關於低阻抗接地網設計分析論文

1.概述

接地系統是影響用電系統穩定、安全、可靠執行的一個重要環節，爲了用電設備系統穩定的工作，須有一個接地參考點。至於如何接地，採用何種接地方式較好、較正確，人們看法不一，國內有關規程也不夠明確和統一，國外用電設備廠商對接地系統的要求也不盡相同，但對用電設備必須可靠接地的認識是統一的。接地系統基本分爲兩種形式，一是有按需要接地系統的功能而單獨設計的各自的專用接地系統，二是將各種功能的接地系統聯在一起組成一個公用接地系統。

2.獨立接地系統

將系統的直流地（邏輯地）與交流工作地，安全保護地和防雷地、供電系統地相互獨立。爲了防止雷擊時反擊到其它接地系統，還規定了它們相互之間應保持的安全距離。採用獨立接地方式的目的，是爲了保證相互不干擾，當出現雷電流時，僅經防雷接地點流入大地，使之與其它部分隔離起來。有關規程提到若把直流地（邏輯地）防雷地分離時，其間距離應相距15米左右。在不受環境條件限制的情況下，採用專用接地系統也是可取的方案，因這可避免地線之間相互干擾和反擊。

3.共用接地系統

建築物爲鋼筋混凝土結構時，鋼筋主筋實際上已成爲雷電流的下引線，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存在實際困難，現在已趨向於採用防雷、安全、工作三種接地連接在一起的接地方式，稱爲共用接地系統。在IEC標準和lTU相關的標準中均不提單獨接地，國標也傾向推薦共用接地系統。共用接地系統容易均衡建築物內各部分的電位，降低接觸電壓和跨步電壓，排除在不同金屬部件之間產生閃絡的可能，接地電阻更小。

在共用接地系統基礎上，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爲建築物“籠式”結構示意圖，建築物防雷、電力、安全和計算機共用一個接地網，接地下引線利用建築物主鋼筋，鋼筋自身上、下連接點應採用搭焊接，上端與樓頂避雷裝置、下端與接地網，中間與各層均壓網、環形接地母線焊接成電氣上連通的“籠式”接地系統。接地電阻一般應小於1Ω，爲減少外界電磁干擾，建築物鋼筋、金屬構架均應相互焊接形成等電位準“法拉第籠”。這種結構系統，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共用接地系統構成

2.1.1接地體（又稱接地電極或地網）。接地體是使系統各地線電流匯入大地擴散和均衡電位而設定的與土壤物理結合形成電氣接觸的金屬部件。

聯合接地方式的接地體由兩部分組成：即利用建築物基礎部分混凝土內的鋼筋和圍繞建築物四周敷設的環形接地電極（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。接地體與接地總彙集線之間相連的連接線稱爲接地引入線。接地引入線應有足夠的導流面積，並作防腐蝕處理，以提高使用壽命。

2.1.3接地彙集線。接地彙集線是指在建築物內分佈設定可與各系統接地線相連的一組接地幹線的總稱。

根據等電位原則，提高接地有效性和減少地線上雜散電流回竄，接地彙集線分爲垂直接地總彙集線和水平接地分彙集線兩部分。

①垂直接地總彙集線：垂直貫穿於建築物各層樓的接地用主幹線。其一端與接地引入線連通，另一端與建築物各層鋼筋和各層水平接地分彙集線分層相連，形成輻射狀結構。垂直接地總彙集線宜安裝在建築物中央部位，也可在建築物底層安裝環形彙集線，並垂直引到各機房的水平接地分彙集線上。

②水平接地分彙集線：分層設定，各通信設備的接地線就近引入到水平接地分彙集線上。

2.1.4接地線。系統內各類需要接地的設備與水平接地分彙集線之間的連線。其截面積應根據可能透過的最大電流確定，並不準使用裸導線布放。

2.2地線反擊電壓

採用共用接地之後出現的新問題，是出現地線反擊電壓現象。地線反擊是由於雷電流流過低網，使正常情況下處於低電位的接地導體的電位升高，經地線反擊到電子設備，使設備出現過電壓。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有着密切關係，接地衝擊電阻越小，反擊電壓也就越低給設備造成的危害也就越小。

雷擊大樓後，接地系統的電位升高，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過信號線或電源線引至遠端的零電位點。於是升高的外殼電位便在設備的平衡電位縱向絕緣上出現高壓，並可能導致絕緣被擊穿。爲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，就是提高介面處直接承受衝擊電壓的介質的絕緣水平，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，相當於將反擊電壓轉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.信號線側亦可採用類似措施。分流限幅，其實就是利用縱向保護，當大樓提高了電位之後，啓動線路防雷器的縱向保護元件，把衝擊電流引到線路上。因地電位的提高，實際上相當於從線路進入極性相反的衝擊波，線路上防止雷電衝擊波侵入的縱、橫向保護，在這種情況也起保護作用。因此不論採用何種接地方式，系統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。採用共用接地後，有可能因設計或施工不合理，在設備之間產生干擾，應該引起注意，並應採取相應措施予於消除。

處於不同接地點的電子設備（不在一幢大樓內的電子設備，很可能就不是一個接地點）。彼此互連時應採取隔離或其他防反擊措施。

雷擊建築物或附近地區雷電放電所產生的瞬變電磁場，會在建築物內信號線路接口處產生瞬態過電壓，此過電壓大小與佈線走向等有關，因此合理佈線、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不僅會使雷電流泄放的速度加快，縮短雷電壓在建築各系統停留的時間，而且有利於降低雷電流入地時地電位瞬間升高的幅度。

