接地棒的接地电阻与有效长度的计算

上海城投水务集团制水分公司 王星楠



接地棒的接地电阻与有效长度的计算

上海城投水务集团制水分公司 王星楠

【摘要】接地电阻的性能好坏将直接影响电力系统的稳定运行以及设备、人身安全。对接地电阻的准确测量对于保护电力系统中的设备和人身安全具有重要的意义。文章首先对工频接地电阻的常用测量方法以及计算方法进行了介绍，还对冲击接地电阻进行介绍并针对国标中对冲击接地电阻以及有效长度的定义存在的问题和偏差进行了分析。文章利用计算公式，考虑了雷电流入地时产生的火花效应以及电感效应的影响，以人工垂直接地极为例，根据计算结果模拟出影响冲击接地电阻的各类因素与冲击接地电阻的关系，对冲击电阻的特性进行了分析。

【关键词】防雷；接地；冲击接地电阻；火花效应

1 引言

雷电是一种强烈的大气放电现象，自古以来就是威胁人类生命财产的一大自然灾害。每年我国会有上万人因雷击事故而伤亡，并给国家和个人造成巨大的财产和经济损失。

本文旨在通过人工垂直接地极接地电阻的计算公式和人工接地极的冲击系数，得出影响冲击接地电阻各种因子之间的关系，并利用两个不同的换算公式，对计算模拟出的图形进行比较分析，使对冲击接地电阻有一个较全面的认识，这对指导防雷接地检测和防雷接地工程实践具有重要的意义。

2 接地系统及其概念

全国雷电防护标准化技术委员会制订《信息系统雷电防护术语》国家标准对接地电阻采用的定义是：“接地极与电位为零的远方接地极之间的欧姆定律电阻”，它实质上就是接地电流在土壤中散流时土壤所呈现的电阻［1］。它包括接地线和接地体本身的电阻、接地体与大地之间的接触电阻以及接地体与电位为零的远方接地体之间土壤的电阻。通常情况下，由于后者电阻比前三部分电阻大的多，所以接地电阻主要指两个相隔很远的接地体之间土壤的电阻。有时为了计算方便，同时又能保证工程所需精度，可以认为电流从接地体流向无限远处。一般的，接地电流 I 流入接地电极，接地电极的电位比接地电流流入前升高U，把 U/I 定义为接地电极的接地电阻。［2］

3 接地电阻的计算

3.1 工频接地电阻的计算

根据GB50065—200X交流电气装置的接地设计规范对垂直接地极的工频接地电阻的规定，可利用下式计算，当l＞＞d时：

式中：

Rg——垂直接地极的接地电阻，Ω；

l ——垂直接地极的长度，m；

通过分析以及计算公式可以明显的发现，土壤电阻率与工频接地电阻的阻值呈正比，土壤电阻率越高，则接地体得电阻也会变得越大，那么在高土壤电阻率的土壤环境下，我们如何去确保接地电阻的阻值达到规定范围呢？答案是人工改造。对于高土壤电阻率的改造，有如下几种方法：

1）深埋法：适用于接地电阻随接地体埋在地下的深度增加而减小的土层，如含砂土壤区。不足点就是施工较麻烦。

2）深井接地法：使用钻机钻孔，将钢管埋入井内后，再向管内和井内注入泥浆后。此法适用于深埋法都达不到接地电阻要求的土壤，由于避雷接地体受有效长度限制，一般不用此法作避雷接地。

3）外引接地法：利用接地装置附近有导电良好（电阻率较小）的土壤，采用外引接地。

3.2 冲击接地电阻的计算

冲击电流或雷电流通过接地体流向大地时，接地体呈现的电阻叫冲击接地电阻，冲击接地电阻与工频接地电阻不同，其主要原因是冲击电流的幅值可能很大，会引起土壤放电，而且冲击电流的等效频率又比工频高得多，当冲击电流进入接地体时，会引起一系列复杂的过渡过程，每有一瞬间接地体呈现的有效电阻值都有可能有所不同，而且接地体上最大电压出现的时刻不一定就是电流最大的时刻。

