淺析防雷裝置接地材料的選擇及其應(yīng)用

阮衛(wèi)鋒 陳玲龍

紹興防雷安全檢測(cè)有限公司 浙江 紹興312000

防雷離不開(kāi)接地,接地體是建筑物防雷裝置中的重要環(huán)節(jié),無(wú)論是對(duì)直擊雷的防護(hù)還是對(duì)閃電感應(yīng)的防護(hù),最終都是需要通過(guò)接地體將雷電流傳導(dǎo)泄散到大地中去。從整體上講,沒(méi)有完善的接地系統(tǒng),就不會(huì)有防雷裝置的可靠性,接地系統(tǒng)的性能將直接決定著各種防雷措施的效果。

1 接地的概述

帶電導(dǎo)體與大地相接觸的現(xiàn)象稱(chēng)為接地。該定義中隱含了一個(gè)事實(shí)——導(dǎo)體對(duì)大地放電。那么什么是“地”呢?就是以接地點(diǎn)為圓心,距離S為半徑的半球形以遠(yuǎn)處0電位的地方,稱(chēng)作電氣上的“地”。如圖1.1 所示:

圖1.1 電氣上的“地”示意圖

2 接地網(wǎng)

接地網(wǎng)是接地系統(tǒng)的基礎(chǔ),由接地環(huán)(網(wǎng))、接地極(體)和引下線(xiàn)組成。過(guò)去常使用接地環(huán)作為接地的主體,很少使用接地體。接地要求不高或地質(zhì)條件相當(dāng)優(yōu)越的情況下,接地環(huán)的確有效。在通常情況下,接地環(huán)可以起到輔助接地的作用,主導(dǎo)作用是接地體來(lái)完成的。

決定接地電阻大小的因素很多,我們以接地環(huán)作接地主體的情形來(lái)分析傳統(tǒng)地網(wǎng)接地電阻的計(jì)算公式。

式(1)表明,傳統(tǒng)的接地方式在土壤電阻率已經(jīng)確定的情況下,要想達(dá)到設(shè)計(jì)要求的電阻必須有足夠的接地面積,要降低接地電阻只有擴(kuò)大接地面積,每擴(kuò)大4倍的接地面積,接地電阻會(huì)降低1倍。

式(2)、(3)表明,在上述的接地網(wǎng)中,要降低接地電阻的另一個(gè)方法是加大接地材料的尺寸,但耗材太大,效果并不理想。

單使用接地環(huán)要達(dá)到某個(gè)接地電阻值,與接地環(huán)包圍的面積S和土壤電阻率有關(guān)。

3 接地材料

廣泛使用的接地工程材料有各種金屬材料、接地體、降阻劑和離子接地系統(tǒng)等。金屬材料如扁鋼,也常用銅材替代,主要用于接地環(huán)的建設(shè),這是大多數(shù)接地工程都選用的;接地體有金屬接地體(角鋼、銅棒和銅板)這類(lèi)接地體壽命較短,接地電阻上升快,地網(wǎng)改造頻繁,維護(hù)費(fèi)用較高;從傳統(tǒng)金屬接地極(體)中派生出的特殊結(jié)構(gòu)的接地體(帶電解質(zhì)材料)。使用效果比較好,一般稱(chēng)為離子或中空接地系統(tǒng);另外就是非金屬接地體,使用比較方便,幾乎沒(méi)有壽命的約束,各方面比較認(rèn)可。

