63889 部隊(duì) 羅軍 宋余愷 李成杰

本文針對(duì)車載式雷達(dá)機(jī)動(dòng)到臨時(shí)陣地時(shí)需可靠接地的問題，通過分析接地電阻的構(gòu)成及影響因素，研究了一種車載式雷達(dá)接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)方法及接地電阻的測量方法。該方法適用于無接地電阻測試儀時(shí)的場景，操作簡單易行、實(shí)用性強(qiáng)，能夠滿足機(jī)動(dòng)雷達(dá)野外執(zhí)行任務(wù)時(shí)便捷、高效的接地需求。

雷達(dá)接地性能的好壞不僅影響裝備的安全，操作手在使用中也存在安全隱患。就車載式雷達(dá)而言，其工作特性導(dǎo)致雷達(dá)陣地多變，為滿足車載式雷達(dá)的高機(jī)動(dòng)性，如何設(shè)計(jì)一種簡易、有效的接地裝置，既能降低施工成本，同時(shí)又不影響雷達(dá)架設(shè)的復(fù)雜程度和使用，是十分關(guān)鍵的。本文首先介紹了接地電阻的概念，而后設(shè)計(jì)了一種簡易的接地裝置和方法，為了保證所設(shè)計(jì)的接地電阻能夠滿足實(shí)際要求，本文最后從原理上詳細(xì)闡述了接地電阻測量方法，并進(jìn)行接地電阻的實(shí)際測量。

1 接地電阻的概念

所謂接地電阻是指電流由接地裝置流入大地，再經(jīng)大地流向另一接地體或向遠(yuǎn)處擴(kuò)散時(shí)的電阻，用來衡量接地狀態(tài)是否良好的一個(gè)重要參數(shù)。一般來說，接地電阻并不是單一的電阻，通常由以下部分組成：接地線和接地體自身的電阻、接地體與大地之間的接觸電阻、兩接地體之間的電阻以及接地體到無限遠(yuǎn)處的大地電阻構(gòu)成[1]。以避雷針來進(jìn)行說明，接地體引線就是避雷針與接地體之間的連接線，接地體與大地之間的接觸電阻與大地電阻之和常被稱為流散電阻[2]。金屬接地線的電阻值很小，通常忽略不計(jì)，因此接地電阻的大小幾乎全部來自于流散電阻值。因此，計(jì)算接地體接地電阻的公式如式（1）-式（3）所示[3]：

式中ρ為土壤電阻率，d為接地體直徑，S為等效地網(wǎng)面積，H為埋設(shè)深度，L為接地極長度，為形狀系數(shù)。

三個(gè)公式所考慮的因素依次增多，因而所設(shè)計(jì)出的接地電阻值也越來越精確。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可以結(jié)合自身任務(wù)的實(shí)際需要，在誤差允許范圍內(nèi)，選擇性地應(yīng)用上述公式，并依據(jù)公式中的參數(shù)，采取不同途徑，針對(duì)性地降低接地電阻。

通常情況下，接地電阻值通過接地電阻測試儀進(jìn)行測試而得。但對(duì)于車載式雷達(dá)防雷接地而言，則需重點(diǎn)關(guān)注于雷擊時(shí)的瞬時(shí)電阻值。由于雷電發(fā)生時(shí)通常產(chǎn)生的是瞬時(shí)電流，在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)瞬時(shí)電流進(jìn)行模擬測量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流瞬間增加到一定值后，此時(shí)電阻兩端的瞬時(shí)電壓與電流的比值不再是一個(gè)恒量，其原因是當(dāng)接地體在瞬間接收了較為強(qiáng)的電流時(shí)，其自身會(huì)釋放部分電流，這也直接地反應(yīng)出接地體對(duì)雷電的釋放性能。通常綜合裝備的承受能力以及人員安全等因素，瞬時(shí)電阻的測試基本上都是在實(shí)驗(yàn)室完成，根據(jù)大量的測試數(shù)據(jù)對(duì)比，在一定土壤電阻率下，瞬時(shí)電阻與通常意義上的接地電阻存在一定的數(shù)量關(guān)系，如表1所示。

