土壤結(jié)構(gòu)和雷電流沖擊電阻的關(guān)系

李雪，孟陳 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

0 引言

接地裝置應(yīng)能夠承受電力裝置短路電流和雷電流的沖擊，以保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和建筑物的安全。雷電流經(jīng)接地裝置向大地中散流時(shí)，僅在電流注入點(diǎn)附近作用，造成接地網(wǎng)部分局部電位很高，可能會(huì)產(chǎn)生超出人類安全范圍的跨步電壓和接觸電壓。因此需要對(duì)雷電流的沖擊特性進(jìn)行研究，而反映沖擊特性的重要指標(biāo)就是沖擊接地電阻，它與接地裝置所處的土壤電阻率密切相關(guān)。我國地域遼闊，隨著緯度的變化，土壤電阻率也隨之改變，同時(shí)也存在土壤不均勻的情況。本文將分別分析均勻和非均勻土壤電阻率的情況下的沖擊接地電阻。由于沖擊接地電阻計(jì)算量大，實(shí)際工程中，一般先計(jì)算出工頻接地電阻，再根據(jù)一定的關(guān)系，計(jì)算出沖擊接地電阻。

1 接地電阻的定義和接地裝置材質(zhì)選擇

1.1 接地電阻的定義

接地電阻是指在已知頻率下，系統(tǒng)、裝置或設(shè)備的指定點(diǎn)與參考地之間的電阻。它包含兩部分，一部分為接地導(dǎo)體及接地極的電阻；另一部分為接地極周圍土壤的散流電阻。通過測(cè)量得知，接地導(dǎo)體、接地極的電阻值很小，可忽略不計(jì)，所以接地電阻一般是指散流電阻。電氣接地系統(tǒng)中，通常情況下存在兩種類型的電流分別為工頻電流和沖擊電流（雷電流），前者在土壤中產(chǎn)生的電阻成為工頻電阻，后者為沖擊電阻。雷電流可以在接地極附近形成很強(qiáng)的電場(chǎng)，將土壤擊穿并產(chǎn)生火花，相當(dāng)于增加接地極截面，從而減少?zèng)_擊接地電阻；另外由于雷電流具有高頻特性，使得接地極本身電抗增大，電阻減小，沖擊接地電阻小于工頻接地電阻。工頻接地電阻和沖擊接地電阻均和土壤結(jié)構(gòu)類型密切相關(guān)，一般通過先計(jì)算工頻電阻，再通過數(shù)學(xué)模型，得到?jīng)_擊接地電阻。

1.2 接地裝置的選擇

接地極分為自然接地極和人工接地極。自然接地極是指建筑物內(nèi)的各種金屬構(gòu)件、設(shè)備基礎(chǔ)的鋼筋等兼做接地極使用，直接與大地有直接接觸的可導(dǎo)電部分；人工接地極是為建筑物或基礎(chǔ)電氣服務(wù)設(shè)施專門設(shè)置的接地極。自然接地電阻比人工接地電阻小得多，兩者相互作用后可以忽略不計(jì)，本文計(jì)算直接得到的均為人工接地極工頻接地電阻。接地極的材料和尺寸選擇應(yīng)滿足《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T50065-2011）第8.12條的規(guī)定，這里不再說明。

2 土壤電阻率

土壤電阻率與導(dǎo)入電流的頻率有關(guān)，隨著頻率的升高而減少，具有頻變特性。同時(shí)，也與土壤的類型、含水量、溫度、土壤顆粒大小等密切相關(guān)。建筑工程設(shè)計(jì)中，一般以實(shí)測(cè)值作為設(shè)計(jì)依據(jù)，目前普遍采用Wenner法測(cè)量土壤的電阻，然后經(jīng)過反演得到等效的土壤模型。Wenner法測(cè)量的基準(zhǔn)是工頻信號(hào)，得到工頻接地電阻，再經(jīng)過一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，轉(zhuǎn)換成沖擊接地電阻。我國地形復(fù)雜，土壤分層結(jié)構(gòu)明顯，最典型的分層結(jié)構(gòu)是雙層土壤如圖1所示。實(shí)際工程中，為了便于使用，引入等效土壤電阻率ρ，只要求出ρ將其帶入接地電阻計(jì)算公式，就可得到非均勻土壤中的接地電阻。下面分兩種情況說明非均勻土壤電阻率及電阻的計(jì)算：

接地極所處的土壤上下電阻率不同（垂直分層），上層土壤電阻率為ρ，垂直接地極的長(zhǎng)度為l m，上層土壤埋深H m，下層土壤電阻率為ρ，如圖1（a）所示，等效電阻率ρ計(jì)算如下：

圖1 典型兩層土壤電阻率示意圖

l＜H時(shí)，ρ=ρ；

如圖（b），接地極左部分土壤電阻率ρ1，面積為S，右部分土壤電阻率ρ，面積為S2，ρ等效接地電阻R如下式：

上述求得土壤等效電阻率還需要考慮季節(jié)變化的因素，因此需要對(duì)土壤電阻率或土壤電阻進(jìn)行修正：

①非雷電狀態(tài)下土壤電阻率和電阻的數(shù)值需乘以表1中的季節(jié)系數(shù)φ（潮濕）、φ（中等含水量）或φ（干燥或降水量不大）進(jìn)行修正。