4.1接地電阻構成

接地裝置的接地電阻由以下幾部分構成：

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有關。

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和幾何尺寸有關。

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、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。

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成，但前兩部分所佔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，是指能使散流電阻儘可能小，而又易達到的埋設深度。決定垂直接地體最佳深度，應考慮到三維地網的因素，所謂三維地網是指接地體的埋設深度與接地網的等值半徑處於同一數量級的接地網（即埋設深度與等值半徑之比大於1/10）。在可能的範圍內埋設深度應儘可能取最大值，但並不是埋設深度越深越好，如果把垂直接地體近似爲半球接地體，其電阻爲：

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，爲使R減小，L越大越好，但對上式偏微分：

aR/aL=-ρ/2πL2

可以得出，隨着L的增大，降阻率aR/aL與L2成反比下降，就是當增大L到一定程度後，基本上呈飽和狀態，降阻率已趨近於零。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的等值半徑，區域內的地質情況來確定，一般取3.5～1.5米之間爲宜。

4.2不等長接地體技術

由於在接地網中各單一接地體埋設的間距，一般僅等於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，即等於增加了各單一接地體散流電阻，這種影響電流流散的現象，成爲屏蔽作用。如圖3所示：由於屏蔽作用，接地體的散流電阻並不等於各單一接地體散流電阻的並聯值，此時，接地體組的散流電阻爲：

Ra=RL/nη

式中RL—單一接地體的散流電阻；

n—接地體組並聯單一接地體的根數；

η—接地體的利用係數，它與接地體的形狀和位置有關。

從理論上說，距離接地體20米處爲電氣上的“地”，即兩接地體間距大於40米時，可以認爲接地體的利用係數η爲1.在接地網的接地體的佈置上，是很難作到兩個單一接地體相距40米，爲解決在設計實踐與理論分析中的矛盾，採取不等長接地體技術，能取得良好的效果。不等長接地體技術，即爲各垂直接地體的長度各不相等，在接地體的佈置上，採取垂直接地體佈置爲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，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係數，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，在液態下從接地體向外側土壤滲出，若干分鐘固化後起着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，將它使用於接地體和土壤之間，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着明顯效果。如JZG—02型長效防腐降阻劑的使用壽命可達20年以上，在其壽命週期內性能穩定，不需要維護保養，仍能具有良好的電解質性能和吸水性，保持其良好的物理化學機理。

接地的設計，要根據UPS裝置的技術要求和所處的地區的地理、地質條件，採取不同的措施，以最高的性能價格比來設計其接地，在設計中應採用新技術和新材料。因“接地工程學”是一門多學科的邊緣學科，它涉及到地質、電磁場理論、電氣測量、應用化學、鑽探技術、施工技術等多門學科，故仍需要在今後的工作中去研究，在實踐中不斷的探索，以確保電源裝置的安全可靠執行。

5.接地電阻測量方法

影響接地電阻的因素很多：接地極的大小（長度、粗細）、形狀、數量、埋設深度、周圍地理環境（如平地、溝渠、坡地是不同的）、土壤溼度、質地等等。爲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爲：電壓電流表法；比率計法；電橋法。按具體測量儀器及布極數可分爲：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成電流回路，電壓輔助極是用來測得被測接地電位。採用該方法保證測量準確度的關鍵在於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，說明存在外來干擾。

按DL475-92《接地裝置工頻物性參數的測量導則》規定，當大型接地裝置如110kV以上變電所接地網，或地網對角線D≥60m需要採用大電流測量，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佈置，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爲被測接地裝置最大對角線長度，點2可以認爲是處於的零點位。根據測量導則（DL475-92），如d13取（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：

①按圖4接線。

②記錄初始的電壓值V0.

③通電後，記錄電流值I1、電壓值V1.

④將電壓極沿接地體和電流極連接方向前後移動3次，每次移動的距離爲d13的5%，記錄每次移動後的電流和電壓數值，取3次記錄的電壓和電流值的算術平均值，作爲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所示佈置，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爲傳統的測量儀表，它的基本原理是採用三點式電壓落差法，其測量手段是在被測地線接地極（暫稱爲X）一側地上打入兩根輔助測試極，要求這兩根測試極位於被測地極的同一側，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（稱爲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（稱爲Z）距離被測地極40米左右。測試時，按要求的轉速轉動搖把，測試儀透過內部磁電機產生電能，在被測地極X和較遠的輔助測試極（稱爲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，儀表透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纔可進一步測量地阻。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；對於鉗形地阻表，其最理想的應用是用在分佈式多點接地系統中，此時應對接地系統的所用接地極依次進行測量，並記錄下測量結果，然後進行對比，對測量結果明顯大於其它各點的接地樁，要着重檢查，必要時將該地極與設備斷開後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迴路中的總電阻，只有Rx＞＞1／（1/R1+1/R2+.。。+1/Rn）時，該阻值才近似於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中是不滿足的。對於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：

①注意是否單點接地，被測地線是否已與設備連接，有無可靠的接地迴路。開路接地極，不能測量；接地迴路不可靠，測量結果不準確（偏高）。

②注意測量位置，選取合適的測量點；選取的測量點不同，測得的結果是不同的，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。

③注意“噪聲”干擾；地線上較大的迴路電流對測量會造成干擾，導致測量結果不準確，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的作用，分析了獨立接地系統和共用接地系統的性能和特點，闡述了接地電阻的構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。

關鍵詞：接地系統構成性能施工測量