为了使冲击接地电阻Rch有一明确的定义，通常令：

由于Um和Rch出现的时刻可能不同，所以Rch并无实际上的物理意义（因电感作用，冲击电压幅值Um一般出现在电流幅值Im之前），但是这一定义在工程上使用很方便，因为我们感兴趣的是在一定的Im下接地体上的最大电压Um是多少，而这在Rch已知的条件下马上可以算出来。很明显，这样的公式以及算法是有缺陷的即便是通过换算系数换算出了冲击接地电阻，由于公式本身的缺陷，也存在较大误差，因此检测报告中关于接地电阻数据的可靠性值得斟酌。

3.3 冲击接地电阻的计算以及与各因素之间的关系

通过3.2的分析，我们取工程中常用的角钢作为垂直接地极角钢的截面尺寸：50mm×50mm×5mm可得到：

根据式3，下面通过计算来分析各因素对冲击接地电阻的影响情况。

随着土壤电阻率的增加，冲击系数变小。当土壤电阻小于500Ω·m时，土壤良好，在这个范围内，随着土壤电阻率的增加，冲击系数减小很快，土壤电阻率大于500Ω·m 时，冲击系数趋于稳定。综合公式，比较工频接地电阻与冲击接地电阻的阻值，如图1所示。

图1 不同土壤电阻率下工频接地电阻与冲击接地电阻阻值的比较

根据图1可知，工频接地电阻随着土壤电阻率的增加呈线性变化，而冲击接地电阻，在土壤电阻率较小时，冲击电阻随电阻率的增加而增加的速度快于工频接地电阻增加的速度，因此冲击系数大于1，但土壤电阻率较大时，则冲击接地电阻变化速度减慢，此时冲击系数小于1。

3.4 有效长度计算

冲击电流幅值越大，有效长度越小，这是因为接地极在冲击电流作用下，如果冲击电流的波头时间不变，则冲击电流幅值越大，接地极的电感作用就越大，则有效长度就越小［8］。另外土壤电阻率越大，则接地极的有效长度就越长，这是因为土壤电阻率越大，就越阻碍接地极从靠近入地端向土壤中散流，冲击电流只能流向接地极末端，这样就增大了接地极的有效长度。有效长度的增加直接体现在冲击接地电阻变大。根据影响接地极有效长度的因素，普通垂直接地极的有效长度可以定义如下：

那么根据两式我们分别进行计算并比较，可以得到结果：由式4计算出的有效长度随着土壤电阻率的增大，其值远大于式5计算出的有效长度。这就意味着，式5没有考虑火花效应，要达到同样的冲击接地电阻值，将比式4采用更多的接地材料。

3.5 计算结果与数据分析

分析前几节的数据，图表和一些结论，可以知道：

1）接地体尺寸对于冲击接地电阻有明显影响，冲击接地电阻随接地体尺寸的变大而减小，且接地体尺寸越大，冲击接地电阻随电流幅值变化率增大；

2）不同土壤电阻率以及接地体尺寸条件下，冲击接地电阻随冲击电流幅值增大的呈现出相似的规律：急剧下降-变化率降低-逐渐平稳；

3）在同一接地体结构尺寸下，冲击接地电阻随土壤电阻率变化很大，且土壤电阻率越大，冲击接地电阻随电流幅值变化率越大；

4）考虑火花效应，通过公式得到的冲击接地电阻值同不考虑火花效应相比差别非常大，并且冲击接地电阻不再近似为一个常数，而是随注入电流的幅值变化而变化，呈现出明显的非线性。

防雷是一个永久话题，仍在不断发展中。防雷技术还有许多待探索的东西，目前雷云起电的机理还不清楚，雷电感应的定量研究也很薄弱，因此防雷接地也在发展中，一些防雷接地领域所声称的新发现，需以科学的态度在实践中检验，在理论上发展完善。由于雷电本身是小概率事件，需要大量长期的统计分析才能得到有益的结果，这需要各方的通力合作才能实现。

参考文献

［1］陈先禄，刘渝根，黄勇.接地［M］.重庆﹕重庆大学出版社，2002，7.

［2］虞昊.现代防雷技术基础（第二版）［M］.北京﹕清华大学出版社，2005，2.

［3］陈先禄，刘渝根，黄勇.接地［M］.重庆﹕重庆大学出版社，2002，7.