野外条件下装备接地电阻分析及降低方法

摘  要：文章在对装备接地装置特性分析的基础上，采用定性分析方法，总结了影响接地电阻的关键因素。通过定量计算，分析了接地电阻与接地棒物理特性、不同形状接地体之间的线性与对数关系。建立接地电阻分析模型并结合装备实际，从降低土壤电阻率、温度、湿度、优化接地体形状四个方面给出具体方法。最后，使用实体装备进行了降阻实验，验证了方法的可行性，为野外条件下装备接地电阻改善提供了有益参考。

关键词：装备；野外；接地电阻；土壤电阻率

中图分类号：TM05    文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）05-0064-04

Resistance Analysis and Reducing Method of Equipment Ground in Field Conditions

HUANG Qiang

（63889 Troops of PLA， Jiaozuo  454750， China）

Abstract： Based on the analysis of equipment grounding device characteristics， this paper adopts the method of quantitative analysis， concludes the key factors that impact the ground resistance. Through quantitative calculation， it analyzes the physical characteristics of ground resistance and ground rod， linearity and logarithm relation of ground rods with different shapes. It builds ground resistance analysis model and combines the practice of equipment， gives specific methods from four aspects of reducing the soil resistivity， temperature， humidity and optimizing ground rod shape. At last， it uses physical equipment to perform resistance reduction experiments， proves the feasibility of this method， and provides beneficial reference in improving the equipment ground resistance in field conditions.

Keywords： equipment; field; ground resistance; soil resistivity

0  引  言

近年來，在实战化军事训练思想的指导下，实兵对抗、基地化训练、体系演练等全要素训练更加经常，赴边疆、登海岛、进沙漠、上高山等环境对装备保障提出更高要求。装备接地是保证装备正常运行的关键因素，良好的接地特性可有效降低或预防雷击损坏、感应电势导致器件损伤、静电放电引发火灾等问题。野外条件下，如何利用有限资源，保证装备接地电阻满足装备运行要求是亟须解决的问题。

1  装备接地电阻特性分析

装备接地电阻就是电流由接地设备流入大地再经大地流向另一接地体或向远处扩散所遇到的电阻，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到无限远处的大地电阻。在此对接地线、接地体本身的电阻特性进行分析。通常装备使用直径为1.4 cm、1.6 cm、1.8 cm、2.0 cm、3.5 cm、5 cm，长度为90 cm、120 cm、150 cm的镀铜包钢或镀锌包钢接地棒，经实测，电阻值在0.1 Ω～0.5 Ω；直径为0.5 cm、1 cm、2 cm的带头胶皮防护的铜线或2.5 mm2，4 mm2，6 mm2的软胶铜线，长度为3 m～30 m，经实测，电阻值为0 Ω～0.3 Ω。综上，装备采用的接地线和接地体本身电阻值范围为0.1 Ω～0.8 Ω。

装备接地可分为工作接地、保护接地、防雷接地和静电接地。《建筑物防雷设计规范》和国际标准接地电阻规范对接地电阻均有明确规定，防雷感应的接地装置工频接地电阻不应大于10 Ω，机房接地与防雷系统共用接地时接地电阻要求小于1 Ω，计算机交流工作接地时接地电阻不应大于4 Ω，独立的安全保护和交流工作接地不应大于4 Ω，防静电接地电阻不应大于100 Ω。随着大规模集成电路和器件工艺更新，装备在设计与功能实现时，单相负荷小于或等于500 V时，要求设备接地电阻不大于10 Ω。

2  接地电阻特性定量分析

野外条件下，装备通过单根接地棒、水平接地体以及任意形状接地体接地，下面对不同条件下接地电阻进行分析。

2.1  单根接地棒在同一土壤中接地电阻

垂直入地的接地棒可以看作一系列埋入地下的球体单元，把这些单元球体的对地电阻值沿接地棒的长度及其镜像点积分，即得单根垂直入地接地棒对地接地电阻：

（1）

式中：d表示接地棒的直径（m），l表示接地棒的长度（m），ρ表示土壤电阻率（Ω·m）。

野外条件下，常见的土壤有砂质黏土、黄土、多石土壤、砂砾、碎石、海水等，不同类型土壤电阻率（Ω·m）如表1所示。

较为常见的直径5 cm、长度1.5 m（接地棒1），直径3.5 cm、长度1.2 m（接地棒2），直径2 cm、长度90 cm（接地棒3）的接地棒在不同土壤中的接地电阻（Ω）如表2所示。

