接地装置降阻功效的技术分析

Technical Analysis on Resistance Reducing of Grounding Equipment

 

           作者：接地材料平价供应中心-成都电兴科技有限责任公司 李震

 

摘要：电力系统变电站地网设计中，许多电阻率较高的土壤通过常规接地装置埋设都不能满足接地电阻的要求。为此，人们又利用增多接地极数量的方式来降低接地电阻，实践表明，接地体数量与接地电阻降低不是线性关系，接地数量达到一定程度后，由于屏蔽效应，增加的接地极不能产生明显的降阻功效..所以，控制接地极的数量，尽量降低单根接地极的接地电阻的降阻思路开始广泛应用。又因为降低单根接地极的接地电阻与接地产品自身的构造有很大关系，所以，单个接地产品的降阻功效就尤为重要。那么，什么样的单体接地产品降阻功效最突出？本文从构成接地体接地电阻的三部分开始，逐一分析了产品的阻抗、产品与土壤接触面积和状况、产品对土壤散流能力的改善三个方面，最终得出一套降阻效率较高，配置较优化的降阻产品，希望帮助解决项目的降阻难题。

 

关键词：接地  接地电阻  变电站  降阻 

    

 接地装置的接地电阻通常由三部分组成：第一部分是金属接地体自身的电阻，占总接地电阻的1％－2％；第二部分是接地电极与土壤接触部分的接触电阻占总接地电阻的20％～60％；第三部分是电流经接地极流入土壤后散布时的电阻。因此，接地体的接地电阻＝金属电阻＋接触电阻＋散流电阻。如果要生产一种降阻功效明显的接地产品，那理论上应该从降低以上三部分电阻入手。要降低第一部分电阻，接地体的选材应该是导电性好的材料，同时还要考虑其防腐蚀性能以及经济性；要降低第二部分电阻，就需要选择一种材料来扩大及软化与土壤的接触面；降低第三部分电阻，就要选择一种材料来改善周围土壤的导电能力。

 

1、要降低第一部分电阻，从经济角度和导电性能两方面考虑，接地材料一般选用铜质本体或钢质本体。但在哪种情况下使用钢质，哪种情况下使用铜质，除了经济上的差别之外，技术上也有很大的差别，分析如下：

 

1.1导电性差别：在20℃时铜和钢的电阻率分别是0.0175Ω·mm^2/m和0.0978Ω·mm^2/m，由此可见铜的电导率是钢的5.6倍。导体电阻的大小与导体的长度成正比，与横截面积成反比，并与材料的性质有关。因为导体的电阻率随温度的变化而变化，所以导体的电阻也随温度的起伏而变化，在一般工作温度范围内，电阻与温度的关系基本为线性，即，温度的升高导体电阻增加，但导体电阻的变化范围多少由材料性质决定。

四种材质的自身电阻值和随温度变化的规律如下表：

 

导体 材料	20℃时的电阻率Ω·mm2/m	电阻温度系数（1/℃）	0℃接地电阻Ω	20℃接地电阻Ω	40℃接地电阻Ω	电阻随温度的 变化率
铜软态	0.017241	0.00393	0.06348	0.0689	0.0743	8.5％～7.8％
铜硬态	0.01777	0.00381	0.06566	0.07108	0.07649	8.2％～7.6％
钢	0.0978	0.00625	0.3423	0.3912	0.4401	14.2％～12.5％
锌	0.061	0.0037	0.217592	0.236	0.2544	8.4％～7.7％
锡	0.114	0.0042	0.416	0.456	0.4959	9.6％～8.7％

表一

A． 材料自身电阻受温度变化的影响：

从上表可以看出，以20℃为基准温度，温度升高到40℃时，铜材的电阻变化为8.2％～7.6％，钢材的电阻变化为14.2％～12.5％，钢材比铜材大5个百分点。由此可见，以上地网的稳定除了与土壤的湿度、温度等有关系外，还与连接材料的选择有一定的关系，从工程上看，这种影响是微观的，但对于需要精确验收的地网而言，这种影响往往是关键的。因此，可以得出的结论是铜质材料自身电阻受温度变化的影响小于钢质材料，有利于保持地网的稳定。

 

B.材料自身电阻对总接地电阻的影响：

举例说明,

例一：如图1,某变电站地网D1电阻值为1Ω，单边外延1000米50x5的扁带D2，通过高阻地区（降阻功效忽略）与另一个0.6Ω的地网D3并联，假设此地网要做到总电阻D4≤0.5Ω。

