低阻抗接地網(wǎng)的設計與施工
摘要：文中介紹了接地系統(tǒng)的作用，分析了獨立接地系統(tǒng)和共用接地系統(tǒng)的性能和特點，闡述了接地電阻的構成及施工和降阻方法。簡介了接地裝置的施工接地電阻測量方法及測量注意事項。 關鍵詞：接地系統(tǒng) 構成 性能 施工 測量 1.概述 接地系統(tǒng)是影響用電系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、可靠運行的一個重要環(huán)節(jié)，為了用電設備系統(tǒng)穩(wěn)定的工作，須有一個接地參考點。至于如何接地，采用何種接地方式較好、較正確，人們看法不一，國內有關規(guī)程也不夠明確和統(tǒng)一，國外用電設備廠商對接地系統(tǒng)的要求也不盡相同，但對用電設備必須可靠接地的認識是統(tǒng)一的。接地系統(tǒng)基本分為兩種形式，一是有按需要接地系統(tǒng)的功能而單獨設計的各自的專用接地系統(tǒng)，二是將各種功能的接地系統(tǒng)聯(lián)在一起組成一個公用接地系統(tǒng)。 2.獨立接地系統(tǒng) 將系統(tǒng)的直流地（邏輯地）與交流工作地，安全保護地和防雷地、供電系統(tǒng)地相互獨立。為了防止雷擊時反擊到其它接地系統(tǒng)，還規(guī)定了它們相互之間應保持的安全距離。采用獨立接地方式的目的，是為了保證相互不干擾，當出現(xiàn)雷電流時，僅經(jīng)防雷接地點流入大地，使之與其它部分隔離起來。有關規(guī)程提到若把直流地（邏輯地）防雷地分離時，其間距離應相距15米左右。在不受環(huán)境條件限制的情況下，采用專用接地系統(tǒng)也是可取的方案，因這可避免地線之間相互干擾和反擊。 3.共用接地系統(tǒng) 建筑物為鋼筋混凝土結構時，鋼筋主筋實際上已成為雷電流的下引線，在這種情況下要和防雷、安全、工作三類接地系統(tǒng)分開，實際上遇到較大困難，不同接地之間保持安全距離很難滿足，接地線之間還會存在電位差，易引起放電，損害設備和危及人身安全。考慮到獨立專用接地系統(tǒng)存在實際困難，現(xiàn)在已趨向于采用防雷、安全、工作三種接地連接在一起的接地方式，稱為共用接地系統(tǒng)。在IEC標準和lTU相關的標準中均不提單獨接地，國標也傾向推薦共用接地系統(tǒng)。共用接地系統(tǒng)容易均衡建筑物內各部分的電位，降低接觸電壓和跨步電壓，排除在不同金屬部件之間產生閃絡的可能，接地電阻更小。 在共用接地系統(tǒng)基礎上，可以進一步把整個機房設計成一個等電位準“法拉第籠”，圖1為建筑物“籠式”結構示意圖，建筑物防雷、電力、安全和計算機共用一個接地網(wǎng)，接地下引線利用建筑物主鋼筋，鋼筋自身上、下連接點應采用搭焊接，上端與樓頂避雷裝置、下端與接地網(wǎng)，中間與各層均壓網(wǎng)、環(huán)形接地母線焊接成電氣上連通的“籠式”接地系統(tǒng)。接地電阻一般應小于1Ω，為減少外界電磁干擾，建筑物鋼筋、金屬構架均應相互焊接形成等電位準“法拉第籠”。這種結構系統(tǒng)，不同層接地母線之間可能還有電位差，應用時仍要注意。 2.1共用接地系統(tǒng)構成 2.1.1接地體（又稱接地電極或地網(wǎng)）。接地體是使系統(tǒng)各地線電流匯入大地擴散和均衡電位而設置的與土壤物理結合形成電氣接觸的金屬部件。 聯(lián)合接地方式的接地體由兩部分組成：即利用建筑物基礎部分混凝土內的鋼筋和圍繞建筑物四周敷設的環(huán)形接地電極（由垂直和水平電極組成）相互焊接組成的一個整體的接地體。 2.1.2接地引入線。接地體與接地總匯集線之間相連的連接線稱為接地引入線。接地引入線應有足夠的導流面積，并作防腐蝕處理，以提高使用壽命。 2.1.3接地匯集線。接地匯集線是指在建筑物內分布設置可與各系統(tǒng)接地線相連的一組接地干線的總稱。 根據(jù)等電位原則，提高接地有效性和減少地線上雜散電流回竄，接地匯集線分為垂直接地總匯集線和水平接地分匯集線兩部分。 ①垂直接地總匯集線：垂直貫穿于建筑物各層樓的接地用主干線。