數字化地震臺防雷接地網設置

王黨席 李少睿

（中國西安 710068陜西省地震局）

數字化地震臺防雷接地網設置

王黨席 李少睿

（中國西安 710068陜西省地震局）

雷電流釋放主要通過接地體完成，對垂直接地體和水平接地體進行數學建模，推導兩個模型的接地電阻公式，并對工程實施中接地電阻進行計算，所得結果與實測值接近。此方法具有一定工程參考價值，值得推廣。

雷電流；垂直接地體；水平接地體；接地電阻

0 引言

隨著電子技術和通訊技術的飛速發展，中國地震監測設備從模擬觀測時代步入數字化時代。根據地震科研需要，中國在“十五”、“十一五”、“十二五”期間建立一批數字化無人值守地震臺站，大多地處偏遠山區，且GNSS臺站位于無遮擋的開闊區，均是雷電高發區。設備在每年雷雨季節，經常出現雷擊事件，輕則供電線路出現故障或者儀器數據出現異常，重則整套觀測系統被擊毀。所以防雷接地網是防雷系統關鍵環節。

1 雷電流的產生和釋放

雷電分為直擊雷和感應雷。雷擊桿塔塔頂、雷擊避雷針等都為直擊雷現象（王鳳，2005）。感應雷是：雷云對導體附近地面放電，導線上束縛的電荷得到釋放，沿導線兩側運動形成感應雷過電壓；雷電流在雷電通道周圍建立強大磁場，磁場變化使導線感應高電壓。無論是直擊雷還是感應雷，放電產生的雷電流高達數十、甚至數百千安培，從而引起巨大的電磁效應、機械效應和熱效應（黃錫定等，2007）。巨大的電流會使被擊物體炸毀、燃燒，線路熔斷，供電故障，進而引起儀器的各種故障。因此，良好的接地可以有效泄放雷電流，降低電氣裝置的對地電位。

雷電流最終流向大地（黃暉等，2008）。大地是個導體，沒有電流流過時，地表金屬物體與大地牢固連接，不產生電位差，與大地保持等電位，具有大地零電位。一旦電流通過金屬物體注入大地，以電流場的形式向四周擴散，則大地不再保持等電位。設土壤電阻率為ρ，電流密度為δ，則電場強度為

從公式（1）可以看出，電場強度與土壤電阻率和電流密度有關，電場強度成階梯狀分布，在最遠處為0。所以，接地體是以最快電流、最小阻力流向電場為零的地方。流入大地的電流是固定的，只有改變接地電阻值，才能改變對地電壓（張波等，2003）。因土壤電阻率一定，防雷接地網則為改變接地電阻的唯一因素。以往地震臺站憑經驗布設接地網，缺乏對接地體數量、長度、布設方案的分析。將接地體分為垂直、水平接地體，研究工程實施接地阻值，完善防雷接地網布設。

2 垂直接地裝置阻值分析

埋入大地的金屬接地體成為接地裝置，目前接地體是水平接地網和垂直接地網相結合的。水平接地網采用鍍鋅扁鋼布設，尺寸為4 mm×40 mm，垂直接地網為圓柱形鍍鋅接地棒布設。

采用長為L、直徑為d的實心圓柱接地體計算接地阻值，分析垂直接地體受哪些參數影響。垂直接地體模型見圖1。采用鏡像法，將長為L的圓柱接地體變為長為2L的模型，若原模型流出電流為I，新模型在無限均勻質中流出電流為2I。設導體單位長度的帶電量為一常數值τ，且對外形成的場可視為電荷集中在幾何軸線上。若以無窮遠處為點位參考點，則分界面，即Z = 0的面上存電位

圖1 垂直接地體模型Fig.1 The model of vertical grounding body

在工程上，由于L＞＞d，所以式（4）可近似為

式中，ε為靜電場介電系數。此計算方法是一種近似值，能滿足工程需求。

長2L的導體所帶電荷為

將2L導體看做一個孤立的導體電容，則

根據靜電比擬，長2L圓柱導體在無限大均勻介質中產生的電導為

式中，γ為恒定電場中的大地電導率。

由公式（9）可以看出，接地體電阻值與接地體長度L成正比，與接地體直徑d成反比，與大地電導率成反比。

3 水平接地體阻值分析

水平接地體一般采用鍍鋅扁鋼進行連接，地網的接地參數有電阻R、電感L、對地電導G和地電容C（圖2）。單根水平接地體可以用R0、 L0、G0、C0參數組成的π型等效電路表示。

圖2 水平接地體的參數模型Fig.2 The parameter model of horizontal grounding body

根據等效面積原理，即相同的截面積具有相同的地電阻效應（徐偉，2010）。采用4 mm×40 mm的鍍鋅扁鋼，等效半徑為

雷電流發生時，波頭時間是T=2.6 μs，則等值角頻率為

考慮雷擊時接地體磁飽和，忽略接地體自感，單位長度的電感公式簡化為

式中，μ0為真空磁導系數，在使用范圍內取μ0=4π×10-7； α為接地體半徑；l為接地體長度，設l、α=7.13 mm，l0= 4×10-6H/m 。則水平接地體模型的感抗值為

