄ（ｄは接地電極の直径）である条件で大地抵抗率を測定することが好適である。式１は大体、深さ０．７５ａ〜ａである地点の土壌の平均大地抵抗率（mean earth resistivity）を示す。

測定用電圧、電流接地電極ｃ１、ｃ２、ｐ１、ｐ２の接地抵抗に関係なく大地抵抗率が算出される。電極間隔ａを大きくすると、測定用電流が浸透する深さまでの大地抵抗率の平均値を測定することができる。地中に水道管やガス管などの金属管が埋設されていれば、測定用電流がこれらの金属導体を通して流れるので測定に誤差をもたらす可能性がある。したがって、４電極法を用いて大地抵抗率を正確に測定するためには４電極の配列方向と間隔を変化させながら数回測定して平均値を取ることが好ましい。

図２は、一般的な固有抵抗（ρ）と電極間距離（ａ）の関係を示すグラフである。図示しているように、電極間隔ｃ１〜ｃ２の間隔に応じて大地固有抵抗値が異なり得る。

図３は一般的な設計基準２６０１の大地固有抵抗を示す表であり、図４は一般的な配電実務教材の大地固有抵抗を示す表であり、図５は一般的な技術用語解説集（送変電分野）の大地固有抵抗を示す表であり、図６は電設工業（「大地抵抗率と接地抵抗」、平成４年７月）の大地固有抵抗を示す表である。

図３〜図６におけるように、設計基準に明示された大地固有抵抗は土壌の種類に応じた統計数値であり、その数値の幅が大きくて配電設計者が適用するには困難がある。

大地固有抵抗は大地にいくつかの電極を挿入して測定器で測定する方法しかない。しかし、用途上、従来技術の４電極法は電極が４つ以上であるために配線する時に不便であり、数回繰り返し測定しなければならない問題と、広範囲な地域に適している反面、配電工事は、接地設計および工事をすべき単位設備が送変電設備より規模は小さいが、色々な所に散在しており、接地棒を埋設しようとする単位箇所の大地固有抵抗を測定できる、携帯し易く、測定が便利な計測器の必要性が台頭した。

そこで、本発明は、前記のような従来の諸問題を解決するために提案されたものであり、配電工事の施工実務のうちの最も基本でありながらも見過ごし易い大地固有抵抗測定において、３電極法だけで接地抵抗のみならず大地固有抵抗も測定できる３電極を用いた配電用大地固有抵抗測定装置およびその方法を提供することをその目的とする。

本発明に係る３電極を用いた配電用大地固有抵抗測定装置は、電源を供給する電源供給部と、前記電源供給部から電源の供給を受け、スクリュー型に構成され、３電極法による大地固有抵抗の推定に用いられるスクリュー型接地極と、前記スクリュー型接地極で接地抵抗値を測定する接地抵抗値測定部と、前記接地抵抗値測定部によって測定されたアナログ接地抵抗値をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、前記Ａ／Ｄ変換部によって変換された接地抵抗値によって３電極法による大地固有抵抗を推定する３電極法推定部と、前記３電極法推定部によって推定された大地固有抵抗を表示する表示部と、を含んでなっていることを特徴とする。

また、本発明に係る３電極を用いた配電用大地固有抵抗測定方法は、スクリュー型接地極によって３電極法による接地抵抗値を測定する第１ステップと、前記第１ステップにおいて測定されたアナログ接地抵抗値信号をデジタル接地抵抗値信号に変換する第２ステップと、前記第２ステップにおいて変換されたデジタル接地抵抗値を用いて３電極法によって大地固有抵抗を推定する第３ステップと、を含んで行われることを特徴とする。

本発明に係る３電極を用いた配電用大地固有抵抗測定装置およびその方法は、配電工事の施工実務のうちの最も基本でありながらも見過ごし易い大地固有抵抗測定において、３電極法だけで接地抵抗のみならず大地固有抵抗も測定できる効果がある。

配電用大地固有抵抗測定器（３電極）を開発するに当たり、接地極として繰り返し活用できるようにスクリュー型棒状に製作し、デジタル接地抵抗計に逆推定するアルゴリズムを反映して、接地抵抗および大地固有抵抗測定器を兼用することができる。