其一端與接地引入線連通，另一端與建筑物各層鋼筋和各層水平接地分匯集線分層相連，形成輻射狀結構。垂直接地總匯集線宜安裝在建筑物中央部位，也可在建筑物底層安裝環(huán)形匯集線，并垂直引到各機房的水平接地分匯集線上。 ②水平接地分匯集線：分層設置，各通信設備的接地線就近引入到水平接地分匯集線上。 2.1.4接地線。系統(tǒng)內各類需要接地的設備與水平接地分匯集線之間的連線。其截面積應根據(jù)可能通過的最大電流確定，并不準使用裸導線布放。 2.2地線反擊電壓 采用共用接地之后出現(xiàn)的新問題，是出現(xiàn)地線反擊電壓現(xiàn)象。地線反擊是由于雷電流流過低網(wǎng)，使正常情況下處于低電位的接地導體的電位升高，經(jīng)地線反擊到電子設備，使設備出現(xiàn)過電壓。地線反擊也屬傳導性干擾，對微電子設備也會造成很大的危害，而這也是造成設備損壞的重要因素，但這一點往往被人們忽視。地線反擊和接地系統(tǒng)有著密切關系，接地沖擊電阻越小，反擊電壓也就越低給設備造成的危害也就越小。 雷擊大樓后，接地系統(tǒng)的電位升高，使所有與它連接的設備外殼帶上了高壓。而計算機設備又是經(jīng)過信號線或電源線引至遠端的零電位點。于是升高的外殼電位便在設備的平衡電位縱向絕緣上出現(xiàn)高壓，并可能導致絕緣被擊穿。為此大樓進線應用金屬護套電纜或電力電纜加強絕緣，隔離或分流限幅等方法，均可收到防護的效果。加強絕緣，就是提高界面處直接承受沖擊電壓的介質的絕緣水平，使其不被過電壓擊穿。隔離，如在電源進線上，加1∶1的隔離變壓器，使用電設備與供電電源沒有電氣上的連接，相當于將反擊電壓轉移到隔離變壓器的初線和機殼之間，從而保護了設備的安全，見圖2.信號線側亦可采用類似措施。分流限幅，其實就是利用縱向保護，當大樓提高了電位之后，啟動線路防雷器的縱向保護元件，把沖擊電流引到線路上。因地電位的提高，實際上相當于從線路進入極性相反的沖擊波，線路上防止雷電沖擊波侵入的縱、橫向保護，在這種情況也起保護作用。因此不論采用何種接地方式，系統(tǒng)和外界的連線總是應該安裝防止縱、橫向瞬間過電壓的保護設備。采用共用接地后，有可能因設計或施工不合理，在設備之間產生干擾，應該引起注意，并應采取相應措施予于消除。 處于不同接地點的電子設備（不在一幢大樓內的電子設備，很可能就不是一個接地點）。彼此互連時應采取隔離或其他防反擊措施。 雷擊建筑物或附近地區(qū)雷電放電所產生的瞬變電磁場，會在建筑物內信號線路接口處產生瞬態(tài)過電壓，此過電壓大小與布線走向等有關，因此合理布線、屏蔽及接地也是很重要的。 4.接地電阻的組成及降阻 接地在防雷工程中的作用舉足輕重，一個良好的接地系統(tǒng)不僅會使雷電流泄放的速度加快，縮短雷電壓在建筑各系統(tǒng)停留的時間，而且有利于降低雷電流入地時地電位瞬間升高的幅度。 4.1接地電阻構成 接地裝置的接地電阻由以下幾部分構成： 4.1.1接地引線電阻，是指由接地體至需接地設備接地母線間引線本身的電阻，其阻值與引線的幾何尺寸和材質有關。 4.1.2接地體（水平接地體、垂直接地體）本身的電阻，其阻值與接地體的材質和幾何尺寸有關。 4.1.3接地體表面與土壤的接觸電阻，其阻值與土壤的性質、顆粒、含水量及土壤與接地體的接觸面和接觸的緊密程度有關。 4.1.4散流電阻是從接地體開始向遠處（20米）擴散電流所經(jīng)過的路徑土壤電阻，決定散流電阻的主要因素是土壤的含水量。 接地電阻雖由四部分構成，但前兩部分所占接地電阻的比例較小，起決定作用的是接觸電阻和散流電阻。故降低接地電阻應從這兩部分開展工作，從接地體的最佳埋設深度、不等長接地體技術及化學降阻劑等方面來討論降低接觸電阻和散流電阻的方法。 垂直接地體的最佳埋設深度，是指能使散流電阻盡可能小，而又易達到的埋設深度。決定垂直接地體最佳深度，應考慮到三維地網(wǎng)的因素，所謂三維地網(wǎng)是指接地體的埋設深度與接地網(wǎng)的等值半徑處于同一數(shù)量級的接地網(wǎng)（即埋設深度與等值半徑之比大于1/10）。