低阻抗接地网的设计与施工

　　摘要：文中介绍了接地系统的作用，分析了独立接地系统和共用接地系统的性能和特点，阐述了接地电阻的构成及施工和降阻方法。简介了接地装置的施工接地电阻测量方法及测量注意事项。
　　关键词：接地系统　　构成　　性能　　施工　　测量
　　1.概述
　　接地系统是影响用电系统稳定、安全、可靠运行的一个重要环节，为了用电设备系统稳定的工作，须有一个接地参考点。至于如何接地，采用何种接地方式较好、较正确，人们看法不一，国内有关规程也不够明确和统一，国外用电设备厂商对接地系统的要求也不尽相同，但对用电设备必须可靠接地的认识是统一的。接地系统基本分为两种形式，一是有按需要接地系统的功能而单独设计的各自的专用接地系统，二是将各种功能的接地系统联在一起组成一个公用接地系统。
　　2.独立接地系统
　　将系统的直流地（逻辑地）与交流工作地，安全保护地和防雷地、供电系统地相互独立。为了防止雷击时反击到其它接地系统，还规定了它们相互之间应保持的安全距离。采用独立接地方式的目的，是为了保证相互不干扰，当出现雷电流时，仅经防雷接地点流入大地，使之与其它部分隔离起来。有关规程提到若把直流地（逻辑地）防雷地分离时，其间距离应相距15米左右。在不受环境条件限制的情况下，采用专用接地系统也是可取的方案，因这可避免地线之间相互干扰和反击。
　　3.共用接地系统
　　建筑物为钢筋混凝土结构时，钢筋主筋实际上已成为雷电流的下引线，在这种情况下要和防雷、安全、工作三类接地系统分开，实际上遇到较大困难，不同接地之间保持安全距离很难满足，接地线之间还会存在电位差，易引起放电，损害设备和危及人身安全。考虑到独立专用接地系统存在实际困难，现在已趋向于采用防雷、安全、工作三种接地连接在一起的接地方式，称为共用接地系统。在IEC标准和lTU相关的标准中均不提单独接地，国标也倾向推荐共用接地系统。共用接地系统容易均衡建筑物内各部分的电位，降低接触电压和跨步电压，排除在不同金属部件之间产生闪络的可能，接地电阻更小。
　　在共用接地系统基础上，可以进一步把整个机房设计成一个等电位准“法拉第笼”，图1为建筑物“笼式”结构示意图，建筑物防雷、电力、安全和计算机共用一个接地网，接地下引线利用建筑物主钢筋，钢筋自身上、下连接点应采用搭焊接，上端与楼顶避雷装置、下端与接地网，中间与各层均压网、环形接地母线焊接成电气上连通的“笼式”接地系统。接地电阻一般应小于1Ω，为减少外界电磁干扰，建筑物钢筋、金属构架均应相互焊接形成等电位准“法拉第笼”。这种结构系统，不同层接地母线之间可能还有电位差，应用时仍要注意。
　　2.1共用接地系统构成
　　2.1.1接地体（又称接地电极或地网）。接地体是使系统各地线电流汇入大地扩散和均衡电位而设置的与土壤物理结合形成电气接触的金属部件。
　　联合接地方式的接地体由两部分组成：即利用建筑物基础部分混凝土内的钢筋和围绕建筑物四周敷设的环形接地电极（由垂直和水平电极组成）相互焊接组成的一个整体的接地体。
　　2.1.2接地引入线。接地体与接地总汇集线之间相连的连接线称为接地引入线。接地引入线应有足够的导流面积，并作防腐蚀处理，以提高使用寿命。
　　2.1.3接地汇集线。接地汇集线是指在建筑物内分布设置可与各系统接地线相连的一组接地干线的总称。
　　根据等电位原则，提高接地有效性和减少地线上杂散电流回窜，接地汇集线分为垂直接地总汇集线和水平接地分汇集线两部分。
　　①垂直接地总汇集线：垂直贯穿于建筑物各层楼的接地用主干线。其一端与接地引入线连通，另一端与建筑物各层钢筋和各层水平接地分汇集线分层相连，形成辐射状结构。垂直接地总汇集线宜安装在建筑物中央部位，也可在建筑物底层安装环形汇集线，并垂直引到各机房的水平接地分汇集线上。
　　②水平接地分汇集线：分层设置，各通信设备的接地线就近引入到水平接地分汇集线上。
　　2.1.4接地线。系统内各类需要接地的设备与水平接地分汇集线之间的连线。其截面积应根据可能通过的最大电流确定，并不准使用裸导线布放。
