關(guān)于防雷接地中的沖擊接地電阻分析

王紅坡

摘要：本文以人工垂直接地極為例，依據(jù)相關(guān)計算，對影響沖擊接地電阻的相關(guān)因素進行模擬，并從中指出其與沖擊接地電阻之間所存在的關(guān)系，以此來更加全面、深入、系統(tǒng)化的去認識沖擊接地電阻。通過對比兩個有效長度的計算公式，指出其在現(xiàn)實工作中所存在的基本出入，以此為更好的開展防雷檢測及接地工作提供指導與幫助。

Abstract： In this paper， taking the artificial vertical grounding pole as an example， according to the relevant calculations， the relevant factors that affect the impact grounding resistance are simulated， and the relationship between it and the impact grounding resistance is pointed out， so as to know the impact grounding resistance more comprehensively， in-depth and systematically. By comparing the calculation formulas of two effective lengths， it is pointed out that there are fundamental differences in the actual work， so as to provide guidance and assistance for better carrying out lightning protection detection and grounding work.

關(guān)鍵詞：接地；沖擊接地電阻；防雷

Key words： grounding；impact grounding resistance；lightning protection

中圖分類號：TM862 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）27-0146-03

0 引言

針對沖擊接地電阻而言，其與工頻接地電阻之間存在較大差異。現(xiàn)階段，防雷檢測部門通過檢測建筑物防雷接地情況，從中所獲得的數(shù)據(jù)都是工頻接地電阻。據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》得知，防雷建筑物類型不同，對其所要求的沖擊接地電阻是存在差別的?，F(xiàn)實操作中，防雷檢測人員直接把檢測所得工頻接地電阻值作為沖擊接地電阻值，并且還將其寫入到具體的檢測報告當中，這與規(guī)范要求不相符。即使利用換算系統(tǒng)將沖擊接地電阻換算出來，因公式自身存在不足與缺陷，同樣會出現(xiàn)誤差。本文借助于人工垂直接地電阻的具體計算公式與其沖擊系數(shù)，指出對沖擊接地電阻造成影響的各種因素，且通過換算公式的對比，來更加深入的認識沖擊接地電阻，為相關(guān)防雷接地工作提供參考與指導。

1 接地電阻的基本定義

1.1 工頻接地電阻

傳統(tǒng)架構(gòu)下所定義的接地電阻，均為工頻接地電阻；從根本上來講，就是一定電流通過接地極流入到大地時，接地極與無窮遠處的零電位面間的電流I與電位差V的比值。一般來講，接地電阻主要包含如下要素：土壤的散流電阻、土壤與接地體之間的接觸電阻、接地體自身的電阻及接地引線的電阻。針對散流電阻而言，其相比于其它電阻，要更大，所以，可以將接地電阻與流散電阻對等。

1.2 沖擊接地電阻

從根本上來講，就是接地體對地沖擊電壓的幅值比上沖擊電流的幅值的比值。受接地體自身電容與電感的影響，沖擊電壓與電流的幅值不會同時出現(xiàn)，所以，針對沖擊電阻而言，其實為一個認為改變，并不存在現(xiàn)實層面的物理意義，只有當雷電流經(jīng)接地裝置時，其才能真正被體現(xiàn)。

2 沖擊接地電阻所具有的散流特性

2.1 沖擊電流經(jīng)接地體時所存在的散流特性

①對于沖擊電流而言，其大體與高頻電流相當，所以，在經(jīng)過接地體時，除了接地體的電導與電阻之外，其電容與電感對沖擊阻抗會產(chǎn)生相應(yīng)作用；而對于其作用大小來講，除了會對接地體的形狀產(chǎn)生決定作用外，還會對沖擊電流的幅值、波形及土壤電阻率等，起到關(guān)鍵作用。②當雷電流處于泄放狀態(tài)時，若相比于土壤的臨界場，電場強度存在明顯偏強的情況，那么土壤內(nèi)與接地體比較接近的部分，會出現(xiàn)局部放電的情況，這便會降低接地電阻；從根本上來講，好比是減少了土壤的電阻率，或是增加了接地體的直徑，此狀況即為火花效應(yīng)。③因沖擊電流有著比較高的頻譜，接地體自帶的電感會對電流流向遠端造成阻礙，進而難以充分利用接地體。如此一來，會造成沖擊接地電阻相比工頻接地電阻偏大的情況，即電感效應(yīng)。