接地電阻扁鋼的阻值R0=1.5×10-4Ω。由于R＜＜ωl0，雷電流發生時，則R0可以忽略。

單位長度水平接地體對地電導公式為

式中：ρ為土壤電阻率，ε為土壤介電常數，l為接地體長度（m），d為接地體等值直徑（mm），h為接地體地埋深度（m），A為水平接地體形狀系數。式（14）表明，在雷電流發生時，水平接地體形成電容，一個極板是水平接地體，另一個極板在大地無窮遠處。

4 工程實施

根據防雷電理論，接地網的接地電阻值必須小于4 Ω。在設計過程中，要以此為設計目標。對于陜西地區，地震臺站多位于荒山、高地，土壤是黃土層，取ρ=200 Ω ? m，ε=ε0=εr=2.8×8.85×10-12=2.487×10-11，h=0.8 m。每個垂直接地體極間距大于3 m，忽略電磁屏蔽作用。作為單個垂直接地體，L=2.5 m，γ=1/200，接地體多數采取L100×100的角鋼，厚度為5 mm，根據等效面積原理，接地體半徑為

則接地體直徑為34 mm，將以上數據帶入公式（9），得出單根垂直接地體電阻為R=72.41 Ω。考慮到臺站附近位置，不宜埋設長距離接地網，使用13根垂直接地體，做并聯狀態，理論上接地電阻可降到5.57 Ω。在此基礎上計算水平接地體長度。垂直接地體間距3 m，以36 m的水平接地體進行計算，取A=1，帶入公式（14），得R=11.18 Ω，忽略水平接地體和垂直接地體之間的屏蔽作用，兩者做并聯狀態，得到R=3.7 Ω。受地震臺站位置所限，基本采取一字型或L布設，在土壤電阻率不大情況下，能夠有效降低接地體形狀系數。如果接地體比較長，會產生嚴重的電磁屏蔽作用，增加接地電阻值。

地震臺站以往憑經驗布設防雷接地網，且施工材料數量不明確，易導致施工被動造成工程返工現象。以下數據取自汶川地震災后重建項目中臺站防雷竣工資料。所用材料規格和本文計算結果一致，見表1。采取理論計算方法與實際施工情況對比，通過幾個臺站試驗，發現與實際吻合度較好。

表1 接地情況對照Table1 The comparison table of grounding

計算值與實測值接近，實測值小于計算值是因為水平接地形狀A值取為1，按照實際布設，A＜1。以土壤電阻率為橫坐標，接地電阻值為縱坐標，對接地電阻實測值和計算值作圖，見圖3。

從圖3可見，土壤電阻率較低，計算值與實測值接近，隨著土壤電阻率增大，二者誤差慢慢變大，接地電阻率達400 Ω ? m以上，此計算方法誤差率較大。土壤電阻率增大，接地電阻降到4 Ω以下必須增加垂直接地體數量或延長水平接地體長度，此時，接地體之間的電磁屏蔽不能忽略，接地電阻值因此增大。

圖3 實測值與計算值對比曲線Fig.3 The comparison curve of the real values and calculated value

5 結論

（1）根據垂直接地體和水平接地體的模型推導公式，計算臺站避雷所需材料和接地電阻值，與實際情況對比，兩組數值接近。模型計算可以作為一種輔助手段對實際接地電阻值進行驗證。

（2）在地震臺站防雷方案編制中，通過理論計算，可得到所需材料數量、布設方案和接地電阻值，為后續方案所需材料申報、項目資金規劃及招標提供比較確切的技術數據。

黃暉，柴劍勇，等.廣東地震臺站前兆觀測系統防雷綜合方法［J］.華南地震，2008，28（1）：108-112.

黃錫定，梁煥貞.地震臺站應用防雷技術探討［J］.地震地磁觀測與研究，2007，28（5）： 35-40.

王鳳.地震前兆臺站的防雷［J］.災害學，2005，20（2）：58-60.

徐偉，劉潯.基于ATP-EMTP的桿塔接地體沖擊接地電阻計算模型［J］.電力建設，2010，31（5）：22-25.

張波，崔祥，趙志斌.設計導體互感的復雜接地網的頻域分析方法［J］.中國機電工程學報，2003，23（4）： 77-81.

Lightning protection grounding grid setting of digital seismic stations

Wang Dangxi and Li Shaorui
（Earthquake Administration of Shaanxi Province，Xi’an 710068，China）

Lightning current release is mainly accomplished by grounding body.The grounding body is divided into two parts of vertical grounding and horizontal grounding body.In this thesis，the math-model of the two types of the grounding grid is introduced. Grounding resistance formula is deduced through the analysis of math-model.The result of the engineering problems calculated with the combined usage of the formula is closed to the measured value.This method has certain reference value for engineering.

lightning current，vertical grounding body，horizontal grounding body，grounding resistance

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.018

王黨席（1982—），男，西安人，研究生學歷，主要研究領域為數據挖掘與處理和自動化遠程監控

本文收到日期：2015-03-08