恶劣地质环境的防雷接地技术研究

恶劣地质环境的防雷接地技术研究

周金良 罗孟 聂武夫

（湖南省岳阳市气象局， 414000）

【摘要】本文分析了高土壤电阻率环境条件下降低接地电阻的技术思路；指出改善接地体周围有效电阻区域的导电性能是恶劣土质环境下降低接地电阻的可行技术措施；提出了深井离子接地系统为核心的接地技术；讨论了深井离子接地系统的综合降阻功能及在实践中的应用。

【关键词】接地；降阻；离子接地体

1 引言

从1754年美国富兰克林发明避雷针开了接地技术的先河，以后陆续出现了工作接地、防静电接地、屏蔽地、保护地等等不同目的的接地^【1】。随着社会的发展，尤其是微电子技术和微机设备在各个领域中的广泛应用，传统的接地方法己不能适应各行各业的要求。在接地工程中如何有效地降低接地电阻并使接地装置可以长期稳定的运行，己成为接地工程技术人员共同关心的课题。在各国工程技术人员长期的努力下，接地技术取得了长足的进步，各种新型降阻技术、新型接地装置、新型降阻剂不断涌现并得到实际应用^{【2】【3】}。

近年来我国经济迅猛发展，电力、石油、交通、通讯设施建设加快。基础设施很多都提出了较高的接地要求，其中较多设施是建设在高土壤电阻率的多岩地区，可供做地网的面积十分有限，同时，城市土地价格日益高涨。高土壤电阻率地区，怎样在较小的地网面积上做好接地系统、达到设计要求，成为一个非常紧迫的工程难题。

2 降低接地电阻的基本技术方法

根据接地电阻的基本理论^【4】：最简化的地网接地电阻计算公式如下：

（1）

其中：R是地网接地电阻，ρ是土壤电阻率，S是地网面积

从公式（1）可以看出：地网接地电阻与地网面积S的平方根成反比、与土壤电阻率ρ成正比。即降低接地电阻的有效方法是扩大地网面积和降低土壤电阻率。在实际工程中往往不可能有足够的土地和资金用于扩大地网面积。举一个典型的例子：如果现有地网面积为5000mm²（50m×100m），其接地电阻为16Ω，要求将接地电阻降为1Ω，如果采用增大地网面积的方法降低接地电阻，根据公式（1），地网面积须扩大为现有地网面积的256倍，即1280000m²，在实际中这几乎是不可能的。

在地网面积一定时，为了降低接触电阻通常用增加常规垂直接地体及加密地网水平网格的办法。理论及实践均证明其作用十分有限。当增加常规垂直接地体，即使数量很多，多数情况仅能使接地电阻减小百分之二十到三十。而使用加密网格的办法降阻效果较小，地网的水平网格的设计，更多的是考虑其均压和等电位作用，有时更直接地称为均压网格。

另一条降低接地电阻的措施就是降低土壤电阻率ρ。降低土壤电阻率的方法较多，最常用换土法，这种方法虽有效果，但对大中型地网由于工程量太大而很少采用。

3. 恶劣土质环境降低地网接地电阻的基本思路

3.1 半球状接地电极的接地电阻

半径为r（m）的半球状接地电极被埋设在地表面下，周围是均质土壤，电阻率为ρ（Ω.m）。入地电流通过半球状接地电极以放射状散流到大地中。假定一个与半球状接地电极同心的半径为x的半球，再假定一个在地中与半球电极同心的，半径为x+dx的半球。那样，在地中可切出内径为x厚度为dx的碗状部分。

接地电流由此碗的内面向外面流出。此碗的电阻值为dR

…………… （2）……

这样的电阻体可考虑是从半球状接地电极的表面（x=r）到无限远方（x→∞）串联的。接地电阻R等于把dR从 x-r到 ∞积分的值。

（3）

3.2 半球状接地电极接地电阻的电阻区域

积分（2）式，假定离电极中心的距离至r1，被包含在地中的电阻为R1。

（4）

由（3）式，取R1和R之比α为

（5）

表1列出的是基于上式以r1和α的关系计算的结果。r1是以r的倍数表示。

从表1看出，随离电极的距离r1增加，在全电阻R之中，到达r1的地中R1会顺序增加。电阻的增加，开始比较快速，之后增加的程度变小。严格的讲，距离不无限大，就不包含全部电阻。实用中，因为接地电阻的大部分是包含电极附近。把那个部分称为电阻区域。半球状接地电极的场合，如电阻区域为到达2r的区域包含全电阻的50%。电阻区域为到达5r的区域包含全电阻的80%。

表1 r₁和α的关系

3.3 棒状电极接地电阻的电阻区域

对其它形状的电极，则需引入 “等值半径” 的概念。

把棒状电极视为扁长旋转椭圆体的极端情况。即r远小于L，焦点间距离的一半a≈L。 扁长椭圆体成为长２L、直径2r的细棒。焦点在它的两端。

棒状电极的接地电阻Ｒ由扁长旋转椭圆体的接地电阻公式得出：

（全空间） （6）

由地表面打入深度达L，半径为r的棒状电极的接地电阻Ｒ，可作为半空间问题：

（半空间） （7）

把与棒状电极（半空间）接地电阻相等的半球状接地电极作为棒状电极的等值半径。设这个等值半径为R’,由半球状电极的接地电阻公式,

（8）

可得棒状电极的等值半径:

