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浅谈低阻抗接地网的设计

北极星电力网技术频道    作者:佚名   2012/7/2 13:24:58   

  所属频道:  输配电    关键词:  接地系统

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,采用专用接地系统是一种可取的方案,因为采用专用接地系统可避免地线之间相互干扰和反击,更好地起到保护的作用。

3.共用接地系统

现代的建筑物多为钢筋混凝土结构,钢筋混凝土内的钢筋主筋实际上已成为雷电流的下引线,在这种情况下要把防雷、安全、工作三类接地系统分开,实际上遇到较大困难,不同接地之间要保持足够的安全距离更是很难满足,各类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”,建筑物防雷、电力、安全和计算机共用一个接地网,接地下引线可以利用建筑物主钢筋(也可以单独敷设镀锌扁钢或圆钢),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1,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。

3.1共用接地系统构成

3.1.1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。

3.1.2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。

3.1.3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。

3.1.4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。

3.2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地网,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一次线端和机壳之间,从而保护了设备的安全。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=P/2πr =P/2πL

式中、P—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:

dR/dL=P/2πL2

可以得出,随着L的增大,降阻率dR/dL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,再增大L的长度对降低电阻的影响几乎为零,可见垂直接地体有一个最佳的埋设深度。但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。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/n

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;

—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。

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,以确保用电装置的安全可靠运行。

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