車載式雷達接地電阻設(shè)計

63889 部隊 羅軍 宋余愷 李成杰

本文針對車載式雷達機動到臨時陣地時需可靠接地的問題，通過分析接地電阻的構(gòu)成及影響因素，研究了一種車載式雷達接地網(wǎng)的設(shè)計方法及接地電阻的測量方法。該方法適用于無接地電阻測試儀時的場景，操作簡單易行、實用性強，能夠滿足機動雷達野外執(zhí)行任務時便捷、高效的接地需求。

雷達接地性能的好壞不僅影響裝備的安全，操作手在使用中也存在安全隱患。就車載式雷達而言，其工作特性導致雷達陣地多變，為滿足車載式雷達的高機動性，如何設(shè)計一種簡易、有效的接地裝置，既能降低施工成本，同時又不影響雷達架設(shè)的復雜程度和使用，是十分關(guān)鍵的。本文首先介紹了接地電阻的概念，而后設(shè)計了一種簡易的接地裝置和方法，為了保證所設(shè)計的接地電阻能夠滿足實際要求，本文最后從原理上詳細闡述了接地電阻測量方法，并進行接地電阻的實際測量。

1 接地電阻的概念

所謂接地電阻是指電流由接地裝置流入大地，再經(jīng)大地流向另一接地體或向遠處擴散時的電阻，用來衡量接地狀態(tài)是否良好的一個重要參數(shù)。一般來說，接地電阻并不是單一的電阻，通常由以下部分組成：接地線和接地體自身的電阻、接地體與大地之間的接觸電阻、兩接地體之間的電阻以及接地體到無限遠處的大地電阻構(gòu)成[1]。以避雷針來進行說明，接地體引線就是避雷針與接地體之間的連接線，接地體與大地之間的接觸電阻與大地電阻之和常被稱為流散電阻[2]。金屬接地線的電阻值很小，通常忽略不計，因此接地電阻的大小幾乎全部來自于流散電阻值。因此，計算接地體接地電阻的公式如式（1）-式（3）所示[3]：

式中ρ為土壤電阻率，d為接地體直徑，S為等效地網(wǎng)面積，H為埋設(shè)深度，L為接地極長度，為形狀系數(shù)。

三個公式所考慮的因素依次增多，因而所設(shè)計出的接地電阻值也越來越精確。在實際應用中，我們可以結(jié)合自身任務的實際需要，在誤差允許范圍內(nèi)，選擇性地應用上述公式，并依據(jù)公式中的參數(shù)，采取不同途徑，針對性地降低接地電阻。

通常情況下，接地電阻值通過接地電阻測試儀進行測試而得。但對于車載式雷達防雷接地而言，則需重點關(guān)注于雷擊時的瞬時電阻值。由于雷電發(fā)生時通常產(chǎn)生的是瞬時電流，在實驗室中對瞬時電流進行模擬測量，發(fā)現(xiàn)當電流瞬間增加到一定值后，此時電阻兩端的瞬時電壓與電流的比值不再是一個恒量，其原因是當接地體在瞬間接收了較為強的電流時，其自身會釋放部分電流，這也直接地反應出接地體對雷電的釋放性能。通常綜合裝備的承受能力以及人員安全等因素，瞬時電阻的測試基本上都是在實驗室完成，根據(jù)大量的測試數(shù)據(jù)對比，在一定土壤電阻率下，瞬時電阻與通常意義上的接地電阻存在一定的數(shù)量關(guān)系，如表1所示。

表1 沖擊電阻與接地電阻的關(guān)系Tab.1 The relationship between impulse resistance and grounding resistance

從表1中可以得出，瞬時電阻可用與通常意義上的接地電阻互為代替。

2 接地裝置的設(shè)計

為滿足車載式雷達良好接地狀態(tài)，對防雷接地電阻要求是越小越好。但就車載式雷達的特點而言，其在臨時陣地使用時長且環(huán)境復雜多變，這就必須考慮接地電阻裝置的費效比以及在臨時陣地上的施工復雜程度。所以在滿足裝備使用要求的前提下，必須充分考慮接地裝置的材料、結(jié)構(gòu)、陣地的地形地質(zhì)和施工難度等。從公式（1）-公式（3）可知，我們可從采用合適的接地體材質(zhì)及空間結(jié)構(gòu)、減小土壤電阻系數(shù)、采用多個接地體并聯(lián)來加大接地體尺寸等方法，來減小實際接地電阻值，從而達到使用要求。

