土壤结构和雷电流冲击电阻的关系

李雪，孟陈 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

0 引言

接地装置应能够承受电力装置短路电流和雷电流的冲击，以保证电力系统的正常运行和建筑物的安全。雷电流经接地装置向大地中散流时，仅在电流注入点附近作用，造成接地网部分局部电位很高，可能会产生超出人类安全范围的跨步电压和接触电压。因此需要对雷电流的冲击特性进行研究，而反映冲击特性的重要指标就是冲击接地电阻，它与接地装置所处的土壤电阻率密切相关。我国地域辽阔，随着纬度的变化，土壤电阻率也随之改变，同时也存在土壤不均匀的情况。本文将分别分析均匀和非均匀土壤电阻率的情况下的冲击接地电阻。由于冲击接地电阻计算量大，实际工程中，一般先计算出工频接地电阻，再根据一定的关系，计算出冲击接地电阻。

1 接地电阻的定义和接地装置材质选择

1.1 接地电阻的定义

接地电阻是指在已知频率下，系统、装置或设备的指定点与参考地之间的电阻。它包含两部分，一部分为接地导体及接地极的电阻；另一部分为接地极周围土壤的散流电阻。通过测量得知，接地导体、接地极的电阻值很小，可忽略不计，所以接地电阻一般是指散流电阻。电气接地系统中，通常情况下存在两种类型的电流分别为工频电流和冲击电流（雷电流），前者在土壤中产生的电阻成为工频电阻，后者为冲击电阻。雷电流可以在接地极附近形成很强的电场，将土壤击穿并产生火花，相当于增加接地极截面，从而减少冲击接地电阻；另外由于雷电流具有高频特性，使得接地极本身电抗增大，电阻减小，冲击接地电阻小于工频接地电阻。工频接地电阻和冲击接地电阻均和土壤结构类型密切相关，一般通过先计算工频电阻，再通过数学模型，得到冲击接地电阻。

1.2 接地装置的选择

接地极分为自然接地极和人工接地极。自然接地极是指建筑物内的各种金属构件、设备基础的钢筋等兼做接地极使用，直接与大地有直接接触的可导电部分；人工接地极是为建筑物或基础电气服务设施专门设置的接地极。自然接地电阻比人工接地电阻小得多，两者相互作用后可以忽略不计，本文计算直接得到的均为人工接地极工频接地电阻。接地极的材料和尺寸选择应满足《交流电气装置的接地设计规范》（GB/T50065-2011）第8.12条的规定，这里不再说明。

2 土壤电阻率

土壤电阻率与导入电流的频率有关，随着频率的升高而减少，具有频变特性。同时，也与土壤的类型、含水量、温度、土壤颗粒大小等密切相关。建筑工程设计中，一般以实测值作为设计依据，目前普遍采用Wenner法测量土壤的电阻，然后经过反演得到等效的土壤模型。Wenner法测量的基准是工频信号，得到工频接地电阻，再经过一定的数学关系，转换成冲击接地电阻。我国地形复杂，土壤分层结构明显，最典型的分层结构是双层土壤如图1所示。实际工程中，为了便于使用，引入等效土壤电阻率ρ，只要求出ρ将其带入接地电阻计算公式，就可得到非均匀土壤中的接地电阻。下面分两种情况说明非均匀土壤电阻率及电阻的计算：

接地极所处的土壤上下电阻率不同（垂直分层），上层土壤电阻率为ρ，垂直接地极的长度为l m，上层土壤埋深H m，下层土壤电阻率为ρ，如图1（a）所示，等效电阻率ρ计算如下：

图1 典型两层土壤电阻率示意图

l＜H时，ρ=ρ；

如图（b），接地极左部分土壤电阻率ρ1，面积为S，右部分土壤电阻率ρ，面积为S2，ρ等效接地电阻R如下式：

上述求得土壤等效电阻率还需要考虑季节变化的因素，因此需要对土壤电阻率或土壤电阻进行修正：

①非雷电状态下土壤电阻率和电阻的数值需乘以表1中的季节系数φ（潮湿）、φ（中等含水量）或φ（干燥或降水量不大）进行修正。

季节系数 表1

②雷电状态下土壤电阻率和电阻的数值需乘以表2中的季节干燥系数φ进行修正。

土壤干燥时的季节系数 表2

3 冲击接地电阻

3.1 人工接地极工频接地电阻的计算

以下接地极的计算都是在均匀土壤的环境中。

垂直接地极R的计算（图2）：

图2 垂直接地极示意图OP

式中：ρ——土壤电阻率（Ω·m）；

l——垂直接地极的长度（m）；

d——接地极形状为圆导体时，取圆导体直径；

若是接地极并非圆形，而是其他形状如图3。

图3 不规则导体形状示意图

不等边角钢d=0.71[bb(b+b)]。

不同形状水平接地极电阻R

L——水平接地极的总有效长度，其大小和土壤密度相关；

A——水平接地极的形状系数，取值详见《交流电气装置的接地设计规范》（GB/T50065-2011）附录A表A.0.2。

ρ和d的定义均和上式一致。

图4 建筑物形状系数A

L=(20+15)×2=70m。

上述土壤电阻率若是考虑季节因素，则需要考虑土壤电阻率的校正，详见本文第2节。

3.2 冲击接地电阻和工频接地电阻的换算

雷电是发生的时间极短，电流幅值大，等值频率高，对接地装置而言是一种冲击信号。我们对雷电信号的研究通过实验模拟雷电信号，反演建立数学模型，因此，无论是测量还是计算冲击接地电阻都很复杂。实际工程中，采用经验算法，测量或计算出工频接地电阻，乘以冲击系数α得到冲击接地电阻。

R=αR

式中：R——根据接地极有效长度L得到的工频接地电阻；

α——冲击系数；

R——冲击接地电阻。

α系数的取值由图5确定。

图5 冲击系数α

由图5知，首先计算接地极的有效长度L，其次由实际长度和有效长度的比值确定横坐标，根据土壤电阻密度ρ确定折线后就可以查出α的值，即可得到冲击接地电阻R。这种经验方法计算出的冲击接地电阻虽然不能反映雷电的真实特性，但是在防雷设计中是很有意义。

3.3 降阻措施

雷电流经过接地装置进行泄流时，接地电阻越小，泄雷作用越好，因此接地电阻直接影响到防雷的水平。建筑物内设备功能不同，对接地装置的要求不同，那么可能有多个接地装置，它们之间由于电位不同而产生的电位差将直接危害人类安全。为了避免上述情况发生，采用共用接地装置，其接地电阻必须按照设备规定的最小阻值确定。当接地装置难以达到最小阻值要求，则在接地极周围加入降阻材料降低，以改善局部土壤的导电性，但是，使用的降阻材料对接地装置无腐蚀，否则会影响到接地装置的性能。

4 结语

雷电流和工频电流作用于接地装置及周边土壤时散流过程有较大的差异，冲击接地电阻不同于工频接地电阻。通过大量实验可知，接地电阻和土壤电阻率及冲击电流幅值有关，由于雷电是一种不规则的大自然现象，无法控制其幅值的大小，因此，重点研究土壤电阻率和接地电阻的关系。经过研究发现，土壤电阻率越小，接地体有效散流长度越短，接地电阻越小，雷电流在接地装置上分布越均匀，散流的效果越好。实际工程中，建筑物及服务设备共用接地装置，接地电阻取值较小，无法满足要求时，采用降阻措施达到规定值。本文通过研究土壤电阻率和雷电流冲击接地电阻的关系，表明接地装置的设置的必要性，以期对从事相关行业的工作人员起到参考作用。