地网的设计与研究论文.doc

常规接地网的设计要点摘要:本文简述常见地网的改造及设置方法，并叙述了地网的几个常见问题（地网接地电阻的计算和地网腐蚀等），可在工程设计中作为参考。关键词 地网 接地极 屏蔽效应 腐蚀 1、引言接地是电力、通信、防雷等领域中不可缺少的重要技术环节。接地的作用主要是防止人身遭受电击，设备和线路遭受损坏,预防火灾和防止雷击、静电危害并保障电力系统的正常运行。对于电力系统，接地是保障人身及设备的安全；通信方面，主要是为弱电设备提供良好的工作地，减少设备的噪声；防雷接地则是为雷电流提供一条有效的泄流通道。另外，接地还是静电防护的最有效、最基本的措施。可以说接地是避雷技术最重要的环节，不管是直击雷、感应雷、或其它形式的雷，都必须通过接地装置导入大地。因此，没有合理而良好的接地，就不能有效地防雷。从避雷的角度讲，接地是将已经纳入防雷系统的闪电电流及时的导入大地，而不能让雷电能量集中在防雷系统的某处对被保护物产生破坏作用。然而,接地技术是一项既涉及到理论问题，又受多方面环境制约与影响的实际问题，因而它是一项综合的复杂的工程技术。地网的作用显而易见，但是许多建筑物的地网由于多种原因而达不到接地要求（主要有接地电阻不符合规范或自然接地极不能满足接地要求、地网年限过长且腐蚀严重），致使避雷装置形同虚设，起不到应有的防雷作用。另外，由于土壤类型的多样性，我们会遇到各种特殊环境的接地,接地装置无法达到接地电阻的要求,例如,砂石土壤中的地网、高土壤电阻率地区的接地网。因此,本文就这些问题给出一般地网的建设方法,介绍了接地电阻的计算,侧重阐述了地网腐蚀问题。2、设计的步骤 2.1资料的收集(1)对于地网的设计，可以先测量土壤电阻率、土壤含水量、地下水位及其中所含腐蚀性物质的浓度及雷电日及雷电活动情况，还有建筑物防雷、防爆及防火的等级，用电设备的性质和接地要求，供电制式和接地制式等资料。(2)根据测定资料计算最不利的情况下的土壤电阻率，或根据土壤勘测资料估计土壤电阻率；确定接地电阻值，根据接地电阻要求及土壤电阻率计算接地极的数量和截面，并选定材料及埋设方法。(3)根据以上资料，即可进行设计。2.2地网接地电阻的确定 2.2.1一般来说，接地电阻能满足规程中的接地电阻值，在正常情况下就能满足相应的保护要求，这样可以减少设计工作量。但对于一些特殊情况或特殊要求的，以及规程上未能确定的部分，还必须根据要求进行计算。2.2.2当自然接地极不能满足设计要求时，需要加装人工接地极作为补充。对于比较重要的装置，尽管自然接地极可以满足要求，但是为了防止自然接地极的电气连续性的可能破坏，也必须加装人工接地极，此时，人工接地极的接地电阻为： 式中：Rr为人工接地极的接地电阻（）；R为接地电阻的极限接地电阻（）； Ri为自然接地极的接地电阻（）。2.3常见接地极接地电阻的计算2.3.1不同形状的水平接地极 （.m）土壤电阻率； h(m)接地极埋设深度；d(m) 水平接地极的等效直径，见表1；A水平接地极的形状系数，见表2。表1:常用接地极的等效直径d接地极所用型钢种类等效直径备注钢管或圆钢d=DD钢管或圆钢直径扁钢d=b/2B扁钢宽度等边角钢D=0.84b等边角钢宽度表2:水平接地极的形状系数A形状系数A00.3780.8670.482.141.698.815.272.3.2单根垂直接地极根据使用钢材型号及接地极形状的不同，分别用以下各式计算：圆钢接地极：钢管接地极：扁钢接地极：等边角钢接地极：式中： （.m）土壤电阻率； d(m)钢管或圆钢直径； h(m)接地极埋设深度； L(m)接地极长度(m) 。 2.3.3多根垂直接地极为了降低接地电阻，工程中常采用多根垂直接地极，这样可提供多个对地的电流通道，从而降低了接地电阻。但是接地电阻减少的程度不一定与接地体的数量成正比，因为在电流从单一接地极流出时，将会受到其他接地极的制约，影响电流的散流，这相当于加大了各单一接地极的接地电阻值。