从表1、表2可知，三种类型的接地棒，在海水中接地电阻小于1 Ω，满足装备接地要求；而在黏土、黄土、多石土壤、砂砾、碎石环境中，直接使用三种接地棒无法满足装备使用要求。

2.2  多根接地棒一行排列的接地电阻

野外条件下，为达到所要求的接地电阻，有时埋设多根接地棒进行并联，由于相邻接地棒之间的磁场作用阻止电流扩散，即等效增加了每根接地棒的接地电阻，接地体的接地电阻并不等于单根接地棒接地电阻的并联值，而增加了一个利用系数，计算公式为：

R=R1（η×n）                                （2）

式中：R1表示单根垂直接地体的接地电阻（Ω）；η表示接地体的利用系数，在0.9～0.95之间取值；n表示并联根数。

2.3  水平埋设接地体的接地电阻

在野外条件下，一般水平埋设接地体采用扁钢、角铁或圆钢等，接地电阻公式为[1]：

（3）

式中：L表示水平接地体总长度（m），h表示接地体埋设深度（m），d表示水平接地极的直径或等效直径（m），A表示水平接地体结构形式修正系数（视水平接地体形状在-0.6～5.65之间取值）。

因野外条件有限，采用水平方式接地时，水平接地体一般呈一字型、L型、人字型、十字型、大字型、米字型，其形状系数分别为-0.6、-0.18、0、0.89、2.19、5.65。

以常用的3 m钢管为材料连接形成水平接地体，埋设深度0.3 m、1 m时，不同土壤中接地电阻如表3、表4所示。从表3、表4数据可知，随着接地体形状和系数的变化，同种土壤中，接地电阻呈下降趋势。单根長度为3 m钢管搭建的水平接地体，埋设深度为0.3 m时仅能在电阻率较低的砂质黏土中使用，在黄土、多石土壤、砂砾、碎石等无法使用，不满足装备使用需求。增加埋设深度至1 m，接地电阻有所改善，但还是只能在电阻率较低的海水、砂质黏土中使用，尽管人字型接地体在黄土中接地电阻可到8.61 Ω，但不可避免作业工艺导致接地电阻增大。在高电阻率土壤中，水平接地体的接地电阻距装备接地电阻小于10 Ω要求还相差很大，水平接地体很难通过单一增加深度降低接地电阻达到装备使用要求。

2.4  垂直接地棒穿过两层土壤时接地电阻

当垂直接地棒穿过电阻率为ρ1（上层，高度为H）、ρ2（下层，高度为L）不同的两层土壤时，接地电阻计算公式为[2]：

（4）

当L＜H时，ρα=ρ1；当L＞H时：

；

由上式可知，土壤电阻率对接地电阻影响较大，且与接地棒穿过土壤层高度有关。当下层土壤电阻率较低时，将接地棒的长度延长至下层土壤越长，降阻越明显；当下层土壤电阻率高于上层土壤电阻率时，将接地棒延长到下层土壤的意义并不大。

3  影响接地电阻的因素

3.1  自身物理特性

接地装置由接地线、接地端子、接地极等组成，不同材质的接地装置自身电阻有一定差异，银、铜、铝、铁等金属在20 ℃时电阻率分别为1.65×10-8 Ω·m、1.75×10-8 Ω·m、2.83×10-8 Ω·m、9.78×10-8 Ω·m，其自身电阻大小与电阻率成正比，与横截面积成反比。

3.2  环境因素

在土壤类别方面，不同类型的土壤电阻率随着土壤类别不同会有很大的变化，金属类材料的电阻率在10-8 Ω·m左右，土质材料的电阻率在几十至几百Ω·m，砂砾的电阻率在1 000 Ω·m左右，岩石的电阻率在5 000 Ω·m以上，河水、海水则一般低于50 Ω·m。

在温度、湿度方面，同一类型土壤的电阻率随着土壤的温度、湿度和盐的浓度变化相差百倍甚至千倍。同样的黏土在地下水含盐碱的区域电阻率为20 Ω·m左右，在少雨或沙漠区域电阻率则达到大几百Ω·m；多雨地区的砂砾电阻率为300 Ω·m左右，在少雨或沙漠区域电阻率则达到几千Ω·m。整体趋势是，0 ℃以上时，土壤的电阻率变化较为缓慢，低于0 ℃时，电阻率大幅增加；土壤电阻率主要为孔径水电阻率和土壤颗粒电阻率，并随含水量的增大呈对数递减关系[3]；当土壤含水量小于30%时，接地电阻随着土壤含水率增加而减少，土壤含水率在15%～30%之间变化时，对接地电阻影响最为显著；当土壤含水率在30%～75%时，接地电阻变化明显缓慢，当土壤含水率大于75%时，土壤中的电解质浓度降低，导电性能变差，接地电阻增加[4]。