配電用大地固有抵抗測定器の開発の長所としては、接地抵抗計および大地固有抵抗測定機能の兼用であるために容易に活用することができ、携帯し易いために活用性に優れ、配電設計／工事施工の品質向上に直ちに活用することができる。

以下、本発明を添付図面に基づいてより詳細に説明すれば次の通りである。

図７は本発明の一実施形態に係る３電極を用いた配電用大地固有抵抗測定装置のブロック構成図であり、図８は図７のスクリュー型接地極を示す図である。

図示しているように、電源を供給する電源供給部（１０）と、前記電源供給部（１０）から電源の供給を受け、スクリュー型に構成され、３電極法による大地固有抵抗の推定に用いられるスクリュー型接地極（２０）と、前記スクリュー型接地極（２０）で接地抵抗値を測定する接地抵抗値測定部（３０）と、前記接地抵抗値測定部（３０）によって測定されたアナログ接地抵抗値をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換部（４０）と、前記Ａ／Ｄ変換部（４０）によって変換された接地抵抗値によって３電極法による大地固有抵抗を推定する３電極法推定部（５０）と、前記３電極法推定部（５０）によって推定された大地固有抵抗を表示する表示部（６０）と、を含んでなっていることを特徴とする。

前記スクリュー型接地極（２０）は、材質が機械構造用炭素鋼材からなることを特徴とする。

前記３電極法推定部（５０）は、
によって大地固有抵抗を推定し、ここで、Ｒは接地抵抗（Ω）であり、ρは大地固有抵抗（Ωｍ）であり、Ｌは前記スクリュー型接地極（２０）の長さ（ｍ）であり、ｄは前記スクリュー型接地極（２０）の直径（ｍ）であることを特徴とする。

図９は、本発明の一実施形態に係る３電極を用いた配電用大地固有抵抗測定方法を示すフローチャートである。図示しているように、スクリュー型接地極（２０）によって３電極法による接地抵抗値を測定する第１ステップ（ＳＴ１）と、前記第１ステップにおいて測定されたアナログ接地抵抗値信号をデジタル接地抵抗値信号に変換する第２ステップ（ＳＴ２）と、前記第２ステップにおいて変換されたデジタル接地抵抗値を用いて３電極法によって大地固有抵抗を推定する第３ステップ（ＳＴ３）と、を含んで行われることを特徴とする。

前記第３ステップでは、
によって大地固有抵抗を推定し、ここで、Ｒは接地抵抗（Ω）であり、ρは大地固有抵抗（Ωｍ）であり、Ｌは前記スクリュー型接地極（２０）の長さ（ｍ）であり、ｄは前記スクリュー型接地極（２０）の直径（ｍ）であることを特徴とする。

このように構成された本発明に係る３電極を用いた配電用大地固有抵抗測定装置およびその方法の望ましい実施形態についてより詳細に説明すれば次の通りである。

下記にて本発明を説明するにおいて、関連の公知機能または構成に対する具体的な説明が、本発明の要旨を不明確にする恐れがあると判断される場合にはその詳細な説明を省略する。また、後述する用語は本発明における機能を考慮して定義された用語であって、ユーザ、オーペレーターの意図または慣例などにより変わる。したがって、各用語の意味は本明細書全般にわたる内容に基づいて解釈されなければならない。

先ず、本発明は３電極法だけで接地抵抗のみならず大地固有抵抗も測定しようとするものである。

図１０は、本発明を用いて大地固有抵抗を測定した例を示す測定図である。
先ず、本発明は、スクリュー型接地極（２０）を大地に容易に挿入し繰り返し使用できるようにスクリュー型に製作し、材質はＫＳＤ３７５２（機械構造用炭素鋼材）に規定しているＳＭ４５Ｃを用いた。第２に、現場でスクリュー型棒と接地銅棒を大地に挿入し、接地抵抗計で接地抵抗を測定した値によって一般的な接地抵抗実験式による大地固有抵抗を逆推定する方法をもって各接地極に対する大地固有抵抗値を相互比較分析した。第３に、既存のデジタル接地抵抗計に逆推定式を反映した大地固有抵抗測定機能兼用測定器を開発した。

