防雷接地裝置設(shè)計(jì)若干問(wèn)題技術(shù)分析

1、防雷接地裝置設(shè)計(jì)若干問(wèn)題技術(shù)分析摘    要 本文重點(diǎn)討論防雷接地裝置設(shè)計(jì)、施工中遇到問(wèn)題的解決辦法。并給出接地裝置的設(shè)計(jì)實(shí)例及施工中降低接地電阻的有效措施，和測(cè)試接地電阻值應(yīng)注意的問(wèn)題。關(guān)鍵詞 接地裝置 接地體 接地模塊 降阻 測(cè)試 引 言        綜合防雷系統(tǒng)工程中，不管是避雷針、避雷網(wǎng)、避雷帶等，還是各種防雷電感應(yīng)的SPD，能起到防雷作用最重要的環(huán)節(jié)之一，需要有良好接地。在一定的土質(zhì)、氣候情況下，良好接地取決于接地裝置的形狀，接地體的材料、規(guī)格和采取有效的降阻措施?？茖W(xué)的計(jì)

2、算方法可得出滿足要求的各種數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)合理可節(jié)省人力、物力。當(dāng)然，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際會(huì)有一定差距，差距的大小取決于土壤電阻率的準(zhǔn)確程度和土質(zhì)均勻的程度等因素。 精心設(shè)計(jì)、規(guī)范施工可實(shí)現(xiàn)花費(fèi)較少的代價(jià)獲得可靠、良好的接地效果。1防雷工程良好接地的重要性        富蘭克林避雷原理的基本精神就是截閃、引雷入地。截閃器把雷電引來(lái)，能迅速泄放入地，達(dá)到防雷減災(zāi)的目的。否則，雖有好的截閃裝置，沒(méi)有良好的接地，也不能起到良好的避雷效果。把雷引來(lái)不能迅速泄放入地，必然遭受雷擊，其后果就是“引狼入室”。此種比喻恰恰說(shuō)明了防雷接地的重要性。&#

3、160;       眾所周知，被稱為“洋垃圾”的 “消雷器”原理：所謂是“中和”、“限流”1，而對(duì)接地電阻值沒(méi)有嚴(yán)格要求。實(shí)踐證明“消雷器”引雷不能消雷。國(guó)內(nèi)外防雷專家用事實(shí)證明“消雷器”不能消雷之后，郵電部等多個(gè)單位通知下屬單位停止使用“消雷器”。這樣，又從另一方面說(shuō)明防雷接地的重要性。2接地裝置形狀的選擇2.1  接地裝置的組成包括引下線、接地母線、匯流排、垂直接地體和水平接地體等。其中，垂直接地體和水平接地體 通常稱地網(wǎng)，地網(wǎng)的接地電阻值達(dá)到設(shè)計(jì)要求是十分重要的。    

4、60;    本文列舉設(shè)計(jì)方案中，采用熱鍍鋅角鋼(L50×50×5×2000)作為垂直接地體，深埋0.8m, 垂直接地體之間距離46m。 水平接地體采用熱鍍鋅扁鋼（40×4 ）如圖（一）所示。                            &

5、#160;                                                 &

6、#160;                                                 &

7、#160;  圖（一）接地裝置的組成        其中：1、匯流排 2、接地母線 3、垂直接地體 4、水平接地體2.2  接地體型式的選擇        根據(jù)地形地貌可選用不同的接地體型式 ，有關(guān)資料3介紹：接地體型式對(duì)接地電阻有一定影響，根據(jù)接地裝裝置的類型系數(shù)K 設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可修正計(jì)算結(jié)果，使接地裝置的設(shè)計(jì)值更接近實(shí)測(cè)結(jié)果。由關(guān)資料3可查得一字型接地裝置的類型系數(shù)K為1。2.3  接地體屏蔽作用分析  

8、    建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50057-94 2000 版）中規(guī)定兩根垂直接地體之間距離為接地體自身的2 倍。此時(shí)，兩根垂直接地體相互間屏蔽效應(yīng)影響很小，可忽略。否則兩根垂直接地體太近，由于屏蔽作用會(huì)影響接地電阻值。2.3.1 屏蔽效應(yīng)分析為分析問(wèn)題簡(jiǎn)化，以兩根垂直接地體為例，其近似等效電路如圖（二）所示                     