3.3  施工工艺

接地棒周围的土壤可以等效为由均匀厚度的土壤壳体组成，接地电阻由每个土壤壳体的增量电阻合成，增量电阻与电流流动方向的通路的增量长度、土壤的电阻率成正比，与大地最大有效接触面积成反比。接地棒周围土壤的致密性对土壤电阻率也有一定的影响，实验表明，当黏土的含水量为10%，温度不变条件下，单位压力由1 961 Pa增大10倍到19 610 Pa时，电阻率可下降到原来的65%[5，6]。在接地棒接地时，力求全部插入土壤，且其周围压实压紧，以求最大面积接触减小电阻率；并对接地极打磨除锈，降低自身接地电阻。

4  降低接地电阻的措施

从上式公式推导与计算中不难发现，接地电阻大小与土壤电阻率成正比，与接地棒的长度近似成反比，与接地棒长度和直径之比呈对数关系，随温度、湿度的增大而减小，并在温度值、湿度值、接地极数量、接地极深度到达一定时，接地电阻变化趋于平缓，且湿度过大时接地电阻反而呈增大趋势。综合上述分析，可建立接地电阻分析模型R=ρ/（ηtηwηs）ln（l/d）+R0，式中ηt为土壤电阻率改善因子，ηw为温度改善因子，ηs为湿度改善因子，R0为接地装置自身电阻。

4.1  土壤电阻率改善

在工程实践中，常用换土法[7，8]降低电阻率，但装备在野外保障任务时，随装带低电阻率的土壤和工程机械，不便于实现。只能从改善局部土壤着手，以接地棒为中心向外拓宽，对于一根3 m长的接地棒来说，其接地电阻的85%在接地棒周围3 m范围建立的，根据同样公式计算，对于装备常用的0.9 m、1.2 m、1.5 m接地棒，其接地电阻的82.1%、81.0%、81.9%在接地棒周围的0.9 m、1.2 m、1.5 m处建立；以接地棒为中心向下延伸，据测试，接近大地表面处每单位长度流入土壤中的电流比接地棒较下端流入土壤中的电流要大，靠近导体的土壤所发生的变化对于接地棒与大地的接触电阻有显著的影响。具体改善方法为：以接地棒为中心，在切面上采取逐步拓宽的原则进行降阻材料铺设，分别为对接地棒腐蚀较小的、电阻率最低的金属屑与降阻剂层、电阻率较低且锁水较好的木炭与木屑层和电阻率较低、腐蚀性较大的工业盐层；在纵向上，采取分层铺设、逐级湿润、夯实压紧的原则进行降电阻率材料铺设，如图1所示。尽量采取最小的动作，增大土壤电阻率改善因子。

4.2  温度改善

在工程实践中，综合考虑费效比和稳定性，一般不采取改善溫度的方法来降低接地电阻。但在野外条件下进行装备保障时，装备阵地转移快、工作时间短，对接地电阻长期稳定性要求低，所以在进行接地棒位置选择时，一是可选择泉眼、河流等湿度和温度较高的区域，二是利用车辆排气筒、生火加热或者开水加热等方式对局部土壤温度加热，保证接地棒周围的温度在0 ℃以上，防止接地电阻出现较大范围波动。

4.3  湿度改善

砂砾、碎石、岩石或者风大、少雨区域，土壤的湿度低，土壤电阻率相对较大。针对该类区域，在做好土壤电阻率改善的基础上，重在要进行土壤电阻率降阻区域的保湿养护，利用“一点多漏”的方法进行灌注保湿，“一点”即以接地棒中心为原点浇水保湿，“多漏”即在接地棒周围以等角度等距离打入钢管，在钢管上每隔10～15 cm左右钻孔，再把工业盐或降阻剂等物品的饱和溶液灌入管中，液体长期渗透，让土壤湿度保持在30%～75%，从而保证接地电阻稳定在一定范围。

