關(guān)于低阻抗接地網(wǎng)設計分析論文
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，國外用電設備廠商對接地系統(tǒng)的要求也不盡相同，但對用電設備必須可靠接地的認識是統(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標準和lTU相關(guān)的標準中均不提單獨接地，國標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)生閃絡的可能，接地電阻更小。
在共用接地系統(tǒng)基礎上，可以進一步把整個機房設計成一個等電位準“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)。接地電阻一般應小于1Ω，為減少外界電磁干擾，建筑物鋼筋、金屬構(gòu)架均應相互焊接形成等電位準“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散和均衡電位而設置的與土壤物理結(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：即利用建筑物基礎部分混凝土內(nèi)的鋼筋和圍繞建筑物四周敷設的環(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。接地引入線應有足夠的導流面積，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：分層設置，各通信設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)各類需要接地的設備與水平接地分匯集線之間的連線。其截面積應根據(jù)可能通過的最大電流確定，并不準使用裸導線布放。
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體的電位升高，經(jīng)地線反擊到電子設備，使設備出現(xiàn)過電壓。地線反擊也屬傳導性干擾，對微電子設備也會造成很大的危害，而這也是造成設備損壞的重要因素，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備外殼帶上了高壓。而計算機設備又是經(jīng)過信號線或電源線引至遠端的零電位點。于是升高的外殼電位便在設備的平衡電位縱向絕緣上出現(xiàn)高壓，并可能導致絕緣被擊穿。為此大樓進線應用金屬護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，如在電源進線上，加1∶1的隔離變壓器，使用電設備與供電電源沒有電氣上的連接，相當于將反擊電壓轉(zhuǎn)移到隔離變壓器的初線和機殼之間，從而保護了設備的安全，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，當大樓提高了電位之后，啟動線路防雷器的縱向保護元件，把沖擊電流引到線路上。因地電位的提高，實際上相當于從線路進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，在這種情況也起保護作用。因此不論采用何種接地方式，系統(tǒng)和外界的連線總是應該安裝防止縱、橫向瞬間過電壓的保護設備。采用共用接地后，有可能因設計或施工不合理，在設備之間產(chǎn)生干擾，應該引起注意，并應采取相應措施予于消除。
處于不同接地點的電子設備（不在一幢大樓內(nèi)的電子設備，很可能就不是一個接地點）。彼此互連時應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處（20米）擴散電流所經(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。故降低接地電阻應從這兩部分開展工作，從接地體的最佳埋設深度、不等長接地體技術(shù)及化學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深度，是指能使散流電阻盡可能小，而又易達到的埋設深度。決定垂直接地體最佳深度，應考慮到三維地網(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)（即埋設深度與等值半徑之比大于1/10）。在可能的范圍內(nèi)埋設深度應盡可能取最大值，但并不是埋設深度越深越好，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深度不是固定的，在設計中應按接地網(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化學降阻劑的應用
化學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20年以上，在其壽命周期內(nèi)性能穩(wěn)定，不需要維護保養(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機理。
接地的設計，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計其接地，在設計中應采用新技術(shù)和新材料。因“接地工程學”是一門多學科的邊緣學科，它涉及到地質(zhì)、電磁場理論、電氣測量、應用化學、鉆探技術(shù)、施工技術(shù)等多門學科，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�。ㄩL度、粗細）、形狀、數(shù)量、埋設深度、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。為了保證設備的良好接地，利用儀表對接地電阻進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)的測量導則》規(guī)定，當大型接地裝置如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≥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可以認為是處于的零點位。根據(jù)測量導則（DL475-92），如d13�。�4～5）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.
③通電后，記錄電流值I1、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)點是可以對在用設備的地阻進行在線測量，而不需切斷設備電源或斷開地線。
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，導致結(jié)果不準確。所以，按照要求，在使用時應先測線纜上的電流，只有在電流不是非常大時才可進一步測量地阻。有些儀表在測量地阻時自動進行噪聲干擾檢測，當干擾太大以致測量不能進行時會給出提示。
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，應將接地極與設備斷開，以避免設備自身接地體影響測量的準確性，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，其最理想的應用是用在分布式多點接地系統(tǒng)中，此時應對接地系統(tǒng)的所用接地極依次進行測量，并記錄下測量結(jié)果，然后進行對比，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備斷開后用手搖式地阻表進行復測，以暴露出不良的接地極。
在單點接地系統(tǒng)中應慎用鉗形地阻表，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。對于已埋設好而尚未與設備連接的開路接地極，其地阻根本不能用該儀表進行測量。鉗形地阻表在使用中應注意以下幾點：
�、僮⒁馐欠駟吸c接地，被測地線是否已與設備連接，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行測量。
�、圩⒁狻霸肼暋备蓴_；地線上較大的回路電流對測量會造成干擾，導致測量結(jié)果不準確，甚至使測試不能進行，很多儀表在這種情況下會顯示出“Noies”或類似符號。
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
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