这种现象称为并联集合屏蔽效应，为表明屏蔽效应作用的大小，引入接地极的利用系数,它与a/L（垂直接地极之间的距离/垂直接地极的长度）的关系如表3所示： 表3:垂直接地极利用系数与a/L的关系：a/L0.511.522.53.0100.350.540.60.740.790.85接近1由于并联集合屏蔽效应，多根垂直接地极的接地电阻应该是下式所示的值：式中：Rr为多根垂直接地极的总接地电阻（）；n为垂直接地极的根数； R为单一垂直接地极的接地电阻（）；为垂直接地极利用系数。2.3.4复合接地极采用多根垂直接地极，必须用水平接地极连接起来，把它们一起埋入地中，便形成既有垂直接地极，又有水平接地极的复合接地极或称之为地网。对于中小型地网而言，垂直接地极电流散流占主要的，水平接地极仅影响散流，而主要起均压作用。对于大型地网,则水平接地极的电流散流占主要的，而垂直接地极对电流的散流作用很小，主要起固定作用。(1)以垂直接地极为主的接地网，其总的接地电阻为： 式中：R1为单一垂直接地极的接地电阻；R2为水平连接带的接地电阻,常用扁钢为 n为单一接地体的数量；1, 2分别为垂直接地极和水平接地极的利用系数； L2为连接扁钢的长度；b为扁钢边长；h为由地面到扁钢上端的埋深。实际中，以垂直接地极为主的复合接地极，计算时简化为只计算垂直接地极的接地电阻，考虑水平接地极的影响，将计算后的值降低10%即可，这样，可以按接地电阻最大容许值，计算出垂直接地极的根数n： 式中：R为接地电阻的最大容许值；其余同前。(2)以水平接地极为主的，边缘成闭合环形的地网的接地电阻按下式计算：式中：S为地网的总面积(m)；h为水平连接线的埋设深度(m) ；L为垂直接地极和水平接地极的总长(m)；d为水平接地极的直径(m)；为土壤电阻率（.m）。从上式可以看出接地电阻主要决定于地网的面积。而接地极总长度和直径对减小接地电阻的作用很小。因此,增大地网的面积是减小接地电阻的主要因素。表4:为R=5时,地电阻率与地网大小的关系（.m）100200400800010001600S(m)100400160064001000025600由该表看出,在高土壤电阻率的地方,将接地电阻控制在5以下是很困难的。为此,在山区高土壤电阻率采用均衡大地电位,实现联合接地及改造地线的敷设方法。2.3.5其他通用接地极的接地电阻计算式表5:其他通用接地极的接地电阻计算式地表的圆球r圆球半径深埋的圆球h圆球中心到地表的距离 rh地表的圆形平板r圆板的半径垂直深埋的圆形平板r圆板的半径h圆板中心到地表的距离 dL地表的垂直棒L棒在土壤中的长度d棒的直径 dL深埋的垂直棒dL地表的扁带dL深埋的扁带d4hh/n地表的圆环dL深埋的圆环d4hh/n深埋的网格hr水平深埋的两条辐射扁带d4hh/nh为扁带到地表的距离水平深埋的三条辐射扁带d4hh/nh为扁带到地表的距离水平深埋的四条辐射扁带d4hh/nh为扁带到地表的距离水平深埋的六条辐射扁带d4hh/nh为扁带到地表的距离水平深埋的八条辐射扁带d4h 6CU+AI2O3 + Q（温度可达2537或4600以上）工艺特点1.焊接点的载流能力（熔点）与导线的载流能力相等；2.因为焊接点是焊接而成的所以是永久性的，不会老化；3.焊接是一种永久性的分子结合，不会松脱；4.焊接点像铜一样，不受腐蚀性产物的影响；5.焊接点能经受反复多次的大浪涌（故障）电流而不退化；6.焊接方法简单，培训容易；7.供焊接用材料很轻，携带方便；8.进行焊接时，无需外接电源或热源；9.从外观便能核查焊接的质量； 10.可用于焊接铜、铜合金、镀铜钢、各种合金钢包括不锈钢及高阻加热源材料。紫铜搭接杆接地杆通过将纯度为99.9的电解铜以分子键形式与低碳钢钢芯相连接而制成。耐腐蚀性非常好，并且由于使用的钢材具有很高的抗拉强度，所以可以用电槌打入地下很深的深度。