　　2.2地线反击电压
　　采用共用接地之后出现的新问题，是出现地线反击电压现象。地线反击是由于雷电流流过低网，使正常情况下处于低电位的接地导体的电位升高，经地线反击到电子设备，使设备出现过电压。地线反击也属传导性干扰，对微电子设备也会造成很大的危害，而这也是造成设备损坏的重要因素，但这一点往往被人们忽视。地线反击和接地系统有着密切关系，接地冲击电阻越小，反击电压也就越低给设备造成的危害也就越小。
　　雷击大楼后，接地系统的电位升高，使所有与它连接的设备外壳带上了高压。而计算机设备又是经过信号线或电源线引至远端的零电位点。于是升高的外壳电位便在设备的平衡电位纵向绝缘上出现高压，并可能导致绝缘被击穿。为此大楼进线应用金属护套电缆或电力电缆加强绝缘，隔离或分流限幅等方法，均可收到防护的效果。加强绝缘，就是提高界面处直接承受冲击电压的介质的绝缘水平，使其不被过电压击穿。隔离，如在电源进线上，加1∶1的隔离变压器，使用电设备与供电电源没有电气上的连接，相当于将反击电压转移到隔离变压器的初线和机壳之间，从而保护了设备的安全，见图2.信号线侧亦可采用类似措施。分流限幅，其实就是利用纵向保护，当大楼提高了电位之后，启动线路防雷器的纵向保护元件，把冲击电流引到线路上。因地电位的提高，实际上相当于从线路进入极性相反的冲击波，线路上防止雷电冲击波侵入的纵、横向保护，在这种情况也起保护作用。因此不论采用何种接地方式，系统和外界的连线总是应该安装防止纵、横向瞬间过电压的保护设备。采用共用接地后，有可能因设计或施工不合理，在设备之间产生干扰，应该引起注意，并应采取相应措施予于消除。
　　处于不同接地点的电子设备（不在一幢大楼内的电子设备，很可能就不是一个接地点）。彼此互连时应采取隔离或其他防反击措施。
　　雷击建筑物或附近地区雷电放电所产生的瞬变电磁场，会在建筑物内信号线路接口处产生瞬态过电压，此过电压大小与布线走向等有关，因此合理布线、屏蔽及接地也是很重要的。
　　4.接地电阻的组成及降阻
　　接地在防雷工程中的作用举足轻重，一个良好的接地系统不仅会使雷电流泄放的速度加快，缩短雷电压在建筑各系统停留的时间，而且有利于降低雷电流入地时地电位瞬间升高的幅度。
　　4.1接地电阻构成
　　接地装置的接地电阻由以下几部分构成：
　　4.1.1接地引线电阻，是指由接地体至需接地设备接地母线间引线本身的电阻，其阻值与引线的几何尺寸和材质有关。
　　4.1.2接地体（水平接地体、垂直接地体）本身的电阻，其阻值与接地体的材质和几何尺寸有关。
　　4.1.3接地体表面与土壤的接触电阻，其阻值与土壤的性质、颗粒、含水量及土壤与接地体的接触面和接触的紧密程度有关。
　　4.1.4散流电阻是从接地体开始向远处（20米）扩散电流所经过的路径土壤电阻，决定散流电阻的主要因素是土壤的含水量。
　　接地电阻虽由四部分构成，但前两部分所占接地电阻的比例较小，起决定作用的是接触电阻和散流电阻。故降低接地电阻应从这两部分开展工作，从接地体的最佳埋设深度、不等长接地体技术及化学降阻剂等方面来讨论降低接触电阻和散流电阻的方法。
　　垂直接地体的最佳埋设深度，是指能使散流电阻尽可能小，而又易达到的埋设深度。决定垂直接地体最佳深度，应考虑到三维地网的因素，所谓三维地网是指接地体的埋设深度与接地网的等值半径处于同一数量级的接地网（即埋设深度与等值半径之比大于1/10）。在可能的范围内埋设深度应尽可能取最大值，但并不是埋设深度越深越好，如果把垂直接地体近似为半球接地体，其电阻为：
　　R=ρ/2πr =ρ/2πL
　　式中、ρ—土壤电阻率；
　　L—垂直接地体的埋设深度。
　　从式中可见，R与L成反比，为使R减小，L越大越好，但对上式偏微分：
　　aR/aL=-ρ/2πL2
　　可以得出，随着L的增大，降阻率aR/aL与L2成反比下降，就是当增大L到一定程度后，基本上呈饱和状态，降阻率已趋近于零。垂直接地体的最佳埋设深度不是固定的，在设计中应按接地网的等值半径，区域内的地质情况来确定，一般取3.5～1.5米之间为宜。