スクリュー型接地極（２０）の製作規格は次の通りである。
１）スクリューが終わる地点までの直線長さ：４３０ｍｍ
２）スクリュー沿面長さ：１，４０１ｍｍ
３）スクリュー外径：２５ｍｍ
４）スクリュー内径：１２．５ｍｍ
５）スクリュー断面積：５５，０３０ｍｍ²（＝２π×Ｒ×ｈ＝２π×Ｒ×４３０）
６）換算直径：４０．７３６ｍｍ（直線長さおよび断面積一定）（＝５５，０３０／（２π×４３０））

また、３電極法による大地固有抵抗の逆算は次の式２による。
ここで、Ｒは接地抵抗（Ω）であり、ρは大地固有抵抗（Ωｍ）であり、Ｌは前記スクリュー型接地極（２０）の長さ（ｍ）であり、ｄは前記スクリュー型接地極（２０）の直径（ｍ）である。

また、上記の式２は次の式３のように大地固有抵抗を中心に変形させることができる。
例えば、施工敷地内に接地棒（ｌ１０００ｘψ１４）を打ち込んだ結果は、それぞれ３５０Ω、４００Ω、２８０Ωが測定された場合、大地固有抵抗は次の式４のように計算することができる。
式４は抵抗３５０Ωの場合である。

図１１は、本発明における３電極法によって大地固有抵抗を逆算した例を示す表である。図１１では、抵抗が３５０Ω、４００Ω、２８０Ωである場合に逆算した大地固有抵抗値を示している。

一方、本発明のスクリュー型接地極で３電極法による大地固有抵抗推定値と、一般的な接地実験式による大地固有抵抗値と、従来技術の４電極法による大地固有抵抗値とを比較分析すれば次の通りである。
（１）第１に、一般的な接地抵抗実験式による場合
一般配電用接地銅棒を接地極とする３電極法による大地固有抵抗を推定する。
＊１４Ф１，０００ｍｍ規格の接地銅棒の設置および撤去を繰り返し行って測定できるように７００ｍｍだけを打ち込む条件とする。ここで、ｌ＝０．７［ｍ］、ｄ＝０．０１４［ｍ］である。
＊測定器モデル：デジタル接地抵抗計ＴＫ−２０４０。
＊大地固有抵抗：接地抵抗値を接地抵抗一般式から逆推定。
（２）第２に、従来技術の４電極法による大地固有抵抗測定の場合
＊測定器モデル：Earth Insulator Tester（ＭＩ−２０８８）、METREL Horjul社製。
＊大地固有抵抗：４電極法による現場直接測定器（ウェンナーの４電極法）。
（３）第３に、本発明のスクリュー型接地極で３電極法による大地固有抵抗推定の場合
＊４０．７３６Ф４３０ｍｍ（換算直径および直線長さ適用）スクリュー型に製作した棒を使用。ここで、ｌ＝０．４３［ｍ］、ｄ＝０．０４０７３６［ｍ］である。
＊測定器モデル：デジタル接地抵抗計ＴＫ−２０４０。
＊大地固有抵抗：接地抵抗値を接地抵抗一般式から逆推定。
また、大地固有抵抗は上記の式３のようになる。

図１２は、本発明のスクリュー型と従来技術の銅棒と従来技術の４電極法を用いて現場実測した例を示す比較表である。

配電用大地固有抵抗測定器および接地銅棒との比較結果は図１２のようであり、４電極法による測定は接地棒単位の小面積ではないので単に参考するためのものである。

ここで、現場実測結果を分析してみれば、本発明のスクリュー型と一般的な銅棒測定値の相関関係は次の式５のように約０．８である。

また、図１２の結果表から分かるように、測定しようとする接地棒単位に対する大地固有抵抗測定は、本発明のスクリュー型や一般的な銅棒の測定平均値から分かるようにほぼ近似値内に近接することが分かる。