9、0;                                                  

10、60;                                                 

11、60;                                                 

12、60;        圖（二）屏蔽效應(yīng)等效電路        其中: u瞬時(shí)雷電壓 i瞬時(shí)雷電流 Ra垂直接地體a 的電阻 Rb垂直接地體b 的電阻 Rab屏蔽效應(yīng)等效電阻 i1流過(guò)垂直接地體a 的雷電流 i2流過(guò)垂直接地體b 的雷電流R a+R b由等效電路可得：       （R a+R b）/（R a+R b）+R a b     

13、                            （1）        式（1）中R a b是與垂直接地體距離、土壤電阻率、 土壤均勻程度和雷電流通過(guò)面積相關(guān)的。其中R ab 項(xiàng)使R 值變大。如果兩根垂直接地體距離大于46 米，可認(rèn)為R ab可以忽略，式

14、（1）簡(jiǎn)化成         R= RaRb/（Ra+Rb）                                      &#

15、160;           （2）        式（2）即為Ra和Rb并聯(lián)電阻值。顯然,式（1）電阻值，由于垂直接地體相互影響Rab存在使其接地電阻值變大。有關(guān)資料3將影響接地電阻值變大現(xiàn)象稱之為屏蔽效應(yīng)。        廣西柳城中回山廣電轉(zhuǎn)發(fā)站防雷接地施工中，采用40根50x50x5鍍鋅角鋼垂直接地體做4mx4m 網(wǎng)格形接地裝置，測(cè)試結(jié)果未達(dá)

16、到設(shè)計(jì)要求。施工人員在垂直接地體相距4m之間，又增加40 根50x50x5鍍鋅角鋼垂直接地體，垂直接地體之間相距變成2m，測(cè)試結(jié)果接地電阻值幾乎未減小。最后，采用擴(kuò)大地網(wǎng)面積方法，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，這就是垂直接地體之間屏蔽效應(yīng)結(jié)果。3、土壤電阻率的確定3.1 土壤電阻率的定義        工程上以1 立方米的某種土壤在相對(duì)兩面之間具有的地電阻值稱之為土壤電阻率。工程中采用單根鋼管或圓鋼作垂直接地體測(cè)試土壤電阻率。（單位為 m）3.2 土壤電阻率的確定      &#

17、160; 土壤電阻率的精確測(cè)量方法是費(fèi)朗克文納的四電極法。        工程中近似估算時(shí)，可根據(jù)土壤電阻率的定義，近似求出土壤電阻率。        本文以海南?？诿捞m機(jī)場(chǎng)雷達(dá)站為例，沿圍墻做了一字型接地網(wǎng)。施工中，將L50×50×5×1500 的熱鍍鋅角鋼打入被測(cè)土壤中，用地電阻測(cè)試儀4102（日本）測(cè)得接地電阻值為35，根據(jù)人工接地體接地電阻值的計(jì)算公式 4，當(dāng)L d 時(shí)，    

18、                    其中：土壤電阻率（ m）L：垂直接地體長(zhǎng)度（m）d：接地體直徑（或角鋼等效邊寬）（m ）        本次測(cè)試中接地體采用角鋼，由參考資料4查得：等效直徑d=0.84b，將 d=0.84b  R=35  L=1.5m  b=0.05m代入式（3）式得出土壤電阻率： =

19、 329.7/4.96=66.4 m4接地裝置的設(shè)計(jì)4.1 垂直接地體電阻值的計(jì)算        接地裝置設(shè)計(jì)以海南?？诿捞m機(jī)場(chǎng)雷達(dá)站沿圍墻做的一字型地網(wǎng)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，要求接地電阻R4。按建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范GB50057-2000)規(guī)定，垂直接地體采用長(zhǎng)度2m熱鍍鋅角鋼（L50×50×5×2000）,已測(cè)得土壤電阻率 =66.4 m, 設(shè)計(jì)方案要求接地電阻R4。單根垂直接地體的接地電阻R1，由式（3）計(jì)算得出：       