2.2 沖擊系數(shù)

所謂沖擊系數(shù)α，從根本上來講，就是沖擊接地電阻Rch與工頻接地電阻R相比較所得到的數(shù)值，即為沖擊系數(shù)α。針對集中接地體而言，α通常會<1，但如果是有著比較大長度的伸長接地體，因其存在較強的電感效應(yīng)，α可能>1。A為規(guī)范接地裝置沖擊接地電阻與工頻接地電阻的換算公式R=ARi當中換算系數(shù)A的倒數(shù)。針對此數(shù)值而言，其乃是反映接地裝置沖擊特性的關(guān)鍵參數(shù)，其有助于更好開展防雷接地工程設(shè)計，僅需將接地裝置的工頻接地電阻測出，便能依據(jù)相應(yīng)沖擊系數(shù)，將其沖擊接地電阻求出來。

受電感效應(yīng)與火花效應(yīng)的多重影響，α值可能<1，也可能>1，起到?jīng)Q定因素的是雷電流在泄放入地過程中，電感效應(yīng)與火花效應(yīng)誰處于主導地位。所以，通過接地電阻儀的應(yīng)用，將工頻接地電阻測出來，其數(shù)值可能會大于或小于沖擊接地電阻。如果接地電阻值處于規(guī)范要求的數(shù)值內(nèi)，當α<1時，可將測量值當作沖擊接地電阻；而若>1，可依據(jù)沖擊系數(shù)，將沖擊接地電阻換算出來，以此對沖擊接地電阻是否與《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》相符進行驗證。

3 對沖擊接地電阻造成影響的因素及其與各類因子間所存在的關(guān)系

3.1 計算人工垂直接地體工頻接地電阻

在設(shè)計工程當中，經(jīng)常將角鋼當作垂直接地極，所以，本文以角鋼為例進行計算。此角鋼截面尺寸為50×50×5mm?？梢罁?jù)如下公式將單根垂直接地極的接地電阻計算出來：

在此公式當中，R（Ω）表示的是接地體電阻；L（m）表示的是角鋼長度；p（Ω·m）表示的是土壤電阻率；d（m）表示的是角鋼的等效直徑；h（m）表示的是角鋼上段與地面之間的距離。其中，可采用如下公式計算出角鋼的等效直徑：

在此公式當中，d（m）所代表的是角鋼的等效直徑；b（m）表示的是等位角鋼界面長度。

在此公式中，b1、b2均代表的是不等邊角鋼截面的長度。

針對沖擊系數(shù)與沖擊接地電阻而言，其除了與接地裝置的幾何尺寸之間存在緊密關(guān)系之外，還與沖擊電流幅值、土壤電阻率之間存在緊密關(guān)聯(lián)。利用大量實驗數(shù)據(jù)開展回歸擬合分析，便能從中得到用于計算沖擊系數(shù)的公式。此公式由3部分構(gòu)成，反應(yīng)能夠反映出沖擊電流幅對沖擊系數(shù)、幾何尺寸、電阻率與沖擊接地電阻之間的關(guān)系。

3.2 計算垂直接地極沖擊系統(tǒng)的公式

在此公式中，L（m）表示的是幾何尺寸；p（Ω·m）代表的是土壤電阻率；IM（kA）表示的是沖擊電流幅值。

基于上述公式，便能將單根垂直接地極的沖擊接地電阻求出來，公式為：

3.3 沖擊接地電阻值與各個因素間所存在的關(guān)系

基于公式（5），通過計算，將模擬圖形畫出來，然后分別分析接地極直徑、接地極尺寸、土壤電阻率及沖擊電流幅值對沖擊電阻的影響。為了更加方便進行分析，將沖洗系數(shù)α替換沖擊接地電阻，當作變量，并以此來開展模擬。