反钻孔接头由高含铜量合金制成，不使用商用黄铜，这进一步保证了具有卓越的耐腐蚀性和高强度。是一个制作优质电气连接的简单独立且完备的方法，不需要外来电源或热源。利用粉状氧化铜与铝反应时的产生的高温完成连接。 防腐接地棒 埋入多水土质中长期不会造成接地棒中金属腐刨，与降阻剂合用可取得良好降阻效果，特别适用于多岩石，缺水而且高电阻率的土壤地层中，使用方便、节省工期、节省经费具有负阻特性，在冲击大电流作用下地网电阻下降。化学电解离子接地系统（Chemical Grounding System）化学接地电极由铜合金、化合物组成，电极外表是铜合金，以确保最高导电性能及较长使用寿命，内部含有特制的电解离子化合物，能够吸收空气中的水分，通过潮解作用，将活性电解离子有效释放到周围土壤中，正是因为化学接地电极能不断自动释放出活性电解离子，大大地减低了土壤的电阻率，才使得周围土壤的导电性能可以始终保持在较高的水平，于是故障电流就能够很轻易地扩散到周围的土壤中，从而充分发挥接地系统的保护作用。非常适用于各种有较高接地要求的场合。2.4.3接地极的类型 (1)按理深的情况分类： 水平接地极：埋于地中的表层，有扁钢、线缆及其金属包皮和埋入基础内的导体等。垂直接地极：埋于较深的土壤内，有钢棒、钢管、混凝土柱内的钢筋、自流井管等。(2)按结构分类： 自然接地极：混凝土中钢筋、水管、电缆、自流井管等。人工接地极：扁钢、角钢、钢管、钢棒、管道、埋入基础的接地极。 (3)按接地极的布置方式 外引式接地网：电位分布不均匀，人体不免受到电击的危险，可靠性较差；适用于土壤电阻率较底的的地区和中小型地网；如图1所示 。 环路式接地网：电位分布均匀，人体的接触电压和跨步电压较小，适用于大型建筑物的接地系统，一般情况下优先采用；如图2所示。图1.外引接地网的示意图图2.环路式接地网的示意图GB50057-94(2000年版)第3.2.4条中第六款是这样说的，为了将雷电流散入大地而不产生危险的过电压，接地装置的布置和尺寸比接地电阻的特定值更重要。所以,我们不仅要使接地电阻较小,更主要的是如何选择接地材料和接地装置的布置方式。3、地网腐蚀3.1 腐蚀机理土壤腐蚀的根本原因是土壤中含有水分，所以腐蚀机理在本质上是电化学性质的。埋在土壤中的地网，其表面的不同部位因接触介质的理化性质的不同而形成不同的电极电位，这种地网金属构件上不同电位的差异就是引起地网腐蚀的根本原因，它通过土壤介质构成回路，形成电池，电位较负的部位是阳极区，进行金属的溶解反应，电位较正的部位是阴极区，进行阴极反应。同时由于地网兼有泄流和均压的作用，所以还会发生金属的电解腐蚀。因此，埋入地下的接地体应具有良好的抗腐蚀性能。3.1.1杂散电流腐蚀杂散电流是指在土壤介质中存在一种大小、方向都不固定的电流。，这种电流对金属的腐蚀称为杂散电流腐蚀。也可以称为电腐蚀。杂散电流又分为直流杂散电流和交流杂散电流。直流杂散电流对金属的腐蚀机理同电解原理是一致的。即阳极和阴极。埋地金属的直流杂散电流腐蚀损耗量按法拉第定律计算。1安培的电流一年能腐蚀0.9千克的铁，由此可见，流杂散电流所造成的腐蚀是非常严重的。交流杂散电流一般为工频杂散电流它所造成的腐蚀比直流腐蚀要小。地网泄流时的交流电通过地网的时间不常，因而交流腐蚀一般不考虑。3.1.2微生物腐蚀微生物的生命活动（新陈代谢作用），产生一些具有腐蚀性的产物，对土壤中的地网会造成一定的腐蚀；微生物的活动改变了周围土壤的环境状况（氧浓度、盐浓度和PH值等）形成局部电池腐蚀。一般而言，微生物腐蚀多发生在地势较低的沼泽地带及有机质含量较高的土壤中。3.2地网腐蚀影响因素土壤中含有的气体、细菌及酸度等化学因素和土壤颗粒的尺寸、透气性、含水量等物理因素都是重要的。特别是土壤电阻率和去极化性质往往对腐蚀速率起决定作用。土壤电阻率取决于含水量，而去极化性质取决于透气性和微生物的作用。