在可能的范圍內埋設深度應盡可能取最大值，但并不是埋設深度越深越好，如果把垂直接地體近似為半球接地體，其電阻為： R=ρ/2πr =ρ/2πL 式中、ρ—土壤電阻率； L—垂直接地體的埋設深度。 從式中可見，R與L成反比，為使R減小，L越大越好，但對上式偏微分： aR/aL=-ρ/2πL2 可以得出，隨著L的增大，降阻率aR/aL與L2成反比下降，就是當增大L到一定程度后，基本上呈飽和狀態(tài)，降阻率已趨近于零。垂直接地體的最佳埋設深度不是固定的，在設計中應按接地網(wǎng)的等值半徑，區(qū)域內的地質情況來確定，一般取3.5～1.5米之間為宜。 4.2不等長接地體技術 由于在接地網(wǎng)中各單一接地體埋設的間距，一般僅等于各單一接地體長度的兩倍左右，此時電流流入各單一接地體時，受到相互的制約而阻止電流的流散，即等于增加了各單一接地體散流電阻，這種影響電流流散的現(xiàn)象，成為屏蔽作用。如圖3所示：由于屏蔽作用，接地體的散流電阻并不等于各單一接地體散流電阻的并聯(lián)值，此時，接地體組的散流電阻為： Ra=RL/nη 式中RL—單一接地體的散流電阻； n—接地體組并聯(lián)單一接地體的根數(shù)； η—接地體的利用系數(shù)，它與接地體的形狀和位置有關。 從理論上說，距離接地體20米處為電氣上的“地”，即兩接地體間距大于40米時，可以認為接地體的利用系數(shù)η為1.在接地網(wǎng)的接地體的布置上，是很難作到兩個單一接地體相距40米，為解決在設計實踐與理論分析中的矛盾，采取不等長接地體技術，能取得良好的效果。不等長接地體技術，即為各垂直接地體的長度各不相等，在接地體的布置上，采取垂直接地體布置為兩長一短或一長兩短，以使接地體組間的屏蔽作用減小到最小程度。不等長接地體技術，從理論上到實踐中應用，都較好地解決了多個單一接地體間的屏蔽作用問題，以提高各單一接地體的利用系數(shù)，降低接地體組的散流電阻。 4.3化學降阻劑的應用 化學降阻劑的降阻機理是，在液態(tài)下從接地體向外側土壤滲出，若干分鐘固化后起著增大散流電極接觸面積的作用，因降阻劑本身是一種良好的導體，將它使用于接地體和土壤之間，一方面能夠與金屬接地體緊密接觸，減小接地體與土壤的接觸電阻，形成足夠大的電流流通截面。另一方面，它能向周圍的土壤滲透，降低土壤的電阻率，在接地體周圍形成一個變化的低電阻區(qū)域，從而顯著擴大接地體的等效直徑和有效長度，對降低接觸電阻及散流電阻有著明顯效果。如JZG—02型長效防腐降阻劑的使用壽命可達20年以上，在其壽命周期內性能穩(wěn)定，不需要維護保養(yǎng)，仍能具有良好的電解質性能和吸水性，保持其良好的物理化學機理。 接地的設計，要根據(jù)UPS裝置的技術要求和所處的地區(qū)的地理、地質條件，采取不同的措施，以最高的性能價格比來設計其接地，在設計中應采用新技術和新材料。因“接地工程學”是一門多學科的邊緣學科，它涉及到地質、電磁場理論、電氣測量、應用化學、鉆探技術、施工技術等多門學科，故仍需要在今后的工作中去研究，在實踐中不斷的探索，以確保電源裝置的安全可靠運行。 5.接地電阻測量方法 影響接地電阻的因素很多：接地極的大小（長度、粗細）、形狀、數(shù)量、埋設深度、周圍地理環(huán)境（如平地、溝渠、坡地是不同的）、土壤濕度、質地等等。為了保證設備的良好接地，利用儀表對接地電阻進行測量是必不可少的，接地電阻的測量方法可分為：電壓電流表法；比率計法；電橋法。按具體測量儀器及布極數(shù)可分為：手搖式地阻表法；鉗形地阻表法；電壓電流表法；三極法；四極法。在此主要介紹電壓電流表法。 5.1電壓電流表法 電壓電流表測量接地電阻法見圖4.圖中的電流輔助極是用來與被測接地電極構成電流回路，電壓輔助極是用來測得被測接地電位。采用該方法保證測量準確度的關鍵在于電流輔助極和電壓輔助極的位置要選擇適合。如在輔助電流極以前，電壓表已有讀數(shù)，說明存在外來干擾。 按DL475-92《接地裝置工頻物性參數(shù)的測量導則》規(guī)定，當大型接地裝置如110kV以上變電所接地網(wǎng)，或地網(wǎng)對角線D≥60m需要采用大電流測量，施加電流極上的工頻電流應≥30A，以排除干擾減少誤差。 