　　4.2不等长接地体技术
　　由于在接地网中各单一接地体埋设的间距，一般仅等于各单一接地体长度的两倍左右，此时电流流入各单一接地体时，受到相互的制约而阻止电流的流散，即等于增加了各单一接地体散流电阻，这种影响电流流散的现象，成为屏蔽作用。如图3所示：由于屏蔽作用，接地体的散流电阻并不等于各单一接地体散流电阻的并联值，此时，接地体组的散流电阻为：
　　Ra=RL/nη
　　式中RL—单一接地体的散流电阻；
　　n—接地体组并联单一接地体的根数；
　　η—接地体的利用系数，它与接地体的形状和位置有关。
　　从理论上说，距离接地体20米处为电气上的“地”，即两接地体间距大于40米时，可以认为接地体的利用系数η为1.在接地网的接地体的布置上，是很难作到两个单一接地体相距40米，为解决在设计实践与理论分析中的矛盾，采取不等长接地体技术，能取得良好的效果。不等长接地体技术，即为各垂直接地体的长度各不相等，在接地体的布置上，采取垂直接地体布置为两长一短或一长两短，以使接地体组间的屏蔽作用减小到最小程度。不等长接地体技术，从理论上到实践中应用，都较好地解决了多个单一接地体间的屏蔽作用问题，以提高各单一接地体的利用系数，降低接地体组的散流电阻。
　　4.3化学降阻剂的应用
　　化学降阻剂的降阻机理是，在液态下从接地体向外侧土壤渗出，若干分钟固化后起着增大散流电极接触面积的作用，因降阻剂本身是一种良好的导体，将它使用于接地体和土壤之间，一方面能够与金属接地体紧密接触，减小接地体与土壤的接触电阻，形成足够大的电流流通截面。另一方面，它能向周围的土壤渗透，降低土壤的电阻率，在接地体周围形成一个变化的低电阻区域，从而显著扩大接地体的等效直径和有效长度，对降低接触电阻及散流电阻有着明显效果。如JZG—02型长效防腐降阻剂的使用寿命可达20年以上，在其寿命周期内性能稳定，不需要维护保养，仍能具有良好的电解质性能和吸水性，保持其良好的物理化学机理。
　　接地的设计，要根据UPS装置的技术要求和所处的地区的地理、地质条件，采取不同的措施，以最高的性能价格比来设计其接地，在设计中应采用新技术和新材料。因“接地工程学”是一门多学科的边缘学科，它涉及到地质、电磁场理论、电气测量、应用化学、钻探技术、施工技术等多门学科，故仍需要在今后的工作中去研究，在实践中不断的探索，以确保电源装置的安全可靠运行。
　　5.接地电阻测量方法
　　影响接地电阻的因素很多：接地极的大小（长度、粗细）、形状、数量、埋设深度、周围地理环境（如平地、沟渠、坡地是不同的）、土壤湿度、质地等等。为了保证设备的良好接地，利用仪表对接地电阻进行测量是必不可少的，接地电阻的测量方法可分为：电压电流表法；比率计法；电桥法。按具体测量仪器及布极数可分为：手摇式地阻表法；钳形地阻表法；电压电流表法；三极法；四极法。在此主要介绍电压电流表法。
　　5.1电压电流表法
　　电压电流表测量接地电阻法见图4.图中的电流辅助极是用来与被测接地电极构成电流回路，电压辅助极是用来测得被测接地电位。采用该方法保证测量准确度的关键在于电流辅助极和电压辅助极的位置要选择适合。如在辅助电流极以前，电压表已有读数，说明存在外来干扰。
　　按DL475-92《接地装置工频物性参数的测量导则》规定，当大型接地装置如110kV以上变电所接地网，或地网对角线D≥60m需要采用大电流测量，施加电流极上的工频电流应≥30A，以排除干扰减少误差。
　　5.1.1电压电流三极直线法。电压电流三极直线法是指电流极和电压极沿直线布置，三极是：被测接地体、测量用电压极和电流极，其原理接线如图5所示。一般d13=（4～5）D，d12=（0.5～0.6）d13，D为被测接地装置最大对角线长度，点2可以认为是处于的零点位。根据测量导则（DL475-92），如d13取（4～5）D有困难，而接地装置周围的土壤电阻率又比较均匀时，d13可以取2D，d12取D值。测量步骤如下：
　　①按图4接线。
　　②记录初始的电压值V0.
