低阻抗接地網(wǎng)的設(shè)計與施工

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　　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(gòu)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(guān)鍵詞：接地系統(tǒng)　　構(gòu)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(shè)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(nèi)有關(guān)規(guī)程也不夠明確和統(tǒng)一，國外用電設(shè)備廠商對接地系統(tǒng)的要求也不盡相同，但對用電設(shè)備必須可靠接地的認(rèn)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(shè)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(hù)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(yīng)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(dāng)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(guān)規(guī)程提到若把直流地（邏輯地）防雷地分離時，其間距離應(yīng)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(jié)構(gòu)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)和lTU相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中均不提單獨接地，國標(biāo)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(nèi)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(chǎn)生閃絡(luò)的可能，接地電阻更小。

　　在共用接地系統(tǒng)基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步把整個機房設(shè)計成一個等電位準(zhǔn)“法拉第籠”，圖1為建筑物“籠式”結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)小于1Ω，為減少外界電磁干擾，建筑物鋼筋、金屬構(gòu)架均應(yīng)相互焊接形成等電位準(zhǔn)“法拉第籠”。這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，不同層接地母線之間可能還有電位差，應(yīng)用時仍要注意。

　　2.1共用接地系統(tǒng)構(gòu)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(kuò)散和均衡電位而設(shè)置的與土壤物理結(jié)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(chǔ)部分混凝土內(nèi)的鋼筋和圍繞建筑物四周敷設(shè)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(yīng)有足夠的導(dǎo)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(nèi)分布設(shè)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。

　?、俅怪苯拥乜倕R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(jié)構(gòu)。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。

　?、谒浇拥胤謪R集線：分層設(shè)置，各通信設(shè)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(nèi)各類需要接地的設(shè)備與水平接地分匯集線之間的連線。其截面積應(yīng)根據(jù)可能通過的最大電流確定，并不準(zhǔn)使用裸導(dǎo)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(dǎo)體的電位升高，經(jīng)地線反擊到電子設(shè)備，使設(shè)備出現(xiàn)過電壓。地線反擊也屬傳導(dǎo)性干擾，對微電子設(shè)備也會造成很大的危害，而這也是造成設(shè)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(guān)系，接地沖擊電阻越小，反擊電壓也就越低給設(shè)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(shè)備外殼帶上了高壓。而計算機設(shè)備又是經(jīng)過信號線或電源線引至遠(yuǎn)端的零電位點。于是升高的外殼電位便在設(shè)備的平衡電位縱向絕緣上出現(xiàn)高壓，并可能導(dǎo)致絕緣被擊穿。為此大樓進(jìn)線應(yīng)用金屬護(hù)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(hù)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(zhì)的絕緣水平，使其不被過電壓擊穿。隔離，如在電源進(jìn)線上，加1∶1的隔離變壓器，使用電設(shè)備與供電電源沒有電氣上的連接，相當(dāng)于將反擊電壓轉(zhuǎn)移到隔離變壓器的初線和機殼之間，從而保護(hù)了設(shè)備的安全，見圖2.信號線側(cè)亦可采用類似措施。分流限幅，其實就是利用縱向保護(hù)，當(dāng)大樓提高了電位之后，啟動線路防雷器的縱向保護(hù)元件，把沖擊電流引到線路上。因地電位的提高，實際上相當(dāng)于從線路進(jìn)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(hù)，在這種情況也起保護(hù)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(yīng)該安裝防止縱、橫向瞬間過電壓的保護(hù)設(shè)備。采用共用接地后，有可能因設(shè)計或施工不合理，在設(shè)備之間產(chǎn)生干擾，應(yīng)該引起注意，并應(yīng)采取相應(yīng)措施予于消除。

　　處于不同接地點的電子設(shè)備（不在一幢大樓內(nèi)的電子設(shè)備，很可能就不是一個接地點）。彼此互連時應(yīng)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(chǎn)生的瞬變電磁場，會在建筑物內(nèi)信號線路接口處產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓，此過電壓大小與布線走向等有關(guān)，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(gòu)成

　　接地裝置的接地電阻由以下幾部分構(gòu)成：

　　4.1.1接地引線電阻，是指由接地體至需接地設(shè)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(zhì)有關(guān)。

　　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(zhì)和幾何尺寸有關(guān)。

　　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(zhì)、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(guān)。