4.4  接地体形状改善

在环境较为恶劣的区域，单根接地棒的接地电阻无法达到装备使用需求时，可采用多根接地棒并联、垂直接地棒与水平接地体并联组成栅格方式进行降阻。当使用2根接地棒并联，利用系数为0.9时，理论上接地电阻可降为原来的56%。对于多层土壤，当上层土壤电阻率比下层土壤电阻率大时，增加棒的数目对降低接地网接地电阻效果是明显的，但是增加到一定程度时趋于饱和，这是因为数量到达一定后导体之间的屏蔽效应阻碍了电流的散流[9]。接地体形状改善的具体方法有两种：一是将接地棒排成行或环形，而且相邻接地体之间的距离一般视作业区域大小取接地体长度的1～3倍，防止接地体之间的磁场作用阻止电流扩散。二是采用多接地线构设水平接地体，如米字型、大字型等，与垂直接地棒并联降低接地电阻，如接地电阻无法达到要求，可在长度和面积上进行延伸。

5  实验及分析

为验证上述方法可行性，分别在黄土（河南）、砂砾（甘肃）、碎石（西藏）三种不同土壤区域进行降阻实验，土壤温度8 ℃±2 ℃。采用4根长度1.2 m、直径3.5 cm的铜包钢接地棒，利用铁屑、木炭、食盐辅助降阻，铁屑与木炭为第一层（层厚30 cm）包裹接地桩，食盐与土壤1：1混合形成第二层（层厚60 cm），接地桩周围挖深1.5 m，采用一行并联连接，基于三点式电压落差法[10]利用数字式接地电阻测试仪进行测试，每次数据测量三次求平均进行记录，实验数据如表5所示。

从上述实验数据可知，在电阻率低于200 Ω·m的土壤中，可采用针对单根接地棒降阻的方法使该型接地棒接地电阻达到装备使用要求；在砂砾土壤中，需四根降阻后的接地棒并联方能达到装备使用要求；在碎石中，四根接地棒并联后也未达到装备使用要求。分析上述数据，接地棒的接地电阻未达到理想效果的原因可能为：一是在砂砾、碎石土壤中，砂、石黏性不够，尽管接地棒与土壤周围土壤经过压实，但是压力不够；二是砂、石和降阻材料铁屑、木炭颗粒夯实后，仍呈颗粒状，颗粒之间间隙较大[11]，土壤颗粒电阻率降低效果不明显。针对实验结果，还可采用物理降阻剂和LTD全寿命单元与镀锌角钢相结合[12]进行进一步降阻，可满足装备使用需求。

6  结  论

实战化条件下，装备工作环境复杂，接地是保护装备工作的重要措施。通过定性分析和定量计算，找出了影响装备接地电阻的关键因素，给出了适宜于野外条件下的措施方法，并通过实验验证，证明了方法的可行性、有效性。

参考文献：

[1] 周志敏，纪爱华.现代防雷实用技术 [M].北京：电子工业出版社，2014.

[2] 丛远新.接地设计与工程实践 [M].北京：机械工业出版社，2014.

[3] 张润霞，王益权，解迎革，等.盐分对土壤电阻率的影响研究 [J].干旱地区农业研究，2015，33（2）：208-213.

[4] 陈锐，曹树荣，陆金凤，等.降水对接地电阻的影响 [J].气象研究与应用，2014，35（4）：117-120.

[5] 娄国伟.土壤电阻率的影响因素及测量方法的研究 [J].黑龙江气象，2011，28（4）：37-38.

[6] 彭智波，黄振峰.降低电极接地电阻的方法 [J].现代电子技术，2011，34（21）：208-210.

[7] 宋世兵.浅谈降低接地装置接地电阻的措施 [J].四川水力发电，2013，32（2）：128-130.

[8] 林旭东，许乾杰，陈英俊.雷电防护接地电阻降低方法及应用探讨 [J].通信电源技术，2019，36（5）：163-164.

[9] 朱艳卉.双层土壤中垂直接地极对地网接地电阻的影响 [J].环球市场信息导报，2011（24）：26-27.

[10] 郝仕涛，李润生.多种接地电阻测量方法的探讨 [J].辽宁科技学院学报，2020，22（1）：11-12+45.

[11] 邢远，胡松江，丁卫东，等.石墨接地体加接地布的接地阻抗特性研究 [J].电子测量技术，2021，44（14）：65-71.

[12] 寇建国，田阳，王宝强.降低砂石地工艺接地电阻值施工技术 [J].石油和化工设备，2019，22（10）：54-56+53.

作者简介：黄强（1987—），男，汉族，湖北荆门人，分队长， 主要研究方向：雷达装备保障及运用。

收稿日期：2022-10-18