表1 沖擊電阻與接地電阻的關(guān)系Tab.1 The relationship between impulse resistance and grounding resistance

從表1中可以得出，瞬時(shí)電阻可用與通常意義上的接地電阻互為代替。

2 接地裝置的設(shè)計(jì)

為滿足車載式雷達(dá)良好接地狀態(tài)，對(duì)防雷接地電阻要求是越小越好。但就車載式雷達(dá)的特點(diǎn)而言，其在臨時(shí)陣地使用時(shí)長且環(huán)境復(fù)雜多變，這就必須考慮接地電阻裝置的費(fèi)效比以及在臨時(shí)陣地上的施工復(fù)雜程度。所以在滿足裝備使用要求的前提下，必須充分考慮接地裝置的材料、結(jié)構(gòu)、陣地的地形地質(zhì)和施工難度等。從公式（1）-公式（3）可知，我們可從采用合適的接地體材質(zhì)及空間結(jié)構(gòu)、減小土壤電阻系數(shù)、采用多個(gè)接地體并聯(lián)來加大接地體尺寸等方法，來減小實(shí)際接地電阻值，從而達(dá)到使用要求。

2.1 接地材料的選擇

接地裝置的材料選擇至關(guān)重要，常用的接地體宜采用圓鋼、鋼管、角鋼、扁鋼等接地材料制作。其中，圓鋼直徑不應(yīng)小于10mm；扁鋼截面不應(yīng)小于100mm2，其厚度不應(yīng)小于4mm；角鋼厚度不應(yīng)小于4mm；鋼管壁厚不應(yīng)小于3.5mm。為有效降低接地體與土壤的接觸電阻，埋入土壤中的人工垂直接地體宜采用角鋼、水平接地體宜采用扁鋼。但在實(shí)際使用過程中，根據(jù)陣地的使用時(shí)長、雷達(dá)對(duì)接地電阻值的要求來確定不同的接地材料。接地材料的選擇其最關(guān)鍵地是需要降低接地體電阻和接地體與土壤的接觸電阻，此外，還要具有防潮防腐蝕等性能，確保能夠在土壤中不變質(zhì)，保證接地電阻的耐用性。通常情況下，接地體在地下的腐蝕速度受以下因素影響：土壤的含水量含氧量、PH值和含鹽量、電解質(zhì)、雜散電流、土壤的電阻率等?？紤]到上述因素，銅材不僅電阻率小在耐腐蝕性能上也優(yōu)于鋼材、鋅材、鐵材，可作為接地裝置首選材料。

2.2 接地形式的選擇

車載式雷達(dá)的接地方式分為系統(tǒng)接地和防雷接地，其接地體的空間結(jié)構(gòu)將直接影響接地電阻的大小，通常以多層水平接地網(wǎng)來增加接地體的等效接地面積，以增大電通量，而后使用多個(gè)垂直接地體將上述多個(gè)水平接地網(wǎng)并聯(lián)，以此有效降低接地電阻值。

2.3 降低接地電阻方法的選擇

在大地電阻率較大的砂質(zhì)、巖盤等土壤中，為了滿足降低接地電阻的要求，從公式(1)-公式(3)可知，接地電阻R與土壤電阻率ρ成正比，那么通過降低土壤的電阻率ρ，就能直接降低接地電阻。通常改善土壤電阻率的方法有換電阻率較低的土、深埋、物理及化學(xué)降阻等，其作用機(jī)理都是提高土壤的導(dǎo)電能力，實(shí)現(xiàn)減小接觸電阻的目標(biāo)。實(shí)際工作中，最方便有效的方法是化學(xué)降阻，例如使用工業(yè)用鹽調(diào)制的混合鹽水。將其澆灌在接地體周圍的土壤，減小接地體與土壤之間的空隙，增加接地體與土壤之間的導(dǎo)電性能；同時(shí)土壤吸收了混合鹽水后，降低其電阻率，提高了土壤的導(dǎo)電性能。