还有雨水、温度、空气流动和阳光等因素都能引起土壤性质的显著变化。进而直接影响到土壤金属腐蚀速率。尤其是各种因素的相互作用使得金属的腐蚀规律变德更加复杂。3.2.1土壤含水量我国土壤腐蚀的研究表明，土壤湿度极干（W%大于5%）或极湿（W%大于95%）时腐蚀速率极低。 半干半湿（15%25%）时腐蚀速率一般均较高。3.2.2 PH值PH值为6.5 9 .0 中性或接近中性的土壤中阴极过程主要是氧的还原。与氢离子的浓度无直接关系。所以，一般认为PH值在5 .09.0范围内，PH值不是影响腐蚀速率的因素。3.2.3土壤含盐量一方面表现对土壤腐蚀介质导电过程起作用。另外还参加钢的电化学反应，表现在阴离子的促进作用。3.2.4土壤电阻率对微腐蚀电池，不影响腐蚀速率，对宏腐蚀电池，起主要作用。3.2.5气候条件包括大气温度、通风状况、降雨、蒸发等是通过影响理化性质及微生物活动来影响土壤腐蚀性的，所以土壤腐蚀性并不是恒定，而常常有周期性和季节性。3.2.6杂散电流对电力系统接地装置，除了受土壤本身腐蚀外，还受到杂散电流的影响。3.3腐蚀速度腐蚀速度与土壤水分、土壤电阻率、PH值等有关系,土壤的pH值对于地下金属结构物的腐蚀，同样起着重要的作用，pH值的高低决定了地下金属结构物的使用寿命。土壤呈中性时，腐蚀速度和PH值无关，呈酸性时，随PH值减少迅速增大，呈碱性时，随PH值增大而下降。一般土壤中,接地极腐蚀的速度按下式估算:圆钢接地极: (mm/a)扁钢接地极: (mm/a) 式中: 为土壤电阻率（.m）通常人们认为土壤中的交流电是使多处产生侵蚀破坏的原因。然而，一些试验证明当交流电为162/3和50Hz等频率时，若接地极选用得当，则不会产生危险。表7:防腐蚀的接地极最小尺寸和最小截面有关标准列于下表：接地极材料最小尺寸表面镀锌的厚度平均值 （m）埋入基础的接地极材料形状截面(mm2)直径（mm）厚度（mm）钢热镀锌带状100370推荐热镀锌棒状100370可用热镀锌管子25270可用圆形深打电极2070可用圆形线材地面地极1050推荐铅包覆圆形线材81000基础不适用铜钢包覆圆形线材153000裸的或镀锌的或镀铜的带状502不可考虑可用圆形线材35管子202绳索351.8铅包覆绳索35单线1000基础不适用表7防腐蚀的接地极最小尺寸 （取自IEC文献64号（秘书处）157或VDE0185第一部分/78草案）3.4抗腐蚀措施以下简要介绍几种常见的地网防腐蚀措施。加大接地极截面和对接地极表面镀锌对防腐蚀起减缓作用，但对防腐严重的地区无法从根本上解决问题，而且造成大量金属材料的不必要消耗。采用铜及其它耐腐蚀的金属做接地材料美国等西方国家多采用，但一次性投资大，铜的价格昂贵，刚性不够，施工困难。还易造成电偶腐蚀，影响其它刚结构的安全，所以难以大面积的推广。采用复合材料采用碳钢上镀一层锌的办法，依靠表面层上锌的腐蚀保护地网金属，锌只在温和的环境下有较好的耐蚀性，一般土壤环境中，平均腐蚀速率为0.065/a.。使用降阻剂和导电涂料许多试验说明降阻剂对地网的腐蚀有很好的保护作用。采用防腐蚀接地极以铜或钢为基体，外面复合一层厚度不小于0.5mm的铜、铅、锌等有色金属，以适应不同的酸碱等腐蚀介质的防腐需要。对于未采取防腐措施的接地体，当腐蚀速度为0.1mm/a时，圆钢接地体直径不小于12mm，钢管接地体厚度不小于5mm，扁钢接地体厚度不小于5mm；若腐蚀速度超过0.1mm/a时，则接地体的直径和厚度应相应增加。采用“牺牲阳极、阴极保护”技术对地网防腐保护，进一步降低了地网接地电阻，使用年限达四十年以上。该原理认为，金属腐蚀的本质是氧化反应，反应过程中失去电子。若把地网结构环境系统视为电池，则地网就是电池阳极。阳极遭受腐蚀，流出的电流就是氧化反应中失去的电子。电流流入的地方是电池阴极，阴极获取电子，发生的是还原反应，没有腐蚀。