季節(jié)系數(shù) 表1

②雷電狀態(tài)下土壤電阻率和電阻的數(shù)值需乘以表2中的季節(jié)干燥系數(shù)φ進(jìn)行修正。

土壤干燥時(shí)的季節(jié)系數(shù) 表2

3 沖擊接地電阻

3.1 人工接地極工頻接地電阻的計(jì)算

以下接地極的計(jì)算都是在均勻土壤的環(huán)境中。

垂直接地極R的計(jì)算（圖2）：

圖2 垂直接地極示意圖OP

式中：ρ——土壤電阻率（Ω·m）；

l——垂直接地極的長(zhǎng)度（m）；

d——接地極形狀為圓導(dǎo)體時(shí)，取圓導(dǎo)體直徑；

若是接地極并非圓形，而是其他形狀如圖3。

圖3 不規(guī)則導(dǎo)體形狀示意圖

不等邊角鋼d=0.71[bb(b+b)]。

不同形狀水平接地極電阻R

L——水平接地極的總有效長(zhǎng)度，其大小和土壤密度相關(guān)；

A——水平接地極的形狀系數(shù)，取值詳見《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T50065-2011）附錄A表A.0.2。

ρ和d的定義均和上式一致。

圖4 建筑物形狀系數(shù)A

L=(20+15)×2=70m。

上述土壤電阻率若是考慮季節(jié)因素，則需要考慮土壤電阻率的校正，詳見本文第2節(jié)。

3.2 沖擊接地電阻和工頻接地電阻的換算

雷電是發(fā)生的時(shí)間極短，電流幅值大，等值頻率高，對(duì)接地裝置而言是一種沖擊信號(hào)。我們對(duì)雷電信號(hào)的研究通過實(shí)驗(yàn)?zāi)M雷電信號(hào)，反演建立數(shù)學(xué)模型，因此，無論是測(cè)量還是計(jì)算沖擊接地電阻都很復(fù)雜。實(shí)際工程中，采用經(jīng)驗(yàn)算法，測(cè)量或計(jì)算出工頻接地電阻，乘以沖擊系數(shù)α得到?jīng)_擊接地電阻。

R=αR

式中：R——根據(jù)接地極有效長(zhǎng)度L得到的工頻接地電阻；

α——沖擊系數(shù)；

R——沖擊接地電阻。

α系數(shù)的取值由圖5確定。

圖5 沖擊系數(shù)α

由圖5知，首先計(jì)算接地極的有效長(zhǎng)度L，其次由實(shí)際長(zhǎng)度和有效長(zhǎng)度的比值確定橫坐標(biāo)，根據(jù)土壤電阻密度ρ確定折線后就可以查出α的值，即可得到?jīng)_擊接地電阻R。這種經(jīng)驗(yàn)方法計(jì)算出的沖擊接地電阻雖然不能反映雷電的真實(shí)特性，但是在防雷設(shè)計(jì)中是很有意義。

3.3 降阻措施

雷電流經(jīng)過接地裝置進(jìn)行泄流時(shí)，接地電阻越小，泄雷作用越好，因此接地電阻直接影響到防雷的水平。建筑物內(nèi)設(shè)備功能不同，對(duì)接地裝置的要求不同，那么可能有多個(gè)接地裝置，它們之間由于電位不同而產(chǎn)生的電位差將直接危害人類安全。為了避免上述情況發(fā)生，采用共用接地裝置，其接地電阻必須按照設(shè)備規(guī)定的最小阻值確定。當(dāng)接地裝置難以達(dá)到最小阻值要求，則在接地極周圍加入降阻材料降低，以改善局部土壤的導(dǎo)電性，但是，使用的降阻材料對(duì)接地裝置無腐蝕，否則會(huì)影響到接地裝置的性能。

4 結(jié)語

雷電流和工頻電流作用于接地裝置及周邊土壤時(shí)散流過程有較大的差異，沖擊接地電阻不同于工頻接地電阻。通過大量實(shí)驗(yàn)可知，接地電阻和土壤電阻率及沖擊電流幅值有關(guān)，由于雷電是一種不規(guī)則的大自然現(xiàn)象，無法控制其幅值的大小，因此，重點(diǎn)研究土壤電阻率和接地電阻的關(guān)系。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，土壤電阻率越小，接地體有效散流長(zhǎng)度越短，接地電阻越小，雷電流在接地裝置上分布越均勻，散流的效果越好。實(shí)際工程中，建筑物及服務(wù)設(shè)備共用接地裝置，接地電阻取值較小，無法滿足要求時(shí)，采用降阻措施達(dá)到規(guī)定值。本文通過研究土壤電阻率和雷電流沖擊接地電阻的關(guān)系，表明接地裝置的設(shè)置的必要性，以期對(duì)從事相關(guān)行業(yè)的工作人員起到參考作用。