解：（1）如果忽略连接体的自身电阻，总接地电阻：D4＝D1*D3/(D1+D3)/η＝1×0.6/(1+0.6)/0.8＝0.47Ω，这是设计中常见的案例，这与实际差别较大。

（2）实际情况中，从站外短路点电流从短路点沿D3－D2以及D1两条路径回到变压器中心点形成回路，可以看出，D3与D2为串联电阻，然后再与D1并联，因此，D2的大小不能忽略。如果采用镀锌扁钢作为连接线，锌层未腐蚀时为0.236Ω，总接地电阻：

D4＝D1*（D3＋D2）/(D1+D2+D3)/η＝1×（0.6＋0.236）/(1+0.6＋0.236)/0.8＝0.57Ω，电阻增加20％；

（3）2～10年时间，锌层被腐蚀掉后，该连接线自身电阻为0.3912Ω，总接地电阻D4＝D1*（D3＋D2）/(D1+D2+D3)/η＝1×（0.6＋0.3912）/(1+0.6＋0.3912)/0.8＝0.62Ω，

电阻增加31％，这就是许多外延地网理论上可以计算下来，而实测偏大的原因之一。加之镀锌层腐蚀后接地电阻更要上升8%,地网电阻自然谈不上稳定。

（4）如果采用铜质材料其自身电阻为0.07Ω，总接地电阻D4＝D1*（D3＋D2）/(D1+D2+D3)/η＝1×（0.6＋0.07108）/(1+0.6＋0.07108)/0.8＝0.50Ω。选择表面为铜的材料，整个地网接地电阻刚好0.5Ω，选择镀锌扁钢则为0.57～0.62Ω，不能达到0.5Ω。

 

由此可得，长距离外延地网时，外沿线的选材至关重要，更有把握的情况下，推荐使用铜材，避免因接地电阻达不到要求而继续增加投资和扩大地网等。此种情况也适用于纵向加深接地装置穿过岩石区到达地下水层的情况，也就是说，无论水平接地装置，还是垂直接地装置，都应该关注材料对阻抗的影响。

 

1.2导磁性的差别：

根据金属材料在磁场中受磁化的程度，可把它们分成：
⑴铁磁性材料；导磁率特别大的金属材料，它在外加磁场中能强烈地被磁化。如铁、钴、镍、钆等。铸铁的相对磁导率为200～400。碳钢的导磁率：起始1000，最高可达3000。
⑵顺磁性材料：导磁率大于1的金属材料称为顺磁性材料，它在外加磁场中只是微弱地被磁化。如：锰、铬、钼、钒、镁、钙、铝、锇、锂、铱等。其中，铝的相对磁导率约等于1。
⑶抗磁性材料：导磁率小于1的材料称抗磁材料，它能抗拒或削弱外加磁场对材料本身的磁化作用。如：铜、金、银、铅、锌、铋、汞、钛、铍等。其中，铜的相对磁导率为0.99990 ，一般计算时取1 。
A.工频情况下和雷电流高频情况下，材料导磁性的差别：

50HZ～125 HZ情况下，外引线材取1000m，10KHz～1MHz高频电流泄流情况下，引下线材取10m。其感抗值如下表二：

导体材料	相对磁导率	50HZ情况下Ω	60Hz情况下Ω	80Hz情况下Ω	125Hz情况下Ω
铜、铝热镀锌钢	1	4.6	5.4465	11.105	15.8
无镀锌扁钢	200～400	1528.8	1909.85	2540.68	3946.63
导体材料	相对磁导率	10KHz情况下Ω	20KHz情况下Ω	80KHz情况下Ω	1MHz情况下Ω
铜、铝 热镀锌钢	1	0.078	0.15719	0.6248	7.86
无镀锌 扁钢	200～400	31.27	62.55	816.96	3124.92

从上表可得，工频情况下，热镀锌扁钢的锌层腐蚀掉以后的感抗是选用铜、铝或热镀锌扁钢完好时的330倍，是不能忽略的；雷电高频情况下，热镀锌扁钢的锌层腐蚀掉以后的感抗是选用铜、铝或热镀锌扁钢完好时的400～1200倍，频率越高，感抗变化越大；在高频电路的接地回路中与雷电高频情况下结论一致, 由于钢质材料电阻率大,相对磁导率大(μ=200～400)，不应使用其作为接地材料,应用μ= 1 左右的软磁性或抗磁性材料，如铜。

 

可以得到的结论是：镀锌扁钢初期的抗磁效果与铜相当，由于其耐腐蚀性能差，几年之后其锌层被破坏后，其电气参数都将突变，导磁率变大200倍以上，自感量随之变大，特别是对于单根接地引下线和地网外延连接线，其感抗值的增大将直接影响系统接地的安全，事故隐患十分严重。