　　③通电后，记录电流值I1、电压值V1.
　　④将电压极沿接地体和电流极连接方向前后移动3次，每次移动的距离为d13的5%，记录每次移动后的电流和电压数值，取3次记录的电压和电流值的算术平均值，作为计算接地体的接地电阻的电压和电流值。
　　5.1.2电压电流三极三角形法。电极如图6所示布置，一般取d13=d12≥2D，夹角θ≈30度（或d23=1/2d12），测量步骤与电压电流三极直线法相同。
　　5.2手摇式地阻表测量原理
　　手摇式地阻表是一种较为传统的测量仪表，它的基本原理是采用三点式电压落差法，其测量手段是在被测地线接地极（暂称为X）一侧地上打入两根辅助测试极，要求这两根测试极位于被测地极的同一侧，三者基本在一条直线上，距被测地极较近的一根辅助测试极（称为Y）距离被测地极20米左右，距被测地极较远的一根辅助测试极（称为Z）距离被测地极40米左右。测试时，按要求的转速转动摇把，测试仪通过内部磁电机产生电能，在被测地极X和较远的辅助测试极（称为Z）之间“灌入”电流，此时在被测地极X和辅助地极Y之间可获得一电压，仪表通过测量该电流和电压值，即可计算出被测接地极的地阻。
　　5.2.1钳形地阻表测量原理。钳形地阻表是一种新颖的测量工具，它方便、快捷，外形酷似钳形电流表，测试时不需辅助测试极，只需往被测地线上一夹，几秒钟即可获得测量结果，极大地方便了地阻测量工作。钳形地阻表还有一个很大的优点是可以对在用设备的地阻进行在线测量，而不需切断设备电源或断开地线。
　　虽然钳形地阻表测试时使用一定频率的信号以排除干扰，但在被测线缆上有很大电流存在的情况下，测量也会受到干扰，导致结果不准确。所以，按照要求，在使用时应先测线缆上的电流，只有在电流不是非常大时才可进一步测量地阻。有些仪表在测量地阻时自动进行噪声干扰检测，当干扰太大以致测量不能进行时会给出提示。
　　5.3地阻表测量注意事项
　　从上面的介绍可以看出，钳形地阻表和手摇式地阻表的测量原理完全不同。手摇式地阻表在使用时，应将接地极与设备断开，以避免设备自身接地体影响测量的准确性，手摇式地阻表可获得较高的精度，而不管是单点接地和多点接地系统；对于钳形地阻表，其最理想的应用是用在分布式多点接地系统中，此时应对接地系统的所用接地极依次进行测量，并记录下测量结果，然后进行对比，对测量结果明显大于其它各点的接地桩，要着重检查，必要时将该地极与设备断开后用手摇式地阻表进行复测，以暴露出不良的接地极。
　　在单点接地系统中应慎用钳形地阻表，从它的工作原理中可以看出：钳形地阻表测出的电阻值是回路中的总电阻，只有Rx＞＞1／（1/R1+1/R2+.。。+1/Rn ）时，该阻值才近似于我们要测的接地极地阻，而这个条件，在很多情况下，尤其是在单点接地系统中是不满足的。对于已埋设好而尚未与设备连接的开路接地极，其地阻根本不能用该仪表进行测量。钳形地阻表在使用中应注意以下几点：
　　①注意是否单点接地，被测地线是否已与设备连接，有无可靠的接地回路。开路接地极，不能测量；接地回路不可靠，测量结果不准确（偏高）。
　　②注意测量位置，选取合适的测量点；选取的测量点不同，测得的结果是不同的，测量有时会遇到无处可夹的情况，在条件允许的情况下，可暂断开原地线连线，临时接入一段可夹持的跳线进行测量。
　　③注意“噪声”干扰；地线上较大的回路电流对测量会造成干扰，导致测量结果不准确，甚至使测试不能进行，很多仪表在这种情况下会显示出“Noies”或类似符号。

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