淺析防雷裝置接地材料的選擇及其應用

阮衛(wèi)鋒 陳玲龍

紹興防雷安全檢測有限公司 浙江 紹興312000

防雷離不開接地,接地體是建筑物防雷裝置中的重要環(huán)節(jié),無論是對直擊雷的防護還是對閃電感應的防護,最終都是需要通過接地體將雷電流傳導泄散到大地中去。從整體上講,沒有完善的接地系統(tǒng),就不會有防雷裝置的可靠性,接地系統(tǒng)的性能將直接決定著各種防雷措施的效果。

1 接地的概述

帶電導體與大地相接觸的現(xiàn)象稱為接地。該定義中隱含了一個事實——導體對大地放電。那么什么是“地”呢?就是以接地點為圓心,距離S為半徑的半球形以遠處0電位的地方,稱作電氣上的“地”。如圖1.1 所示:

圖1.1 電氣上的“地”示意圖

2 接地網(wǎng)

接地網(wǎng)是接地系統(tǒng)的基礎,由接地環(huán)(網(wǎng))、接地極(體)和引下線組成。過去常使用接地環(huán)作為接地的主體,很少使用接地體。接地要求不高或地質(zhì)條件相當優(yōu)越的情況下,接地環(huán)的確有效。在通常情況下,接地環(huán)可以起到輔助接地的作用,主導作用是接地體來完成的。

決定接地電阻大小的因素很多,我們以接地環(huán)作接地主體的情形來分析傳統(tǒng)地網(wǎng)接地電阻的計算公式。

式(1)表明,傳統(tǒng)的接地方式在土壤電阻率已經(jīng)確定的情況下,要想達到設計要求的電阻必須有足夠的接地面積,要降低接地電阻只有擴大接地面積,每擴大4倍的接地面積,接地電阻會降低1倍。

式(2)、(3)表明,在上述的接地網(wǎng)中,要降低接地電阻的另一個方法是加大接地材料的尺寸,但耗材太大,效果并不理想。

單使用接地環(huán)要達到某個接地電阻值,與接地環(huán)包圍的面積S和土壤電阻率有關(guān)。

3 接地材料

廣泛使用的接地工程材料有各種金屬材料、接地體、降阻劑和離子接地系統(tǒng)等。金屬材料如扁鋼,也常用銅材替代,主要用于接地環(huán)的建設,這是大多數(shù)接地工程都選用的;接地體有金屬接地體(角鋼、銅棒和銅板)這類接地體壽命較短,接地電阻上升快,地網(wǎng)改造頻繁,維護費用較高;從傳統(tǒng)金屬接地極(體)中派生出的特殊結(jié)構(gòu)的接地體(帶電解質(zhì)材料)。使用效果比較好,一般稱為離子或中空接地系統(tǒng);另外就是非金屬接地體,使用比較方便,幾乎沒有壽命的約束,各方面比較認可。

3.1 非金屬接地體 非金屬接地體在通訊、廣電等部門有廣泛應用。它是由導電能力優(yōu)越的非金屬材料復合加工成型的,加工方法有澆注成型和機械壓模成型。一般來說澆注成型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)松散、強度低、導電性能差,而且質(zhì)量不穩(wěn)定,一些小型廠家少量生產(chǎn)使用這樣的辦法;機械壓膜法是使用設備在幾到十幾噸的壓力下成型的,不僅尺寸精度較高、外觀較好,更重要的是材料結(jié)構(gòu)致密、電學性能好、抗大電流沖擊能力強,質(zhì)量也相當穩(wěn)定,但是生產(chǎn)成本較高,批量生產(chǎn)多采用這種方法。選型時,盡量采用后者,特別是接地體有抗大電流或大沖擊電流的要求(如電力工作地、防雷接地)時,不宜采用澆注成型的非金屬接地體。非金屬接地體是不受腐蝕的接地體,其穩(wěn)定性、環(huán)境適應性、使用壽命都是現(xiàn)有接地材料中最好的,不需要定期改造和維護。非金屬接地體施工需要的地網(wǎng)面積比傳統(tǒng)接地面積小很多,但是在不同地質(zhì)條件下,也需要保證足夠的接地面積才可以達到良好的效果。

3.2 離子接地系統(tǒng) 離子接地系統(tǒng)是傳統(tǒng)的金屬接地改進而來的,從工作原理到材料選用都有脫胎換骨的變化,形成各種形狀的結(jié)構(gòu)。這些接地系統(tǒng)的共同點是結(jié)構(gòu)部分采用防腐性更好的金屬,內(nèi)填充電解物質(zhì)及其載體組成的內(nèi)填料,外包裹導電性能良好的不定性導電復合材料,一般稱為外填料。接地系統(tǒng)常用的金屬材料有不銹鋼、銅包鋼和純銅材。不銹鋼的防腐較鋼材好,但是在埋地環(huán)境中依然會多多少少的銹蝕,以不銹鋼為主體的接地系統(tǒng)不宜在腐蝕性嚴重的環(huán)境中使用。表面處理過的銅是很好的抗銹蝕材料。銅包鋼是銅—鋼復合材料,鋼材表面覆蓋銅,由套管法或電鍍法成產(chǎn),表面銅層的厚度從0.01mm 到0.50 mm,厚度越厚防腐效果越好。純銅材料防腐蝕性能最好,但是成本太高。由于接地系統(tǒng)大多向垂直方向發(fā)展,所以接地面積很小,可以滿足地形嚴重局限的工程需要。

4 綜述

上面介紹的各種接地材料各有優(yōu)勢,但是都有自身的局限。我們提倡各取所長,選擇適當?shù)牟牧蠞M足不同的工況。

序號接地材料降阻劑 非金屬接地體 中空接地棒傳統(tǒng)接地1 使用接地類型 地網(wǎng)與接地極接地極接地極地網(wǎng)與接地極2 新建地網(wǎng)施工簡單簡單較簡單簡單3 改造地網(wǎng)施工復雜簡單較簡單復雜通用4適用環(huán)境普通地網(wǎng)通用惡劣地質(zhì)條件,腐蝕環(huán)境較高要求的地網(wǎng)地網(wǎng)面積小的城市或復雜山巖環(huán)境5價格比較低較高較高地質(zhì)條件好時要求低且便宜,地質(zhì)條件惡劣時要求高較貴或很貴6抗腐蝕性能有防腐作用不被腐蝕較好防腐能力低7氣候穩(wěn)定性普通優(yōu)異較好不好8使用壽命較長最長最長短,常需要改造

對于大型建筑物而言,本身占地很大考慮到要求獨立地的設備,一個地網(wǎng)是不夠的。在高樓林立、寸土寸金的城市和地形復雜的山地,很難有滿足大面積施工的場地和土質(zhì),即時地理條件許可,由于開挖量大、耗材多、費工費料,工程造價相當高。所以,需要運用更好的接地材料和施工設計方法。