 

需要指出的是，在高频接地中,接地线的长度L不能是工作波长λ(λ= 3 ×108/ f ) 的1/ 4 或其奇数倍,即L = (λ/ 4) n ( n = 1 , 3 , 5 , ⋯) 。因为, 此时地线的阻抗为无穷大,相当于1 根天线,可吸收和辐射干扰信号。同时需要指出的是：材料的材质和截面相同, 截面周长大的阻抗小，所以在高频回路推荐使用扁铜排或多股铜绞线，而不宜使用单股绞线和编织带。

 

1.3材料的防腐性差别

每种金属在一定的电解液中有其相应的电极电位，表三给出了几种金属的标准电极电位。                 集中金属标准的电极电位

电 极 过 程	标 准 电 位	电 极 过 程	标 准 电 位
Mg Mg2+	-2.37	Fe Fe2+	-0.44
Al Al3+	-1.66	Cu Cu2+	+0.337
Zn Zn2+	-0.762	Au Au2+	+1.5

由上表可知，电位偏负的金属，也就是常见比较活泼的金属，如Fe(铁)，容易失去电子，在土壤中容易被腐蚀，这就是钢接地网容易被腐蚀的重要原因；而Cu（铜）和Au（金）的电位偏正，都是比较不活泼金属，也不易腐蚀。

 

在接地工作中，常规环境的地网使用铜都能够保持30年以上的使用年限，因此，众多的接地材料分化为钢质和铜质两类，钢质经济，铜质使用年限长。但实际应用中，不同类别的铜质材料其耐腐蚀性能与环境的关系极大，对比如下：

 

铜、钢二者的防腐性能比较：表四

材料名称	在常规环境中的腐蚀率	1mm理论年限	不宜环境
紫铜	0.01mm/年	50	在含氨、NH4+、CN-1等离子和硫化物的介质中，铜会迅速腐蚀，若遇氧，腐蚀加速。
黄铜	淡水0.0025～0.025mm/a	200~20	在含Fe2(SO4)3的水中， O2,CO2,H2S,SO2,NH3的水中，硝酸及盐酸中不耐腐蚀。
	海水0.0075～0.1 mm/a	66~5
锡青铜	大气中0.00015～0.002mm/a	3333～250	在含氨溶液、硝酸及盐酸中不耐腐蚀。
	淡水、海水<0.05 mm/a	>10
铝青铜	高于锡青铜	高于锡青铜	在碱溶液中不耐腐蚀
碳钢	海水，第一年0.1～0.42 mm/a 稳定腐蚀0.05～0.13 mm/a	9～1.6
	镀锌层土壤0.065 -0.07 mm/a	1.2	一般锌层厚度60～80um，
	无锌层土壤0.1 -0.3 mm/a	5～1.6
	潮湿酸性土壤1.0mm/a	0.5

由上表可以看出，不论铜质还是钢质材料，其耐腐蚀性能与环境有很大差别，如果将紫铜用在在含氨、NH4+、CN-1等离子和硫化物的介质中，那其耐腐蚀性能与碳钢无异。同理，如果将碳钢用在使用年限长的项目建设中，都是很难满足要求的。因此，设计一套完善的适应于多种环境条件的接地产品是十分重要的，那些靠单种材料应用于各种环境的接地产品有滥用之嫌，其安全隐患十分严重。

 

综上所叙，接地材料的本体的选择应选择电阻率低，导电性好，磁导率低，耐腐蚀的材料。在铜质与钢质的比较中，导电性方面如果有长距离外延地网时应尽量使用铜材，减少经济负担的情况下最好选用铜包钢材料，以减少导体自身的电阻；磁导率方面工频状态下铜锌差异不大，但镀锌扁铁表面锌层腐蚀后将有磁导率的突变，感抗将明显影响单根导线的阻抗值；防腐蚀方面，正确应用各种铜材至相应的环境至关重要，建议产品的生产中应不只一类铜材的接地产品，从而满足各种环境下较长的使用年限。需要特别说明的是，扁钢的镀锌层一般都在微米级，其锌层的耐腐蚀年限极短，锌层失去后的碳钢腐蚀将加剧，因此，计算其腐蚀速度不能单纯的代入锌的腐蚀率。

 

