上海城投水務(wù)集團(tuán)制水分公司 王星楠

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接地棒的接地電阻與有效長度的計(jì)算

上海城投水務(wù)集團(tuán)制水分公司 王星楠

【摘要】接地電阻的性能好壞將直接影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行以及設(shè)備、人身安全。對接地電阻的準(zhǔn)確測量對于保護(hù)電力系統(tǒng)中的設(shè)備和人身安全具有重要的意義。文章首先對工頻接地電阻的常用測量方法以及計(jì)算方法進(jìn)行了介紹，還對沖擊接地電阻進(jìn)行介紹并針對國標(biāo)中對沖擊接地電阻以及有效長度的定義存在的問題和偏差進(jìn)行了分析。文章利用計(jì)算公式，考慮了雷電流入地時(shí)產(chǎn)生的火花效應(yīng)以及電感效應(yīng)的影響，以人工垂直接地極為例，根據(jù)計(jì)算結(jié)果模擬出影響沖擊接地電阻的各類因素與沖擊接地電阻的關(guān)系，對沖擊電阻的特性進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】防雷；接地；沖擊接地電阻；火花效應(yīng)

1 引言

雷電是一種強(qiáng)烈的大氣放電現(xiàn)象，自古以來就是威脅人類生命財(cái)產(chǎn)的一大自然災(zāi)害。每年我國會(huì)有上萬人因雷擊事故而傷亡，并給國家和個(gè)人造成巨大的財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)損失。

本文旨在通過人工垂直接地極接地電阻的計(jì)算公式和人工接地極的沖擊系數(shù)，得出影響沖擊接地電阻各種因子之間的關(guān)系，并利用兩個(gè)不同的換算公式，對計(jì)算模擬出的圖形進(jìn)行比較分析，使對沖擊接地電阻有一個(gè)較全面的認(rèn)識(shí)，這對指導(dǎo)防雷接地檢測和防雷接地工程實(shí)踐具有重要的意義。

2 接地系統(tǒng)及其概念

全國雷電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)制訂《信息系統(tǒng)雷電防護(hù)術(shù)語》國家標(biāo)準(zhǔn)對接地電阻采用的定義是：“接地極與電位為零的遠(yuǎn)方接地極之間的歐姆定律電阻”，它實(shí)質(zhì)上就是接地電流在土壤中散流時(shí)土壤所呈現(xiàn)的電阻［1］。它包括接地線和接地體本身的電阻、接地體與大地之間的接觸電阻以及接地體與電位為零的遠(yuǎn)方接地體之間土壤的電阻。通常情況下，由于后者電阻比前三部分電阻大的多，所以接地電阻主要指兩個(gè)相隔很遠(yuǎn)的接地體之間土壤的電阻。有時(shí)為了計(jì)算方便，同時(shí)又能保證工程所需精度，可以認(rèn)為電流從接地體流向無限遠(yuǎn)處。一般的，接地電流 I 流入接地電極，接地電極的電位比接地電流流入前升高U，把 U/I 定義為接地電極的接地電阻。［2］

3 接地電阻的計(jì)算

3.1 工頻接地電阻的計(jì)算

根據(jù)GB50065—200X交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范對垂直接地極的工頻接地電阻的規(guī)定，可利用下式計(jì)算，當(dāng)l＞＞d時(shí)：

式中：

Rg——垂直接地極的接地電阻，Ω；

l ——垂直接地極的長度，m；

通過分析以及計(jì)算公式可以明顯的發(fā)現(xiàn)，土壤電阻率與工頻接地電阻的阻值呈正比，土壤電阻率越高，則接地體得電阻也會(huì)變得越大，那么在高土壤電阻率的土壤環(huán)境下，我們?nèi)绾稳ゴ_保接地電阻的阻值達(dá)到規(guī)定范圍呢？答案是人工改造。對于高土壤電阻率的改造，有如下幾種方法：

1）深埋法：適用于接地電阻隨接地體埋在地下的深度增加而減小的土層，如含砂土壤區(qū)。不足點(diǎn)就是施工較麻煩。

2）深井接地法：使用鉆機(jī)鉆孔，將鋼管埋入井內(nèi)后，再向管內(nèi)和井內(nèi)注入泥漿后。此法適用于深埋法都達(dá)不到接地電阻要求的土壤，由于避雷接地體受有效長度限制，一般不用此法作避雷接地。

3）外引接地法：利用接地裝置附近有導(dǎo)電良好（電阻率較小）的土壤，采用外引接地。

3.2 沖擊接地電阻的計(jì)算

沖擊電流或雷電流通過接地體流向大地時(shí)，接地體呈現(xiàn)的電阻叫沖擊接地電阻，沖擊接地電阻與工頻接地電阻不同，其主要原因是沖擊電流的幅值可能很大，會(huì)引起土壤放電，而且沖擊電流的等效頻率又比工頻高得多，當(dāng)沖擊電流進(jìn)入接地體時(shí)，會(huì)引起一系列復(fù)雜的過渡過程，每有一瞬間接地體呈現(xiàn)的有效電阻值都有可能有所不同，而且接地體上最大電壓出現(xiàn)的時(shí)刻不一定就是電流最大的時(shí)刻。