5.1.1電壓電流三極直線法。電壓電流三極直線法是指電流極和電壓極沿直線布置，三極是：被測接地體、測量用電壓極和電流極，其原理接線如圖5所示。一般d13=（4～5）D，d12=（0.5～0.6）d13，D為被測接地裝置最大對角線長度，點2可以認為是處于的零點位。根據(jù)測量導則（DL475-92），如d13取（4～5）D有困難，而接地裝置周圍的土壤電阻率又比較均勻時，d13可以取2D，d12取D值。測量步驟如下： ①按圖4接線。 ②記錄初始的電壓值V0. ③通電后，記錄電流值I1、電壓值V1. ④將電壓極沿接地體和電流極連接方向前后移動3次，每次移動的距離為d13的5%，記錄每次移動后的電流和電壓數(shù)值，取3次記錄的電壓和電流值的算術平均值，作為計算接地體的接地電阻的電壓和電流值。 5.1.2電壓電流三極三角形法。電極如圖6所示布置，一般取d13=d12≥2D，夾角θ≈30度（或d23=1/2d12），測量步驟與電壓電流三極直線法相同。 5.2手搖式地阻表測量原理 手搖式地阻表是一種較為傳統(tǒng)的測量儀表，它的基本原理是采用三點式電壓落差法，其測量手段是在被測地線接地極（暫稱為X）一側地上打入兩根輔助測試極，要求這兩根測試極位于被測地極的同一側，三者基本在一條直線上，距被測地極較近的一根輔助測試極（稱為Y）距離被測地極20米左右，距被測地極較遠的一根輔助測試極（稱為Z）距離被測地極40米左右。測試時，按要求的轉速轉動搖把，測試儀通過內部磁電機產生電能，在被測地極X和較遠的輔助測試極（稱為Z）之間“灌入”電流，此時在被測地極X和輔助地極Y之間可獲得一電壓，儀表通過測量該電流和電壓值，即可計算出被測接地極的地阻。 5.2.1鉗形地阻表測量原理。鉗形地阻表是一種新穎的測量工具，它方便、快捷，外形酷似鉗形電流表，測試時不需輔助測試極，只需往被測地線上一夾，幾秒鐘即可獲得測量結果，極大地方便了地阻測量工作。鉗形地阻表還有一個很大的優(yōu)點是可以對在用設備的地阻進行在線測量，而不需切斷設備電源或斷開地線。 雖然鉗形地阻表測試時使用一定頻率的信號以排除干擾，但在被測線纜上有很大電流存在的情況下，測量也會受到干擾，導致結果不準確。所以，按照要求，在使用時應先測線纜上的電流，只有在電流不是非常大時才可進一步測量地阻。有些儀表在測量地阻時自動進行噪聲干擾檢測，當干擾太大以致測量不能進行時會給出提示。 5.3地阻表測量注意事項 從上面的介紹可以看出，鉗形地阻表和手搖式地阻表的測量原理完全不同。手搖式地阻表在使用時，應將接地極與設備斷開，以避免設備自身接地體影響測量的準確性，手搖式地阻表可獲得較高的精度，而不管是單點接地和多點接地系統(tǒng)；對于鉗形地阻表，其最理想的應用是用在分布式多點接地系統(tǒng)中，此時應對接地系統(tǒng)的所用接地極依次進行測量，并記錄下測量結果，然后進行對比，對測量結果明顯大于其它各點的接地樁，要著重檢查，必要時將該地極與設備斷開后用手搖式地阻表進行復測，以暴露出不良的接地極。 在單點接地系統(tǒng)中應慎用鉗形地阻表，從它的工作原理中可以看出：鉗形地阻表測出的電阻值是回路中的總電阻，只有Rx＞＞1／（1/R1 1/R2 .。。 1/Rn ）時，該阻值才近似于我們要測的接地極地阻，而這個條件，在很多情況下，尤其是在單點接地系統(tǒng)中是不滿足的。對于已埋設好而尚未與設備連接的開路接地極，其地阻根本不能用該儀表進行測量。鉗形地阻表在使用中應注意以下幾點： ①注意是否單點接地，被測地線是否已與設備連接，有無可靠的接地回路。開路接地極，不能測量；接地回路不可靠，測量結果不準確（偏高）。 ②注意測量位置，選取合適的測量點；選取的測量點不同，測得的結果是不同的，測量有時會遇到無處可夾的情況，在條件允許的情況下，可暫斷開原地線連線，臨時接入一段可夾持的跳線進行測量。 ③注意“噪聲”干擾；地線上較大的回路電流對測量會造成干擾，導致測量結果不準確，甚至使測試不能進行，很多儀表在這種情況下會顯示出“Noies”或類似符號。論文出處(作者):論體育場照明及電氣控制設計
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