2、要降低第二部分电阻，即接地电极与土壤接触部分的接触电阻，一般采取两种方式：一是增大接地极与土壤的接触面积，二是软化与土壤的接触面。但需要考虑的是，使用大截面金属来增大接地极与土壤的接触面积价格是相当昂贵的，同时金属与干燥土壤的接触面紧密度不够，也不能全面改善接触面的接触电阻问题。由于土壤的导电与其水分含量和离子含量关系很大，因此，选用一种既能与金属紧密结合，又具有高导电性，同时可以保持土壤含水量的物质，其降阻效果应该是十分明显的。

 

代入《621交流电气装置的接地》规范中单根垂直接地极的计算公式来分析金属接触面与

降低电阻的关系。土壤电阻率取100Ω·m，圆柱垂直接地体长度3米。L/d>20倍。表五

金属材料直径mm	5	10	14	17	20	30	40	50	60
钢质	39.66	35.98	34.2	33.17	32.3	30.15	28.63	27.44	26.48
衰减率	0	9.2％			10％	6.6％	5％	4.1％	3.4％
衰减率＝（后一个孔径的孔径接地电阻值A－减小10mm的接地电阻值B）/B
金属材料直径mm	70	80	90	100	110	120	130	140	150
钢质	25.66	24.95	24.32	23.77	23.26	22.8	22.37	21.98	21.61
衰减率	3％	2.7％	2.5％	2.2％	2.1％	1.9％	1.8％	1.7％	1.6％

 

   由图二可以看出，垂直接地体直径小于14mm时，其接地电阻值增大较多，因此，垂直接地极的直径不应小于14mm；垂直接地体直径大于60mm时，电阻值减小比较明显；垂直接地体直径大于100mm时，电阻值减小幅度变缓；从60mm～150mm的接地体直径，与电阻的大小关系曲线如上图。直径增加到150mm后的接地电阻比60mm时减小18％，而直径增加了250％。在以上计算范围内，直径与降阻效率的基本规律是：直径每增加一倍，接地电阻值减小13％左右。而垂直圆柱接地体直径的增加与重量的关系是：直径增加一倍，重量增加4倍，相应其经济价值升高了4倍，项目投资急剧上升。因此，依靠金属材料直径的增加来降低接地电阻是不科学的。同时，要达到计算的降阻效果还与接地体与周围土壤结合的紧密度有关系。特别是在含水量较少的干燥土壤、砂土、碎石夹土，风化粗颗粒土层、岩石等环境，如果硬金属与周围土壤接触不紧密，接地电阻相反会急剧上升，达不到理论计算的接地效果。所以，尽量软化金属与土壤的接触面，达到紧密接触是减小接触电阻值的关键。

 

目前离子接地装置周围使用较多的是膨润土或称火山灰，膨润土是一种天然矿物,主要成份是一种粘土矿物叫蒙脱土，它是由火山爆发的火山灰，经过变质作用（温度、压力与时间的变化）之后形成了膨润土，其具有吸水性、膨胀性、粘结性、吸附性等一系列很有价值的特性，经过工艺加工后，电阻率ρ≤1Ωmm^2/m，导电性能好。同时其颗粒细度达到200目，颗粒最大直径不大于75um。可以有效填充岩石、沙子和土壤颗粒之间存在的空隙。在吸水性方面，单位体积膨润土能吸附8~15倍于本体积的水量，既能保持与土壤湿态的紧密接触，也能因其细度小于土壤间隙度而渗透填充周围土壤空隙，更重要的是能调节周围土壤的水分，在特别的干燥的环境下，保持接地体周围土壤的含水量，从而加强土壤的导电能力，稳定接地电阻值。

 

3、降低第三部分电阻，就要选择一种材料来改善周围土壤的导电能力。土壤的导电与土壤的水分含量和离子含量有关，外部回填料可以调节接地体周围土壤的含水量。在中空接地极中，在管体中间储存了大量的电解液，通过吸收水分形成液态，然后通过开孔缓慢向土壤中提供离子物质，从而保持土壤中的离子含量，从而降低土壤的散流电阻。一般在产品设计上充分考虑离子的最大输出量，就可以控制离子液的使用时间。目前的产品的的离子保持能力可以达到30年以上。

应用实例：无内填料的同直径铜管与离子接地体的效果比较，可以看出离子调节和水分调节的功效。

工程概况：深圳某 110kV变电站面积约4000m^2，站内地下20米深左右为砂土，砂粒较大，20多米深即到水层，30米深后为岩石层，属高土壤电阻率地区，土壤电阻率平均714Ω·m。

站内打6口深井，20～30米深，均已打到岩石层。接地材料采用Φ50钢管，每口深井敷设降阻剂0.8吨。其中5口深井单井接地电阻为13.5Ω左右。有一口深井，在周围1米深埋水平Φ16(1m×1m)的圆钢方阵10m×10m，施放降阻剂8吨左右，接地电阻为10.5Ω左右。