20、;   R1=5.28×5.25=27.74.2 單元水平接地體電阻值計(jì)算單元水平接地體的接地電阻，由下式得出：         ：土壤電阻率L：水平接地體總長(zhǎng)度（m）d：水平接地體直徑（若用角鋼為邊寬、扁鋼為寬度的1/2）（m ）t：埋在地下深度（m）K：與接地體型式有關(guān)的系數(shù) （見(jiàn)表1）        已知：=66.4 m L=5m K=1.0 由表（1）查得b=0.05 t=0.8m，代入式（4）得：

21、        R2= 2.1×6 =13.84.3 垂直接地體數(shù)量的計(jì)算        將公式：R= R1R2/（R2 n+R1）n 變換得出：         n= R1（1/ Rn1/ R2） （5）        其中：利用系數(shù)（0.550.85） &

22、#160;                  n垂直接地體數(shù)量（m）                    R1單根垂直接地體的接地電阻27.7        

23、            R2單元水平接地體的接地電阻 13.8                    R=4 取n=0.55        代入式（8）得：R= R1（1/ Rn1/ R2）=27.7（1/4×

24、0.551/13.8）=10.45（根）。垂直接地體取整數(shù)11 根，水平接地體長(zhǎng)度為5×11=55 m4.4 地網(wǎng)接地電阻測(cè)試結(jié)果        根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果=66.4 m（土質(zhì)較好 ），按規(guī)范施工，在0.8 m深、0.5 m寬、60 m長(zhǎng)的溝內(nèi)，每隔5 m打下一根熱鍍鋅角鋼（L50×50×5X2000）共 11 根。挖溝、打釬、焊接、防腐處理，回填土后用地電阻測(cè)試儀4102A（日本）測(cè)試結(jié)果如表（2）。表（2）測(cè)試結(jié)果      

25、                                                  

26、    測(cè)       試      點(diǎn)      左端                  中間            

27、    右端                                              

28、60;             地電阻值（）      3.2                    3.5          &

29、#160;       3.0        施工中,并不是每次計(jì)算值與實(shí)際值都很理想的一致。一致與否，主要取決于測(cè)得土壤電阻率的準(zhǔn)確程度和土壤的均勻性等因素。5采用接地模塊作為垂直接地體的設(shè)計(jì)5.1 接地模塊的選擇        接地模塊的指標(biāo)：外形、規(guī)格、電阻率、表面積、長(zhǎng)度直流電阻等。其中關(guān)鍵指標(biāo)之一是長(zhǎng)度直流電阻，一般質(zhì)量好的接地模塊長(zhǎng)度直流電阻1。5.2 垂直接地體采

30、用接地模塊地網(wǎng)設(shè)計(jì)。5.2.1 由多根放射帶組成的接地裝置        其接地電阻可按下算：                其中 n: 典型接地裝置利用系數(shù)1 為各個(gè)單位放射帶沖擊接地電導(dǎo)之和。Rn5.2.2 由幾個(gè)垂直接地體及水平接地體組合成的復(fù)式接地裝置的接地電阻可按下式計(jì)算：        R1：垂直

31、接地體的接地電阻。R2：水平接地體的接地電阻。n：所有接地體相互影響的利用系數(shù)。n：垂直接地體的個(gè)數(shù)。5. 3 采用接地模塊的地網(wǎng)設(shè)計(jì)方法5.3.1 垂直埋設(shè)單個(gè)接地模塊的接地電阻Rj根據(jù)地網(wǎng)埋設(shè)地層土質(zhì)電阻率 計(jì)算和給定的已知參數(shù)計(jì)算Rj        其中土壤電阻率（ m） L模塊長(zhǎng)度（m）   d模塊直徑（m） h埋設(shè)深度（m）     M0模塊調(diào)整系數(shù)（0.30.38）5.3.2 水平埋設(shè)單個(gè)長(zhǎng)方體形接地模塊的接地電阻Rj  &

32、#160;   其中土壤電阻率（ m）        a接地模塊長(zhǎng)度（m）       b接地模塊寬度（m）5.3.3 多根垂直接地模塊并聯(lián)總接地電阻               其中：Rj單個(gè)接地模塊的接地電阻      

