淺談接地原理及其應(yīng)用

常進(jìn)財(cái)

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(tǒng)中的參考電位體。接地就是通過一種有意或非有意的導(dǎo)電連接,使電路或電氣設(shè)備接到大地或接到代替大地的、某種較大的導(dǎo)電體。其目的是引導(dǎo)入地電流流入和流出大地(或代替大地的導(dǎo)電體),使連接到地的導(dǎo)體具有等于或近似于大地(或代替大地的導(dǎo)電體)的電位,從而防止供電系統(tǒng)的短路電流或雷電流入地時,突然抬高設(shè)備金屬機(jī)架的電位,避免造成人員觸電事故和反擊損壞設(shè)備絕緣,保證設(shè)備系統(tǒng)正常運(yùn)行。當(dāng)今的接地種類繁多,幾乎涉及各行各業(yè),不僅電力系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)需要接地,石油化工、廣播電視、軍事指揮以及建筑工程、醫(yī)療設(shè)施等都需要接地。

現(xiàn)代接地任務(wù)不僅要保障設(shè)備、人員安全,還要保證系統(tǒng)、設(shè)備工作的穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)接地的目的和發(fā)揮接地作用,首要任務(wù)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(kuò)散時受到的阻尼效應(yīng)總和,其大小與接地電流開始擴(kuò)散的形式(取決于接地體形狀和尺寸)和土壤電阻率有關(guān)。具體來說,接地電阻實(shí)質(zhì)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?yōu)榻饘賹?dǎo)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(guān)系,其值可占總接地電阻的20%～60%不等。3)電流經(jīng)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(guān)。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(dǎo)電性能,它直接影響到接地裝置的接地電阻的大小。根據(jù)地質(zhì)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(zhì)、含水量、土壤中可溶解電解質(zhì)的成分和含量、土壤的溫度等有關(guān)。

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(hù)人身和設(shè)備安全的方法提供了幫助,結(jié)合多年來的施工經(jīng)驗(yàn),現(xiàn)將在工程中常用的降低接地電阻的方法總結(jié)如下:1)更換土壤。由垂直棒狀接地體的計(jì)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(dá)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(nèi)的土壤都替換,并且同時將水平接地線的溝內(nèi)也進(jìn)行換土,如果用此辦法還不能完全滿足接地電阻需要,就應(yīng)從接地體形狀、材質(zhì)及接地方法等方面來考慮。2)適當(dāng)增加接地體長度和接地網(wǎng)面積。根據(jù)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(guān)系,為此,在設(shè)置接地體時可以結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際環(huán)境,適當(dāng)通過增加接地體長度或接地網(wǎng)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(jī)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(nèi)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(qū)等自然環(huán)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(shè)置接地網(wǎng),然后再用多根接地引線將水下的接地網(wǎng)與原接地裝置連接,安裝時注意水下接地網(wǎng)最好要使用鍍鋅材料,回填時最好用大石塊對接地網(wǎng)進(jìn)行固定。如果離接地裝置附近不遠(yuǎn)有具有良好導(dǎo)電性能的金屬礦區(qū)的話,可以將接地體延伸至該礦區(qū),也能達(dá)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(xù)時間較短。日本生產(chǎn)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(xù)時間、價(jià)格水平及施工方便性,還要考慮環(huán)境污染的問題。6)化學(xué)降阻?；瘜W(xué)降阻劑是一種有很好的導(dǎo)電性能的化學(xué)合成物,它通過將接地體周圍的土壤轉(zhuǎn)換成降阻劑或者用降阻劑包裹在接地體及連接導(dǎo)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(qiáng)的導(dǎo)電性能,再加上該產(chǎn)品特殊的物理特性和化學(xué)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(zhì),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(dǎo)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(xué)元素、強(qiáng)電解質(zhì)的強(qiáng)導(dǎo)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(dāng)然,如果該污水有很強(qiáng)的腐蝕性就要綜合考慮降阻效果的持續(xù)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(nèi)外的導(dǎo)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(qū)做接地,可以考慮用爆破灌漿法,具體方法是:用鉆機(jī)在需要接地的區(qū)域鉆20 m～30 m的深孔,然后在深孔的不同深度安放炸藥進(jìn)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(huán)境發(fā)生改變,接地體有效尺寸增加從而達(dá)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(chǔ)或結(jié)構(gòu)物,把接地體與這些建筑的鋼筋混凝土基礎(chǔ)或結(jié)構(gòu)物內(nèi)的鋼筋連接,但連接前除了要考慮是否會影響建筑物內(nèi)的人身安全外,還應(yīng)注意只能和這些結(jié)構(gòu)物內(nèi)的非預(yù)應(yīng)力鋼筋連接,以免對建筑的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成破壞。至于在施工過程中具體采用哪種接地方式,應(yīng)該先對現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)地勘察,測量該地區(qū)的土壤電阻率,查看周圍的自然環(huán)境,根據(jù)系統(tǒng)接地的需求選擇合理的方案,精心組織設(shè)計(jì),挑選經(jīng)濟(jì)、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(shè)備的安全,保證系統(tǒng)及設(shè)備正常穩(wěn)定的工作。

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