2.4 接地體施工

在距離雷達(dá)5m 左右的位置挖一個(gè)長寬高分別為2.5m、2.5m、1.5m 深的坑。首先，使用將厚3mm 寬25mm 的純銅條焊接成如圖1所示的銅條網(wǎng)，并將其放入坑底，值得注意的是，銅條交叉處的焊接點(diǎn)必須進(jìn)行防腐蝕處理。本節(jié)所介紹的立體接地網(wǎng)由兩層銅條網(wǎng)組成，上層銅條網(wǎng)距離下層50cm。另外下層銅條網(wǎng)的三條邊超過深坑邊的銅條4.1m 焊制，這三根4.1m 銅條在放入深坑前需向上彎折90°，這樣以來，在完成土壤填埋后，高出地面10cm 的銅條可以作為垂直接地體。銅條網(wǎng)安裝好后填埋時(shí)，在條件允許的情況下，可以按照2.3 節(jié)所述換土法，將原本較高電阻率的砂石更換為低土壤電阻率的黑土等，并將黑土和工業(yè)鹽混合；若臨時(shí)陣地周圍沒有較低電阻率的土壤，在填埋過程中可直接將工業(yè)鹽水澆灌到原有土壤中。在后期使用過程中，要定期用水澆灌，以使接地網(wǎng)和土壤之間的接觸電阻始終保持在較低水平[4]。

圖1 接地銅條網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of the grounding copper strip resistance network

3 接地電阻的測量方法

接地技術(shù)是車載雷達(dá)防雷所必須采取的保護(hù)性措施，是保證設(shè)備和操作人員安全的重要手段。為了達(dá)到實(shí)際任務(wù)的需求，在接地裝置投入使用之前，我們需要對(duì)其接地電阻值進(jìn)行測量，來檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)裝置的導(dǎo)電性能否滿足安全性和系統(tǒng)工作需求。本節(jié)將介紹兩種常用的測量接地電阻值的方法：接地電阻測試儀測量和電位降法測量。

3.1 接地電阻測試儀測試接地電阻

當(dāng)前常用的數(shù)字接地電阻測量儀都采用了集成電路，通過將電流注入至被測物與儀器自身的輔助接地極，在其之間就會(huì)產(chǎn)生電壓，通過歐姆定律計(jì)算，可以得到準(zhǔn)確電阻值，并顯示在表頭上供我們讀取。我們以TES-1605數(shù)字接地電阻測量儀為例，在被測接地樁的同側(cè)地上打入兩根輔助測試樁，要求這兩根測試樁分別距被測接地樁20m、40m 且與被測地樁保持直線，三根5m、20m、40m 導(dǎo)線分別連接被測物接地極、電位探棒和電流探棒。此時(shí)按下測試按鈕，即可計(jì)算出被測接地樁的地阻值。

3.2 電位降法測量接地電阻

使用接地電阻測試儀來測試接地電阻是最為便捷的方法，然而在實(shí)際情況下，我們可能沒有專用的測試儀，因此，我們需要對(duì)接地電阻進(jìn)行間接測試，本節(jié)我們將介紹一種利用萬用表、電源等設(shè)備來間接測量接地電阻的方法——電位降法[5]。

3.2.1 電位降法測量原理

要測量接地電阻，需要給接地體注入一定大小的電流I，并測出實(shí)際電壓U，即可計(jì)算出接地電阻的大小，如公式（4）所示：

值得注意的是，此處的電壓U實(shí)際上是接地網(wǎng)連接點(diǎn)與大地零電位之間的電壓，而大地零電位理論上是在無窮遠(yuǎn)處，不可能將電壓加在待測地極與無窮遠(yuǎn)之間，因此，為了解決此問題，我們引入一個(gè)測試電流極。在引入測試電流極后，空間中的電場強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生變化，在此電流極和待測電極之間就會(huì)形成一個(gè)零電位面，而后，計(jì)算零電位面與待測接地極之間的電位差，即可算出準(zhǔn)確的接地電阻值。因此，測量的關(guān)鍵就在于準(zhǔn)確地找到此零電位面的位置，本節(jié)將在原理上推導(dǎo)出此零電位面位置的理論值。測試原理如圖2所示。