(半空间) （9）

对最常用的垂直接地体的等值半径进行了计算，见表2。

表2 不同接地体的等值半径

3.4 恶劣土质环境降低地网接地电阻的基本思路

实用中，因为接地电阻的大部分是包含电极附近。在接地体等值半径2倍范围内的土层占接地电阻的一半；接地体等值半径5倍范围内的土层占接地电阻的百分之八十。如果将r至2r或r至5r范围内的土壤电阻率降低，就可以使接地体的接地电阻大大降低。可以取得费省效宏的结果。

4 深井ALG防腐离子接地系统

4.1 深井ALG防腐离子接地系统

根据上述分析，在地网面积较小的情况下要实现最大的接地降阻效果，仅靠加密地网水平网格和增加垂直接地体数量的办法，其效果有限。应把单根垂直接地体的接地电阻最大限度降低。特别是通过综合性降阻技术，包括改善接地体有效电阻区域介质电阻率等措施，使单根垂直接地体接地电阻最小。在工程实践中我们研制了新型ALG离子接地系统。

材料选择：接地体材料选用优质紫铜，具有极佳的导电性。内外均使用军工技术进行防腐处理，预期使用寿命达到60年；不含危险材料或腐蚀性化学品；为实现持久降阻目标，首先要解决的是化学降阻在降阻与腐蚀的正负功效中的负面影响，接地极的抗腐蚀是事关重要的，紫铜电阻率低（ρ﹤10-4Ω.m）、腐蚀率小（10 μm/y），相对磁导率（μ﹤10）也远小于普通钢材磁导率（μ﹥200），有利于降低高频雷电感应的强度，这对微电子系统尤为重要。

离子接地装置的结构：离子接地装置结构管式接地极内外加有填充剂。外填充剂主要是采用低电阻、高渗透扩展的高能回填料，施工时用水调浆浇灌于接地极周围。内填充剂遇水电离出离子向接地极周围土壤渗透改善其导电性，渗透范围逐渐扩大，这时的导电离子在接地极表面的减少，就由预先管内装有特殊填充剂来补充。管内填充剂具有很高的吸湿性，能吸收大气中的水份形成液体，通过极管的下端管壁呼吸口与管外连通，管的上端通过呼吸孔与大气连通。当土壤中水份不足时，利用呼吸孔的作用吸收大气中水份与管内填充剂形成溶液向土壤渗透补充；当土壤中水份充足时，充分地吸收土壤中的水份，使填充剂增湿储存缓释导电离子形成水系动平衡。棒体配套的高能回填料具有极强的导电泻流能力和极强的保持水分的能力（调浆后电阻率0.4～1.2Ω.m）、防腐能力强、接触电阻低（颗粒大小只有200目）。由于高能回填料的渗透并形成枝状低阻通道，在ALG防腐离子接地极和大地之间建立电气连接。改善了接地体有效电阻区域介质电阻率，从而大大的降低了接地电阻值。

接地体配套接地检测井在保护棒体的同时方便定期进行地网性能检测。防护罩可以有效保护接地系统。直接有效物理垂直承重5吨以上。引出线与棒体经SUNLIGHT放热焊接充分连接，连接更牢固，安装更方便。

4.2 深井ALG防腐离子接地系统与普通深井接地的比较：

①深井ALG防腐离子接地系统由于使用紫铜，而普通深井大部使用普通钢管，前者的耐腐蚀性能力和导电能力都优于后者；

②深井ALG防腐离子接地系统的降低接地电阻的原理是基于增加介质湿度和导电离子以及改善接地体有效电阻区域土壤导电能力的综合性作用，而后者主要起普通接地捧的作用，前者的降阻效果大大优于后者；

③对于难度特别大的接地工程，特制9米深井离子接地系统，由于加大了钻孔直径，增加了高能回填料数量，接地体直径比常规离子接地体大，当量体积为常规离子接地体的5-10倍；

④为了确认9米深井防腐离子接地体其实际降阻效果，在深圳某工地进行了现场试验，优化技术细节。结果在土壤电阻率超过700欧.米条件下获得：

单根9米深井ALG防腐离子接地体，接地电阻9.5—16.0欧姆。

单根30米深井的φ50钢管接地极，接地电阻为23.5—32.0欧姆；

单根3米铜包钢接地体，接地电阻值为120—230欧姆。

5 结论

高土壤电阻率环境条件下仅依靠扩大地网面积及增加普通垂直接地体、加密均压网格耒达到接地电阻要求是十分困难的。深井离子接地系统的综合降阻功能，特别是改善接地体周围有效电阻区域的导电性能是解决恶劣土质环境接地电阻的可行技术措施。本文提出了恶劣土质环境下降低接地电阻的可行工程技术方法。

参考文献

【1】梅卫群、江燕如 《建筑防雷工程与设计》气象出版社2004年3月第一版

【2】李景禄 《接地装置的运行与改造》中国水利水电出版社2005年5月第一版

【3】寇承平“化学分析降阻剂接地降阻性分析”《建材工业技术》1994年第9卷

【4】DL/T 621 《交流电气装置的接地》