図１３は、図１２の大地固有抵抗測定値の比較表である。

このように、本発明は、配電工事の施工実務のうちの最も基本でありながらも見過ごし易い大地固有抵抗測定において、３電極法だけで接地抵抗のみならず大地固有抵抗も測定することができる。

以上で本発明の望ましい実施形態に限定して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、様々な変化や変更および均等物を用いることができる。したがって、本発明は前記実施形態を適切に変形して応用することができ、このような応用も特許請求の範囲に記載された技術的思想を基にする限り本発明の権利範囲に属すると見なすべきである。

従来の４電極法による大地固有抵抗の測定図である。 一般的な固有抵抗（ρ）と電極間距離（ａ）の関係を示すグラフである。 一般的な設計基準２６０１の大地固有抵抗を示す表である。 一般的な配電実務教材の大地固有抵抗を示す表である。 一般的な技術用語解説集（送変電分野）の大地固有抵抗を示す表である。 電設工業（「大地抵抗率と接地抵抗」、平成４年７月）の大地固有抵抗を示す表である。 本発明の一実施形態に係る３電極を用いた配電用大地固有抵抗測定装置のブロック構成図である。 図７のスクリュー型接地極を示す図である。 本発明の一実施形態に係る３電極を用いた配電用大地固有抵抗測定方法を示すフローチャートである。 本発明を用いて大地固有抵抗を測定した例を示す測定図である。 本発明における３電極法によって大地固有抵抗を逆算した例を示す表である。 本発明のスクリュー型と従来技術の銅棒と従来技術の４電極法を用いて現場実測した例を示す比較表である。 図１２の大地固有抵抗測定値の比較表である。

符号の説明

１０ 電源供給部
２０ スクリュー型接地極
３０ 接地抵抗値測定部
４０ Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換部
５０ ３電極法推定部
６０ 表示部

Claims (5)

1. 電源を供給する電源供給部と、
   前記電源供給部から電源の供給を受け、スクリュー型に構成され、３電極法による大地固有抵抗の推定に用いられるスクリュー型接地極と、
   前記スクリュー型接地極で接地抵抗値を測定する接地抵抗値測定部と、
   前記接地抵抗値測定部によって測定されたアナログ接地抵抗値をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部と、
   前記Ａ／Ｄ変換部によって変換された接地抵抗値によって３電極法による大地固有抵抗を推定する３電極法推定部と、
   前記３電極法推定部によって推定された大地固有抵抗を表示する表示部と、
   を含んでなっていることを特徴とする、３電極を用いた配電用大地固有抵抗測定装置。
2. 前記スクリュー型接地極の材質は機械構造用炭素鋼材からなることを特徴とする、請求項１に記載の３電極を用いた配電用大地固有抵抗測定装置。
3. 前記３電極法推定部は、
   によって大地固有抵抗を推定し、ここで、Ｒは接地抵抗（Ω）であり、ρは大地固有抵抗（Ωｍ）であり、Ｌは前記スクリュー型接地極の長さ（ｍ）であり、ｄは前記スクリュー型接地極の直径（ｍ）であることを特徴とする、請求項１または２に記載の３電極を用いた配電用大地固有抵抗測定装置。
4. スクリュー型接地極によって３電極法による接地抵抗値を測定する第１ステップと、
   前記第１ステップにおいて測定されたアナログ接地抵抗値信号をデジタル接地抵抗値信号に変換する第２ステップと、
   前記第２ステップにおいて変換されたデジタル接地抵抗値を用いて３電極法によって大地固有抵抗を推定する第３ステップと、
   を含んで行われることを特徴とする、３電極を用いた配電用大地固有抵抗測定方法。
5. 前記第３ステップでは、
   によって大地固有抵抗を推定し、ここで、Ｒは接地抵抗（Ω）であり、ρは大地固有抵抗（Ωｍ）であり、Ｌは前記スクリュー型接地極の長さ（ｍ）であり、ｄは前記スクリュー型接地極の直径（ｍ）であることを特徴とする、請求項４に記載の３電極を用いた配電用大地固有抵抗測定方法。