　　4.1.4散流電阻是從接地體開始向遠(yuǎn)處（20米）擴(kuò)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(gòu)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(yīng)從這兩部分開展工作，從接地體的最佳埋設(shè)深度、不等長接地體技術(shù)及化學(xué)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(shè)深度，是指能使散流電阻盡可能小，而又易達(dá)到的埋設(shè)深度。決定垂直接地體最佳深度，應(yīng)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(shè)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(shè)深度與等值半徑之比大于1/10）。在可能的范圍內(nèi)埋設(shè)深度應(yīng)盡可能取最大值，但并不是埋設(shè)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(shè)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(dāng)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(shè)深度不是固定的，在設(shè)計中應(yīng)按接地網(wǎng)的等值半徑，區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)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(shù)

　　由于在接地網(wǎng)中各單一接地體埋設(shè)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(guān)。

　　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(rèn)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(shè)計實踐與理論分析中的矛盾，采取不等長接地體技術(shù)，能取得良好的效果。不等長接地體技術(shù)，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(shù)，從理論上到實踐中應(yīng)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(xué)降阻劑的應(yīng)用

　　化學(xué)降阻劑的降阻機理是，在液態(tài)下從接地體向外側(cè)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(dǎo)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(kuò)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(dá)20年以上，在其壽命周期內(nèi)性能穩(wěn)定，不需要維護(hù)保養(yǎng)，仍能具有良好的電解質(zhì)性能和吸水性，保持其良好的物理化學(xué)機理。

　　接地的設(shè)計，要根據(jù)UPS裝置的技術(shù)要求和所處的地區(qū)的地理、地質(zhì)條件，采取不同的措施，以最高的性能價格比來設(shè)計其接地，在設(shè)計中應(yīng)采用新技術(shù)和新材料。因“接地工程學(xué)”是一門多學(xué)科的邊緣學(xué)科，它涉及到地質(zhì)、電磁場理論、電氣測量、應(yīng)用化學(xué)、鉆探技術(shù)、施工技術(shù)等多門學(xué)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(xì)）、形狀、數(shù)量、埋設(shè)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(zhì)地等等。為了保證設(shè)備的良好接地，利用儀表對接地電阻進(jìn)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(gòu)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(zhǔn)確度的關(guān)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(dǎo)則》規(guī)定，當(dāng)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(yīng)≥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(rèn)為是處于的零點位。根據(jù)測量導(dǎo)則（DL475-92），如d13?。?～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：

　?、侔磮D4接線。

　?、谟涗洺跏嫉碾妷褐礦0.

　?、弁姾螅涗涬娏髦礗1、電壓值V1.

　?、軐㈦妷簶O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(shù)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(cè)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(cè)，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(yuǎn)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(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動搖把，測試儀通過內(nèi)部磁電機產(chǎn)生電能，在被測地極X和較遠(yuǎn)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(jié)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(shè)備的地阻進(jìn)行在線測量，而不需切斷設(shè)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(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。所以，按照要求，在使用時應(yīng)先測線纜上的電流，只有在電流不是非常大時才可進(jìn)一步測量地阻。有些儀表在測量地阻時自動進(jìn)行噪聲干擾檢測，當(dāng)干擾太大以致測量不能進(jìn)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(yīng)將接地極與設(shè)備斷開，以避免設(shè)備自身接地體影響測量的準(zhǔn)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(yīng)用是用在分布式多點接地系統(tǒng)中，此時應(yīng)對接地系統(tǒng)的所用接地極依次進(jìn)行測量，并記錄下測量結(jié)果，然后進(jìn)行對比，對測量結(jié)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(shè)備斷開后用手搖式地阻表進(jìn)行復(fù)測，以暴露出不良的接地極。

　　在單點接地系統(tǒng)中應(yīng)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(shè)好而尚未與設(shè)備連接的開路接地極，其地阻根本不能用該儀表進(jìn)行測量。鉗形地阻表在使用中應(yīng)注意以下幾點：

　?、僮⒁馐欠駟吸c接地，被測地線是否已與設(shè)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(jié)果不準(zhǔn)確（偏高）。

　?、谧⒁鉁y量位置，選取合適的測量點；選取的測量點不同，測得的結(jié)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(jìn)行測量。

　?、圩⒁?ldquo;噪聲”干擾；地線上較大的回路電流對測量會造成干擾，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確，甚至使測試不能進(jìn)行，很多儀表在這種情況下會顯示出“Noies”或類似符號。