為了使沖擊接地電阻Rch有一明確的定義，通常令：

由于Um和Rch出現(xiàn)的時(shí)刻可能不同，所以Rch并無實(shí)際上的物理意義（因電感作用，沖擊電壓幅值Um一般出現(xiàn)在電流幅值Im之前），但是這一定義在工程上使用很方便，因?yàn)槲覀兏信d趣的是在一定的Im下接地體上的最大電壓Um是多少，而這在Rch已知的條件下馬上可以算出來。很明顯，這樣的公式以及算法是有缺陷的即便是通過換算系數(shù)換算出了沖擊接地電阻，由于公式本身的缺陷，也存在較大誤差，因此檢測報(bào)告中關(guān)于接地電阻數(shù)據(jù)的可靠性值得斟酌。

3.3 沖擊接地電阻的計(jì)算以及與各因素之間的關(guān)系

通過3.2的分析，我們?nèi)」こ讨谐Ｓ玫慕卿撟鳛榇怪苯拥貥O角鋼的截面尺寸：50mm×50mm×5mm可得到：

根據(jù)式3，下面通過計(jì)算來分析各因素對沖擊接地電阻的影響情況。

隨著土壤電阻率的增加，沖擊系數(shù)變小。當(dāng)土壤電阻小于500Ω·m時(shí)，土壤良好，在這個(gè)范圍內(nèi)，隨著土壤電阻率的增加，沖擊系數(shù)減小很快，土壤電阻率大于500Ω·m 時(shí)，沖擊系數(shù)趨于穩(wěn)定。綜合公式，比較工頻接地電阻與沖擊接地電阻的阻值，如圖1所示。

圖1 不同土壤電阻率下工頻接地電阻與沖擊接地電阻阻值的比較

根據(jù)圖1可知，工頻接地電阻隨著土壤電阻率的增加呈線性變化，而沖擊接地電阻，在土壤電阻率較小時(shí)，沖擊電阻隨電阻率的增加而增加的速度快于工頻接地電阻增加的速度，因此沖擊系數(shù)大于1，但土壤電阻率較大時(shí)，則沖擊接地電阻變化速度減慢，此時(shí)沖擊系數(shù)小于1。

3.4 有效長度計(jì)算

沖擊電流幅值越大，有效長度越小，這是因?yàn)榻拥貥O在沖擊電流作用下，如果沖擊電流的波頭時(shí)間不變，則沖擊電流幅值越大，接地極的電感作用就越大，則有效長度就越?。?］。另外土壤電阻率越大，則接地極的有效長度就越長，這是因?yàn)橥寥离娮杪试酱螅驮阶璧K接地極從靠近入地端向土壤中散流，沖擊電流只能流向接地極末端，這樣就增大了接地極的有效長度。有效長度的增加直接體現(xiàn)在沖擊接地電阻變大。根據(jù)影響接地極有效長度的因素，普通垂直接地極的有效長度可以定義如下：

那么根據(jù)兩式我們分別進(jìn)行計(jì)算并比較，可以得到結(jié)果：由式4計(jì)算出的有效長度隨著土壤電阻率的增大，其值遠(yuǎn)大于式5計(jì)算出的有效長度。這就意味著，式5沒有考慮火花效應(yīng)，要達(dá)到同樣的沖擊接地電阻值，將比式4采用更多的接地材料。

3.5 計(jì)算結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

分析前幾節(jié)的數(shù)據(jù)，圖表和一些結(jié)論，可以知道：

1）接地體尺寸對于沖擊接地電阻有明顯影響，沖擊接地電阻隨接地體尺寸的變大而減小，且接地體尺寸越大，沖擊接地電阻隨電流幅值變化率增大；

2）不同土壤電阻率以及接地體尺寸條件下，沖擊接地電阻隨沖擊電流幅值增大的呈現(xiàn)出相似的規(guī)律：急劇下降-變化率降低-逐漸平穩(wěn)；

3）在同一接地體結(jié)構(gòu)尺寸下，沖擊接地電阻隨土壤電阻率變化很大，且土壤電阻率越大，沖擊接地電阻隨電流幅值變化率越大；

4）考慮火花效應(yīng)，通過公式得到的沖擊接地電阻值同不考慮火花效應(yīng)相比差別非常大，并且沖擊接地電阻不再近似為一個(gè)常數(shù)，而是隨注入電流的幅值變化而變化，呈現(xiàn)出明顯的非線性。

防雷是一個(gè)永久話題，仍在不斷發(fā)展中。防雷技術(shù)還有許多待探索的東西，目前雷云起電的機(jī)理還不清楚，雷電感應(yīng)的定量研究也很薄弱，因此防雷接地也在發(fā)展中，一些防雷接地領(lǐng)域所聲稱的新發(fā)現(xiàn)，需以科學(xué)的態(tài)度在實(shí)踐中檢驗(yàn)，在理論上發(fā)展完善。由于雷電本身是小概率事件，需要大量長期的統(tǒng)計(jì)分析才能得到有益的結(jié)果，這需要各方的通力合作才能實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

［1］陳先祿，劉渝根，黃勇.接地［M］.重慶﹕重慶大學(xué)出版社，2002，7.

［2］虞昊.現(xiàn)代防雷技術(shù)基礎(chǔ)（第二版）［M］.北京﹕清華大學(xué)出版社，2005，2.

［3］陳先祿，劉渝根，黃勇.接地［M］.重慶﹕重慶大學(xué)出版社，2002，7.