淺談接地原理及其應用

常進財

大地是一個電阻非常低、電容量非常大的物體,擁有吸收無限電荷的能力,而且在吸收大量電荷后仍能保持電位不變,因此適合作為電氣系統中的參考電位體。接地就是通過一種有意或非有意的導電連接,使電路或電氣設備接到大地或接到代替大地的、某種較大的導電體。其目的是引導入地電流流入和流出大地(或代替大地的導電體),使連接到地的導體具有等于或近似于大地(或代替大地的導電體)的電位,從而防止供電系統的短路電流或雷電流入地時,突然抬高設備金屬機架的電位,避免造成人員觸電事故和反擊損壞設備絕緣,保證設備系統正常運行。當今的接地種類繁多,幾乎涉及各行各業,不僅電力系統、通訊系統需要接地,石油化工、廣播電視、軍事指揮以及建筑工程、醫療設施等都需要接地。

現代接地任務不僅要保障設備、人員安全,還要保證系統、設備工作的穩定性。為了實現接地的目的和發揮接地作用,首要任務是要控制和降低接地裝置的接地電阻。接地電阻是接地電流在大地中擴散時受到的阻尼效應總和,其大小與接地電流開始擴散的形式(取決于接地體形狀和尺寸)和土壤電阻率有關。具體來說,接地電阻實質上由如下三種類型的電阻組成:

1)接地線與接地極的自身電阻:由于它們為金屬導體,因此這部分電阻一般只占總接地電阻的1%～2%。對于高頻情況,由于要考慮總引線的電感所引起的感抗,此時的“電阻”會大些。2)接地極與土壤間的接觸電阻:它的大小與接地極的形狀,與土壤接觸的松緊程度有直接關系,其值可占總接地電阻的20%～60%不等。3)電流經接地極流入土壤后的流散電阻,它的大小與接地極的形狀、幾何尺寸及土壤電阻率 ρ0有關。即:R=ρ0·f。其中,f為接地極的形狀因子。土壤電阻率表示土壤導電性能,它直接影響到接地裝置的接地電阻的大小。根據地質的不同,它的土壤電阻率也不同。土壤電阻率的大小與土壤的土質、含水量、土壤中可溶解電解質的成分和含量、土壤的溫度等有關。

在了解清楚了影響接地電阻的幾個因素的同時,也為我們在尋求保護人身和設備安全的方法提供了幫助,結合多年來的施工經驗,現將在工程中常用的降低接地電阻的方法總結如下:1)更換土壤。由垂直棒狀接地體的計算公式 R=(ρ0/π2L)·ln(4L/d)可知,接地體的接地電阻 R與土壤電阻率成反比。因此,在遇到高土壤電阻率的地帶,如山地、沙漠化的地方,可以采用電阻率較低的土壤(如黑土、黏土等)替換電阻率高的土壤的方法來降低土壤電阻率。為達到理想效果,如果有條件,則可以將接地體外10倍于接地體尺寸的范圍內的土壤都替換,并且同時將水平接地線的溝內也進行換土,如果用此辦法還不能完全滿足接地電阻需要,就應從接地體形狀、材質及接地方法等方面來考慮。2)適當增加接地體長度和接地網面積。根據推算得知,接地電阻的大小和接地體長度及接地面積成正比關系,為此,在設置接地體時可以結合現場實際環境,適當通過增加接地體長度或接地網面積來降低接地電阻。3)深埋接地體。對于地表層為巖石等土壤電阻率較大,而地下深處的土壤電阻率小或者有地下水的地方,可以將接地極深埋到土壤電阻率較低的土壤中。如果遇到開挖難度大的地段可以借助鉆機鉆井,如能鉆到地下水效果最佳,否則可將帶孔的鍍鋅鋼管放入深井,然后再向井內注入泥漿或降阻劑,依此來降低接地電阻,一般該深井的深度在20 m左右為佳。4)利用附近的河流或礦區等自然環境降低接地電阻。如果接地裝置附近有河流、水池等有水的地段,可利用該水源在水下設置接地網,然后再用多根接地引線將水下的接地網與原接地裝置連接,安裝時注意水下接地網最好要使用鍍鋅材料,回填時最好用大石塊對接地網進行固定。如果離接地裝置附近不遠有具有良好導電性能的金屬礦區的話,可以將接地體延伸至該礦區,也能達到很好的降阻效果。5)物理降阻。在接地體周圍的土壤中添加木炭、爐灰、煤粉和碳黑粉等可以降低土壤電阻率和含氧水分。也可以加入食鹽、硫酸鐵等材料,該材料雖然對降低土壤的電阻率效果明顯,但由于容易流失,所以起作用的持續時間較短。日本生產了一種馬可尼降阻劑,將堿性的水泥和特制的微孔碳黑混合,使其為中性,效果也很不錯。這些物理降阻材料各有千秋,我們在選用時不光要考慮降阻的效果、持續時間、價格水平及施工方便性,還要考慮環境污染的問題。6)化學降阻。化學降阻劑是一種有很好的導電性能的化學合成物,它通過將接地體周圍的土壤轉換成降阻劑或者用降阻劑包裹在接地體及連接導線周圍來降低接地電阻,其原理和局部換土是一樣的,但由于降阻劑本身有很強的導電性能,再加上該產品特殊的物理特性和化學作用,能在一定程度上增大接地體的有效尺寸,同時降阻劑在水的作用下形成凝膠狀物質,使接地體和周圍土壤或降阻材料接觸緊密,并且增加了土壤中的金屬離子濃度,增加了接地體周圍土壤的含水量,從而降低了土壤導電率,很好的起到降阻的作用。7)利用污水降阻。如果接地裝置附近有污水池或污水溝,可以考慮將污水引到接地體處,或者將接地直接埋入污水溝池,這樣可以利用污水里所含的多種化學元素、強電解質的強導電性降低接地體周圍的土壤電阻率,從而降低接地裝置的接地電阻。當然,如果該污水有很強的腐蝕性就要綜合考慮降阻效果的持續時間及降阻成本等因素來做決策。另外可以在接地體鍍鋅鋼管上打幾個小孔,使鋼管內外的導電離子自由游走,通過滲透使接地體周圍的土壤能和接地體緊密接觸,由此來增加接地效果。8)通過爆破灌漿法降阻。如果遇到在成片的巖石山區做接地,可以考慮用爆破灌漿法,具體方法是:用鉆機在需要接地的區域鉆20 m～30 m的深孔,然后在深孔的不同深度安放炸藥進行爆破,最后放入接地體并灌入降阻劑。此辦法是通過爆破灌漿使得接地體的形狀及周圍土壤環境發生改變,接地體有效尺寸增加從而達到降阻效果的。9)利用自然接地體降阻。如果遇到高樓大廈、橋梁、隧道等建筑物,可以充分利用這些建筑的鋼筋混凝土基礎或結構物,把接地體與這些建筑的鋼筋混凝土基礎或結構物內的鋼筋連接,但連接前除了要考慮是否會影響建筑物內的人身安全外,還應注意只能和這些結構物內的非預應力鋼筋連接,以免對建筑的結構強度造成破壞。至于在施工過程中具體采用哪種接地方式,應該先對現場進行實地勘察,測量該地區的土壤電阻率,查看周圍的自然環境,根據系統接地的需求選擇合理的方案,精心組織設計,挑選經濟、耐腐、使用壽命長且施工方便的接地材料,采取有效的措施降低接地電阻,確保人身及設備的安全,保證系統及設備正常穩定的工作。

[1]張 明.淺析高速公路機電系統的防雷接地技術[J].山西建筑,2009,35(6):216-217.