①當p=200Ω·m，d=0.04，h=0.5m時，沖擊系數(shù)α伴隨沖擊電流相應(yīng)幅值的變化而發(fā)生改變。見圖1所示。

由圖1可知，伴隨沖擊電流幅值的增加，沖擊系數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小狀態(tài)，最后保持平緩狀態(tài)。針對此時的沖擊接地電阻而言，其呈現(xiàn)為火花小羊，此時，土壤電阻率會在較短時間內(nèi)快速減小，而沖擊系數(shù)的減小速度更快，但因其有著比較高的沖擊電流頻率，當其伴隨電流的持續(xù)增大而達到一定值時，接地體自身的電感便會對電流流動造成影響與抑制，因而難以充分利用接地體，即呈現(xiàn)出電感效應(yīng)。

②如果IM=1kA，d=0.04m，h=0.5m時，沖擊系數(shù)α伴隨接地極長度在各土壤電阻率中的改變而變化。見圖2所示。

由圖2可知，接地裝置的沖擊接地電阻伴隨幾何尺寸的增加而成減小趨勢，如果幾何尺寸增加至相應(yīng)定值后，接地極呈現(xiàn)出典型的電感效應(yīng)，另外，針對其沖擊接地電阻而言，便會逐漸趨向穩(wěn)定，而其工頻接地電阻則會伴隨幾何尺寸的增加而持續(xù)下降。所以，沖擊系數(shù)伴隨接地極幾何尺寸的增加而呈現(xiàn)增加態(tài)勢。

4 計算有效長度及分析

沖擊電流幅值與有效長度之間呈負相關(guān)，即沖擊電流幅值越大，則有效長度就越小。究其原因，主要因為在沖擊電流作用下，若其波頭時間會保持不變，則接地極有效長度會持續(xù)變小。此外，當土壤有著越大的電阻率時，接地極便會有越長的有效長度，主要因為土壤電阻率越大，其對接地極自靠近入地端向土壤中散流阻礙作用越大，針對此時的沖擊電流而言，其僅能向接地極末端流動，如此一來，會隨接地極的有效長度增大，進而呈現(xiàn)為沖擊接地電阻的增大。通過對接地極有效長度的相關(guān)因素進行分析，可以對普通垂直接地極的有效長度作出如下定義：

在此公式中，le表示的是有效長度（m）；τ代表的是波頭時間（μs）；IM表示的是雷電流幅值（kA）。規(guī)范中所提出的有效長度公式：

現(xiàn)通過計算模擬出2個有效長度隨土壤電阻率的變化關(guān)系：以規(guī)范附錄6雷電電流首次以后雷擊的雷電電流參量當作變量計算，結(jié)果見表1。

模擬圖形見圖3所示。

由圖3可知，借助于公式（7），將有效長度計算出來，并得知其伴隨土壤電阻率呈增大趨勢，其值較公式（6）所得有效長度，要明顯偏大。由此表明，公式（7）沒有將火花效應(yīng)考慮在內(nèi)，如果想要在沖擊接地電阻值上達到同樣效果，需要比公式（6）采用更多的接地材料。

5 結(jié)論

綜上，基于上述分析可知，如果土壤電阻率<100Ω·m，那么沖擊系數(shù)易>1，從根本上來講，就是沖擊接地電阻>工頻接地電阻；若經(jīng)測量所獲得工頻接地電阻當作沖擊接地電阻，則與規(guī)范不相符，會對人身及設(shè)備安全造成嚴重威脅，所以，在檢測防雷接地裝置時，需對接地體的接地方式、長度及土壤電阻率進行深入、全面的了解，并把所得到的工頻接地電阻箱沖擊接地電阻轉(zhuǎn)換。針對各種接地極布置方式，可選用各種沖擊系數(shù)，將沖擊接地電阻值計算出來。在選擇雷電流時，如果難以測得，可依據(jù)建筑物防雷分類標準，取最大電流值，依據(jù)接地極布置方式的不同，取最合宜的分流系數(shù)。

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