基于这一原理，把作为阳极遭受腐蚀的地网设法变为阴极，使其由失去电子变为获取电子，由氧化反应变为还原反应，就由遭受腐蚀变得没有腐蚀。这种方法叫做电化学防腐中的阴极保护。实现阴极保护的手段一般有两种：一是外加电源法；二是牺牲阳极法。外加电源法是利用石墨等作阳极，被保护的接地极或地下金属物作阴极，两者之间加以直流电源，电源的正极接在阳极上，负极接在被保护的接地极或地下金属物上。直流电源可采用降压变压器和整流器。如果电源容易解决，而且工程规模较大，则以采用外加电源法为宜。一种是利用不同金属间电位差或不同电解质中的金属自由电子和氧离子交换产生的直流电流来保护接地板或地下金属物。即将被保护的接地极或地下金属物作为阴极，利用镁合金、铝合金、锌合金等金属做阳极，将阳极与阴极连接起来。作为阳极的保护物将不断消蚀，因此也称为牺牲阳极法。牺牲阳极不需外接电源，且无需维修，阳极消耗也很小，由于电池作用产生的电流小，只用于对电流量需要不太大的地方。一般只在沿海地区和土质、土壤腐蚀性较强的规模大的工程才采用阴极保护法。4.高土壤电阻率的改良 对于电阻率较高的土壤，如砂质，岩石及长期冰冻的土壤，要达到所要求的接地电阻，是十分困难的，为了改变这种局面，可以采取以下一些方法。 4.1深埋法 在含砂土壤区，一般含砂层都在土壤表层，地层较深处的土壤电阻率都比较低。如果将距地面3m处的土壤电阻率定为1.0，则深度在4m 处为0.75，深度在5m 处为0.60，深度在6m 处为0.50，深度在9m 处为0.20。由此可见，在这类土壤区深埋接地体，对降低接地电阻的作用较大。 4.2外引接地法 如果在需要接地装置的附近有导电良好的土壤，不冻的河流，湖泊或海洋时，可采用外引接地，对降低接地电阻是有利的。避雷接地中，由于雷电流的电磁感应，外引接地有个长度极限问题，其规定为： 式中： L为接地体的极限长度（m）； 为土壤电阻率（.m）；T为雷电流的波头时间（s），一般取4。表8:不同土壤电阻率下外引接地的极限长度为土壤电阻率（.M）10020040080016003200L为接地体的极限长度（m）2028.34056.780113一般采用环状或排状。4.3污水引入法有的地方采用深埋和外引接地都不太可能时，可将没有腐蚀性的污水，引至接地体埋设的土壤中，以次来降低土壤电阻率。如接地体采用G50钢管，管上每隔20cm钻以5小孔以便使污水能够流入土壤之中。4.4置换土壤法 采用电阻率较低的土壤，如粘土，黑土及砂质粘土，置换的范围是接地周围半迷以内及接地体长度的三分之一处。如果采土方便且运输费用低的话，埋设接地体的土壤最好全部置换。置换土壤应采取随取随埋的方法，若土壤在空气中暴露时间过长，则达不到预期的效果。4.5人工处理法在接地体周围土壤中加入煤渣、木炭、炉渣、碳黑以及盐类等，也可以降低土壤电阻率。但是，无论采用那种材料，应当是电阻率低，不易流失，性能稳定，易于吸收和保持水分等，并对接地体无强烈腐蚀作用。一般采用盐类（氯化钠、硫酸铜、硫酸镁等）来对土壤电阻率进行降阻。但盐类易流失，持久性较差，接地体腐蚀加快，并降低了接地体的热稳定性等，因此凡可采用其它方法达到接地电阻要求时，一般不轻易采用人工处理法。4.6降阻剂法一般有化学降阻剂和物理降阻剂。化学降阻剂的导电机理与土壤的导电机理相同,即只有在有水时电解质电离出带电的离子才成为导电主体，电解质浓度越高或电离度越大，电阻率越低，降阻性能越好。因此化学降租剂的性能会随季节雨量而变化，电解质含量与土壤中所含电解质浓度有差异，使其电解质逐年流失而电阻值回升。但是，严重的是阴离子对金属的腐蚀，因此，要做到长效稳定的接地电阻比较困难。物理降阻剂以非电解质固体粉末作为导电物，如石灰、石膏、石墨等。物理降阻剂的有效期可达一百年以上，材料多来源于地下的矿物原料，对环境无污染，其导电性不受酸碱盐、高低温、干湿度所限，在混合、储存、使用中都不发生化学反应，无毒