3.1 非金屬接地體 非金屬接地體在通訊、廣電等部門(mén)有廣泛應(yīng)用。它是由導(dǎo)電能力優(yōu)越的非金屬材料復(fù)合加工成型的,加工方法有澆注成型和機(jī)械壓模成型。一般來(lái)說(shuō)澆注成型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)松散、強(qiáng)度低、導(dǎo)電性能差,而且質(zhì)量不穩(wěn)定,一些小型廠(chǎng)家少量生產(chǎn)使用這樣的辦法;機(jī)械壓膜法是使用設(shè)備在幾到十幾噸的壓力下成型的,不僅尺寸精度較高、外觀(guān)較好,更重要的是材料結(jié)構(gòu)致密、電學(xué)性能好、抗大電流沖擊能力強(qiáng),質(zhì)量也相當(dāng)穩(wěn)定,但是生產(chǎn)成本較高,批量生產(chǎn)多采用這種方法。選型時(shí),盡量采用后者,特別是接地體有抗大電流或大沖擊電流的要求(如電力工作地、防雷接地)時(shí),不宜采用澆注成型的非金屬接地體。非金屬接地體是不受腐蝕的接地體,其穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性、使用壽命都是現(xiàn)有接地材料中最好的,不需要定期改造和維護(hù)。非金屬接地體施工需要的地網(wǎng)面積比傳統(tǒng)接地面積小很多,但是在不同地質(zhì)條件下,也需要保證足夠的接地面積才可以達(dá)到良好的效果。

3.2 離子接地系統(tǒng) 離子接地系統(tǒng)是傳統(tǒng)的金屬接地改進(jìn)而來(lái)的,從工作原理到材料選用都有脫胎換骨的變化,形成各種形狀的結(jié)構(gòu)。這些接地系統(tǒng)的共同點(diǎn)是結(jié)構(gòu)部分采用防腐性更好的金屬,內(nèi)填充電解物質(zhì)及其載體組成的內(nèi)填料,外包裹導(dǎo)電性能良好的不定性導(dǎo)電復(fù)合材料,一般稱(chēng)為外填料。接地系統(tǒng)常用的金屬材料有不銹鋼、銅包鋼和純銅材。不銹鋼的防腐較鋼材好,但是在埋地環(huán)境中依然會(huì)多多少少的銹蝕,以不銹鋼為主體的接地系統(tǒng)不宜在腐蝕性嚴(yán)重的環(huán)境中使用。表面處理過(guò)的銅是很好的抗銹蝕材料。銅包鋼是銅—鋼復(fù)合材料,鋼材表面覆蓋銅,由套管法或電鍍法成產(chǎn),表面銅層的厚度從0.01mm 到0.50 mm,厚度越厚防腐效果越好。純銅材料防腐蝕性能最好,但是成本太高。由于接地系統(tǒng)大多向垂直方向發(fā)展,所以接地面積很小,可以滿(mǎn)足地形嚴(yán)重局限的工程需要。

4 綜述

上面介紹的各種接地材料各有優(yōu)勢(shì),但是都有自身的局限。我們提倡各取所長(zhǎng),選擇適當(dāng)?shù)牟牧蠞M(mǎn)足不同的工況。

序號(hào)接地材料降阻劑 非金屬接地體 中空接地棒傳統(tǒng)接地1 使用接地類(lèi)型 地網(wǎng)與接地極接地極接地極地網(wǎng)與接地極2 新建地網(wǎng)施工簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單較簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單3 改造地網(wǎng)施工復(fù)雜簡(jiǎn)單較簡(jiǎn)單復(fù)雜通用4適用環(huán)境普通地網(wǎng)通用惡劣地質(zhì)條件,腐蝕環(huán)境較高要求的地網(wǎng)地網(wǎng)面積小的城市或復(fù)雜山巖環(huán)境5價(jià)格比較低較高較高地質(zhì)條件好時(shí)要求低且便宜,地質(zhì)條件惡劣時(shí)要求高較貴或很貴6抗腐蝕性能有防腐作用不被腐蝕較好防腐能力低7氣候穩(wěn)定性普通優(yōu)異較好不好8使用壽命較長(zhǎng)最長(zhǎng)最長(zhǎng)短,常需要改造

對(duì)于大型建筑物而言,本身占地很大考慮到要求獨(dú)立地的設(shè)備,一個(gè)地網(wǎng)是不夠的。在高樓林立、寸土寸金的城市和地形復(fù)雜的山地,很難有滿(mǎn)足大面積施工的場(chǎng)地和土質(zhì),即時(shí)地理?xiàng)l件許可,由于開(kāi)挖量大、耗材多、費(fèi)工費(fèi)料,工程造價(jià)相當(dāng)高。所以,需要運(yùn)用更好的接地材料和施工設(shè)計(jì)方法。