33、60;     n模塊數(shù)量            模塊利用系數(shù)（0.550.85）        根據(jù)模塊數(shù)量n，每?jī)蓚€(gè)相鄰模塊之間距離為5m，即可確定水平接地體長(zhǎng)為5n（m）。在機(jī)場(chǎng)雷達(dá)站、導(dǎo)航臺(tái)（站）的接地裝置設(shè)計(jì)、施工中，采用上述設(shè)計(jì)公式、計(jì)算方法得出的計(jì)算值與實(shí)測(cè)結(jié)果基本相符。6、降低地電阻的措施6.1 用選形法設(shè)計(jì)接地裝置    

34、;    在桂林兩江機(jī)場(chǎng)雷達(dá)站防雷接地施工中，在山頂堅(jiān)硬巖石地帶做地網(wǎng)，無(wú)法進(jìn)行接地裝置施工。根據(jù)有關(guān)資料5查得土壤導(dǎo)電率可能大于5000 m，欲使接地電阻4，難度極大。根據(jù)設(shè)計(jì)方案：         采用接地裝置在山下繞小水塘一周做一閉合地網(wǎng)，再采用兩條30m長(zhǎng)的40x4 鍍鋅扁綱引至山頂雷達(dá)站。水平接地體長(zhǎng)30m、垂直接地體采用鍍鋅角鋼 （50×50×5×2500 ） 12 根，測(cè)試結(jié)果接地電阻為2.6。后來(lái)此種施工方法被稱為選形法，在廈門(mén)某部隊(duì)雷達(dá)站

35、防雷接地施工、廣西柳城中回山廣電轉(zhuǎn)發(fā)站防雷接地施工等多次使用，都取得良好的效果。6.1.1 水平接地體的有效長(zhǎng)度.         眾所周知，地網(wǎng)擴(kuò)大后，勢(shì)必加長(zhǎng)了水平接地體的長(zhǎng)度，水平接地體越長(zhǎng)自身的電阻越大，可根據(jù)下式求出。         其中 鍍鋅扁鋼導(dǎo)電率（ m）          S鍍鋅扁鋼截面積（mm2）  

36、60;       L水平接地體長(zhǎng)度（m）         施工中選用40×4 鍍鋅扁鋼作水平接地體， 一根扁鋼長(zhǎng) L=6m, 其截面積160mm2 =0.16×10-5m2低炭鋼材料（Q235） 為1.0×10-7 m 一根6m長(zhǎng)的扁鋼自身電阻R 為：                若增

37、加水平接地體100m，水平接地體自身電阻增加3.75。另一方面：目前多用接地電阻測(cè)試儀（4102A）測(cè)試接地電阻。該儀表測(cè)試能源為13mA 的恒流源。（Lonstant CurrentFenerator）.測(cè)試過(guò)程中該恒流源提供的測(cè)試信號(hào)必然是與低電阻回路構(gòu)成通路。因此地網(wǎng)擴(kuò)大到一定程度后，3mA 的恒流源幾乎不與擴(kuò)大后阻值增加的接地體構(gòu)成通路，所測(cè)得的結(jié)果與未擴(kuò)大的地網(wǎng)阻值所差未幾。        綜上所述：由于雷電脈沖在地中泄放速度受到限制，又因雷電脈沖陡度大，在最大延伸長(zhǎng)度有效散流入地，因此Le =2是水平接地體有效長(zhǎng)度。施工中，如地電阻達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，除了在地形允許情況下繼續(xù)適當(dāng)擴(kuò)大地網(wǎng)外，采取加降阻劑是有效的方法。6.2 使用降阻劑降低接地電阻6.2.1 降低接地電阻的機(jī)理:        通常使用降阻劑的導(dǎo)電率可做到1m化學(xué)材料降阻劑，（稀土降阻劑可做到0.20.5m）。Ph 值為6.9 近似中性，是一種長(zhǎng)化學(xué)降阻劑。地網(wǎng)接地電阻分三部分組成，其一是垂直接地體本身電阻，一般占1%2%，可以忽略。其二是接地體與土壤接觸部分的接觸電阻，占20%40%，其