2.1 接地材料的選擇

接地裝置的材料選擇至關(guān)重要，常用的接地體宜采用圓鋼、鋼管、角鋼、扁鋼等接地材料制作。其中，圓鋼直徑不應小于10mm；扁鋼截面不應小于100mm2，其厚度不應小于4mm；角鋼厚度不應小于4mm；鋼管壁厚不應小于3.5mm。為有效降低接地體與土壤的接觸電阻，埋入土壤中的人工垂直接地體宜采用角鋼、水平接地體宜采用扁鋼。但在實際使用過程中，根據(jù)陣地的使用時長、雷達對接地電阻值的要求來確定不同的接地材料。接地材料的選擇其最關(guān)鍵地是需要降低接地體電阻和接地體與土壤的接觸電阻，此外，還要具有防潮防腐蝕等性能，確保能夠在土壤中不變質(zhì)，保證接地電阻的耐用性。通常情況下，接地體在地下的腐蝕速度受以下因素影響：土壤的含水量含氧量、PH值和含鹽量、電解質(zhì)、雜散電流、土壤的電阻率等?？紤]到上述因素，銅材不僅電阻率小在耐腐蝕性能上也優(yōu)于鋼材、鋅材、鐵材，可作為接地裝置首選材料。

2.2 接地形式的選擇

車載式雷達的接地方式分為系統(tǒng)接地和防雷接地，其接地體的空間結(jié)構(gòu)將直接影響接地電阻的大小，通常以多層水平接地網(wǎng)來增加接地體的等效接地面積，以增大電通量，而后使用多個垂直接地體將上述多個水平接地網(wǎng)并聯(lián)，以此有效降低接地電阻值。

2.3 降低接地電阻方法的選擇

在大地電阻率較大的砂質(zhì)、巖盤等土壤中，為了滿足降低接地電阻的要求，從公式(1)-公式(3)可知，接地電阻R與土壤電阻率ρ成正比，那么通過降低土壤的電阻率ρ，就能直接降低接地電阻。通常改善土壤電阻率的方法有換電阻率較低的土、深埋、物理及化學降阻等，其作用機理都是提高土壤的導電能力，實現(xiàn)減小接觸電阻的目標。實際工作中，最方便有效的方法是化學降阻，例如使用工業(yè)用鹽調(diào)制的混合鹽水。將其澆灌在接地體周圍的土壤，減小接地體與土壤之間的空隙，增加接地體與土壤之間的導電性能；同時土壤吸收了混合鹽水后，降低其電阻率，提高了土壤的導電性能。

2.4 接地體施工

在距離雷達5m 左右的位置挖一個長寬高分別為2.5m、2.5m、1.5m 深的坑。首先，使用將厚3mm 寬25mm 的純銅條焊接成如圖1所示的銅條網(wǎng)，并將其放入坑底，值得注意的是，銅條交叉處的焊接點必須進行防腐蝕處理。本節(jié)所介紹的立體接地網(wǎng)由兩層銅條網(wǎng)組成，上層銅條網(wǎng)距離下層50cm。另外下層銅條網(wǎng)的三條邊超過深坑邊的銅條4.1m 焊制，這三根4.1m 銅條在放入深坑前需向上彎折90°，這樣以來，在完成土壤填埋后，高出地面10cm 的銅條可以作為垂直接地體。銅條網(wǎng)安裝好后填埋時，在條件允許的情況下，可以按照2.3 節(jié)所述換土法，將原本較高電阻率的砂石更換為低土壤電阻率的黑土等，并將黑土和工業(yè)鹽混合；若臨時陣地周圍沒有較低電阻率的土壤，在填埋過程中可直接將工業(yè)鹽水澆灌到原有土壤中。在后期使用過程中，要定期用水澆灌，以使接地網(wǎng)和土壤之間的接觸電阻始終保持在較低水平[4]。

圖1 接地銅條網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of the grounding copper strip resistance network

3 接地電阻的測量方法

接地技術(shù)是車載雷達防雷所必須采取的保護性措施，是保證設(shè)備和操作人員安全的重要手段。為了達到實際任務的需求，在接地裝置投入使用之前，我們需要對其接地電阻值進行測量，來檢驗所設(shè)計裝置的導電性能否滿足安全性和系統(tǒng)工作需求。本節(jié)將介紹兩種常用的測量接地電阻值的方法：接地電阻測試儀測量和電位降法測量。

3.1 接地電阻測試儀測試接地電阻

當前常用的數(shù)字接地電阻測量儀都采用了集成電路，通過將電流注入至被測物與儀器自身的輔助接地極，在其之間就會產(chǎn)生電壓，通過歐姆定律計算，可以得到準確電阻值，并顯示在表頭上供我們讀取。我們以TES-1605數(shù)字接地電阻測量儀為例，在被測接地樁的同側(cè)地上打入兩根輔助測試樁，要求這兩根測試樁分別距被測接地樁20m、40m 且與被測地樁保持直線，三根5m、20m、40m 導線分別連接被測物接地極、電位探棒和電流探棒。此時按下測試按鈕，即可計算出被測接地樁的地阻值。