圖2 電位降法測量原理圖Fig.2 The schematic diagram of fall-of-potential method

圖2中1 為待測地極，2 為測量電位極，3 為電流極，G為接地體。設(shè)接地極和電流極之間的土壤電導(dǎo)率均勻，且為σ，設(shè)地極1、2、3 為球形且半徑為 1r、2r、3r。當(dāng)電流I流向待測電極1 后，會(huì)以半球形向大地內(nèi)流散，那么，距離接地極x處的電流密度表示為如式（5）所示：

由電場強(qiáng)度E1=Jσ，距離接地極x處的電位表示為如式（6）所示：

其中E1為由電極1 產(chǎn)生的電場強(qiáng)度，因此，倘若沒有電極3，此時(shí)電極1、2 之間的電位差表示為如式（7）所示：

然而，電極3 的出現(xiàn)，使得電極1、2 之間的電位差發(fā)生改變。我們將電極3 看作向外發(fā)射負(fù)電荷的電極，那么在由電極3 產(chǎn)生的電場（電場強(qiáng)度）中電極1、2 之間的電位差表示為如式（8）所示：

其中U' 表示為由電極3 產(chǎn)生的電位差，因此如式（9）所示：

得到如式（10）所示：

電極1、2 之間實(shí)際的電位差表示為如式（11）所示：

電極2 的電位表示為如式（12）所示：

由公式(6)可得，電極1 的電位如式（13）所示：

因此，得到如式（14）所示：

令d12=nd13，并且U2= 0，可得如式（5）所示：

3.2.2 電位降法測量接地電阻實(shí)際操作

采用電位降法測量接地電阻時(shí)，所需要的設(shè)備簡單，如果沒有專門的電壓表和電流表，可以用萬用表替代，電源可以用雷達(dá)的交流電源或電站的蓄電池替代。布置測試回路通常按照圖2所示，需要特別注意的是，要求測試回路電流極與被試接地體中心距離d13應(yīng)為被試接地體最大對(duì)角線長度的4 ～5 倍。在測量過程中，將電源加在電流極和接地極之間，以產(chǎn)生恒定電流，圖中三個(gè)接線端子，端子1 接到接地體G、端子2 接到電流探針、端子3接到電位探針。測量時(shí)，在3 端子產(chǎn)生的恒定電流經(jīng)電流探針-地-接地體-1 端子，形成電流回路。只要d12和d13具有合適的比例關(guān)系，通過測量G和2 端子之間的電壓U，其電壓U和電流I的比值就是接地電阻值。

4 結(jié)語

本文主要介紹了接地電阻的概念，分析了接地電阻的構(gòu)成及影響因素，且根據(jù)這些因素設(shè)計(jì)了一種簡單有效的車載式雷達(dá)接地電阻，用于布設(shè)在雷達(dá)臨時(shí)陣地。在此基礎(chǔ)上，簡要介紹了兩種測量接地電阻值的方法，使用接地電阻儀測試和電位降法。其中重點(diǎn)分析了電位降法的測試原理及實(shí)際操作，該方法實(shí)用于沒有專用的接地電阻測試儀時(shí)需要測量接地電阻的場景，操作簡單易行?？偟脕碚f，本文所闡述的雷達(dá)接地電阻的設(shè)計(jì)和測量接地電阻值的方法，一定程度上能夠滿足我們在執(zhí)行任務(wù)中，所提出的快捷性、實(shí)用性要求。