ALG防腐离子接地体接地电阻测试数据：

单根离子接地体接地电阻	序号	接地电阻值	长度	备注
	1	18	9m	0.3吨回填料
	2	21.5	9m	0.3吨回填料
	3	16	9m	0.3吨回填料
	4	17	9m	0.3吨回填料
	5	33	9m	0.3吨回填料
	6	17.2	9m	0.3吨回填料
	7	9.5	9m	0.3吨回填料
	8	12.5	9m	0.3吨回填料
	9	17.5	9m	0.3吨回填料
	10	14	9m	0.3吨回填料
单 根 钢 管 垂 直 接 地 体	1＃	13.5	30m	0.8吨降阻剂
	2＃	13.1	30m	0.8吨降阻剂
	3＃	13.7	30m	0.8吨降阻剂
	4＃	12.9	30m	0.8吨降阻剂
	5＃	13.9	30m	0.8吨降阻剂
	6＃	10.5	在周围1米深埋水平Φ16(1m×1m)的圆钢方阵10m×10m，施放降阻剂8吨左右
单根钢管	计算值	21.53	不加降阻剂

 

代入《621交流电气装置的接地》规范中单根垂直接地极的计算公式可得：

单根9米离子接地体的接地电阻为56.57欧姆。

单根30米钢管为21.53欧姆。

取实际测试的10套离子接地极的接地电阻值的平均数为17.62欧姆，其内外填料的总降阻效率为70％，即实际值只有计算值的30％左右；取实际测试的前5套钢管接地极的接地电阻值的平均数为13.42欧姆，其降阻剂外填料的总降阻效率为48％，即实际值为计算值的62％左右。更大的区别在于离子接地体通过有序释放离子和调节水分保持接地电阻的稳定性，同时减少3.3倍的工程量，节约占地面积。

结论：通过以上分析，要降低接地系统的整体接地电阻，必须着手降低接地材料自身阻抗、降低与土壤的接触电阻、降低土壤的散流电阻。经验表明，多套接地装置与降阻效果并不是线性关系，产品用量越多，产品之间的屏蔽效应越大，只有充分降低单套接地装置的接地电阻才是降低整个地网系统的根本。因此，选择一种高效降阻材料是降低地网接地电阻的关键，而接地材料是否降阻效率高，就需要评价其自身阻抗的大小、与土壤的接触电阻的大小、改善土壤散流能力的大小。现将目前使用的多种产品的降阻性能比较如下：

角钢、扁钢：电阻率相对于铜高，磁导率高，阻抗大；腐蚀速度快，使用年限短；增大接触面减小接地电阻的性价比不高；不能与土壤软接触，不能提供离子，不能调节水分，接地电阻受环境影响大。

纯铜棒：电阻率低，抗磁；耐腐蚀，使用年限长；增大接触面减小接地电阻的性价比不高；不能与土壤软接触，不能提供离子，不能调节水分，接地电阻受环境影响大。价格昂贵。

铜包钢：电阻率低，抗磁；耐腐蚀，使用年限长；增大接触面减小接地电阻的性价比不高；不能与土壤软接触，不能提供离子，不能调节水分，接地电阻受环境影响大。价格低廉。

降阻剂包裹金属：电阻率低，抗磁；耐腐蚀，使用年限长；增大接触面减小接地电阻的性价比高，与土壤软接触良好。价格低廉。但其不能持续提供离子，不能持续调节水分，接地电阻容易受环境影响。

接地模块：电阻率低，抗磁；耐腐蚀，使用年限长；增大接触面减小接地电阻的性价比高，不易与土壤软接触。价格低廉。但其不能持续提供离子，不能持续调节水分，接地电阻容易受环境影响。

铜质离子接地装置：电阻率低，抗磁；耐腐蚀，使用年限长；通过外填料增大接触面减小接地电阻的性价比高，充分与土壤软接触。可以通过内填料持续提供离子，外填料持续调节水分，保持低电阻的稳定，受环境影响小。价格较高。

 

 

参考文献：DL/T621－1997交流电气装置的接地

          IEEEStd－2000 交流变电站接地安全指南

          GB50057-94 建筑物防雷设计规范

          恶劣环境接地技术探讨 徐崇浩

          电子设备的高频接地    黄泽章

          金属的腐蚀与防护   赵麦群 雷阿丽

          碳钢在我国不同海域的海水腐蚀行为  黄桂桥