3.2 電位降法測量接地電阻

使用接地電阻測試儀來測試接地電阻是最為便捷的方法，然而在實際情況下，我們可能沒有專用的測試儀，因此，我們需要對接地電阻進行間接測試，本節(jié)我們將介紹一種利用萬用表、電源等設(shè)備來間接測量接地電阻的方法——電位降法[5]。

3.2.1 電位降法測量原理

要測量接地電阻，需要給接地體注入一定大小的電流I，并測出實際電壓U，即可計算出接地電阻的大小，如公式（4）所示：

值得注意的是，此處的電壓U實際上是接地網(wǎng)連接點與大地零電位之間的電壓，而大地零電位理論上是在無窮遠處，不可能將電壓加在待測地極與無窮遠之間，因此，為了解決此問題，我們引入一個測試電流極。在引入測試電流極后，空間中的電場強度就會發(fā)生變化，在此電流極和待測電極之間就會形成一個零電位面，而后，計算零電位面與待測接地極之間的電位差，即可算出準確的接地電阻值。因此，測量的關(guān)鍵就在于準確地找到此零電位面的位置，本節(jié)將在原理上推導出此零電位面位置的理論值。測試原理如圖2所示。

圖2 電位降法測量原理圖Fig.2 The schematic diagram of fall-of-potential method

圖2中1 為待測地極，2 為測量電位極，3 為電流極，G為接地體。設(shè)接地極和電流極之間的土壤電導率均勻，且為σ，設(shè)地極1、2、3 為球形且半徑為 1r、2r、3r。當電流I流向待測電極1 后，會以半球形向大地內(nèi)流散，那么，距離接地極x處的電流密度表示為如式（5）所示：

由電場強度E1=Jσ，距離接地極x處的電位表示為如式（6）所示：

其中E1為由電極1 產(chǎn)生的電場強度，因此，倘若沒有電極3，此時電極1、2 之間的電位差表示為如式（7）所示：

然而，電極3 的出現(xiàn)，使得電極1、2 之間的電位差發(fā)生改變。我們將電極3 看作向外發(fā)射負電荷的電極，那么在由電極3 產(chǎn)生的電場（電場強度）中電極1、2 之間的電位差表示為如式（8）所示：

其中U' 表示為由電極3 產(chǎn)生的電位差，因此如式（9）所示：

得到如式（10）所示：

電極1、2 之間實際的電位差表示為如式（11）所示：

電極2 的電位表示為如式（12）所示：

由公式(6)可得，電極1 的電位如式（13）所示：

因此，得到如式（14）所示：

令d12=nd13，并且U2= 0，可得如式（5）所示：

3.2.2 電位降法測量接地電阻實際操作

采用電位降法測量接地電阻時，所需要的設(shè)備簡單，如果沒有專門的電壓表和電流表，可以用萬用表替代，電源可以用雷達的交流電源或電站的蓄電池替代。布置測試回路通常按照圖2所示，需要特別注意的是，要求測試回路電流極與被試接地體中心距離d13應為被試接地體最大對角線長度的4 ～5 倍。在測量過程中，將電源加在電流極和接地極之間，以產(chǎn)生恒定電流，圖中三個接線端子，端子1 接到接地體G、端子2 接到電流探針、端子3接到電位探針。測量時，在3 端子產(chǎn)生的恒定電流經(jīng)電流探針-地-接地體-1 端子，形成電流回路。只要d12和d13具有合適的比例關(guān)系，通過測量G和2 端子之間的電壓U，其電壓U和電流I的比值就是接地電阻值。

4 結(jié)語

本文主要介紹了接地電阻的概念，分析了接地電阻的構(gòu)成及影響因素，且根據(jù)這些因素設(shè)計了一種簡單有效的車載式雷達接地電阻，用于布設(shè)在雷達臨時陣地。在此基礎(chǔ)上，簡要介紹了兩種測量接地電阻值的方法，使用接地電阻儀測試和電位降法。其中重點分析了電位降法的測試原理及實際操作，該方法實用于沒有專用的接地電阻測試儀時需要測量接地電阻的場景，操作簡單易行。總得來說，本文所闡述的雷達接地電阻的設(shè)計和測量接地電阻值的方法，一定程度上能夠滿足我們在執(zhí)行任務中，所提出的快捷性、實用性要求。