淺析防雷裝置接地材料的選擇及其應用

阮衛鋒 陳玲龍

紹興防雷安全檢測有限公司 浙江 紹興312000

防雷離不開接地,接地體是建筑物防雷裝置中的重要環節,無論是對直擊雷的防護還是對閃電感應的防護,最終都是需要通過接地體將雷電流傳導泄散到大地中去。從整體上講,沒有完善的接地系統,就不會有防雷裝置的可靠性,接地系統的性能將直接決定著各種防雷措施的效果。

1 接地的概述

帶電導體與大地相接觸的現象稱為接地。該定義中隱含了一個事實——導體對大地放電。那么什么是“地”呢?就是以接地點為圓心,距離S為半徑的半球形以遠處0電位的地方,稱作電氣上的“地”。如圖1.1 所示:

圖1.1 電氣上的“地”示意圖

2 接地網

接地網是接地系統的基礎,由接地環(網)、接地極(體)和引下線組成。過去常使用接地環作為接地的主體,很少使用接地體。接地要求不高或地質條件相當優越的情況下,接地環的確有效。在通常情況下,接地環可以起到輔助接地的作用,主導作用是接地體來完成的。

決定接地電阻大小的因素很多,我們以接地環作接地主體的情形來分析傳統地網接地電阻的計算公式。

式(1)表明,傳統的接地方式在土壤電阻率已經確定的情況下,要想達到設計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大接地面積,每擴大4倍的接地面積,接地電阻會降低1倍。

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

單使用接地環要達到某個接地電阻值,與接地環包圍的面積S和土壤電阻率有關。

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等。金屬材料如扁鋼,也常用銅材替代,主要用于接地環的建設,這是大多數接地工程都選用的;接地體有金屬接地體(角鋼、銅棒和銅板)這類接地體壽命較短,接地電阻上升快,地網改造頻繁,維護費用較高;從傳統金屬接地極(體)中派生出的特殊結構的接地體(帶電解質材料)。使用效果比較好,一般稱為離子或中空接地系統;另外就是非金屬接地體,使用比較方便,幾乎沒有壽命的約束,各方面比較認可。

3.1 非金屬接地體 非金屬接地體在通訊、廣電等部門有廣泛應用。它是由導電能力優越的非金屬材料復合加工成型的,加工方法有澆注成型和機械壓模成型。一般來說澆注成型的產品結構松散、強度低、導電性能差,而且質量不穩定,一些小型廠家少量生產使用這樣的辦法;機械壓膜法是使用設備在幾到十幾噸的壓力下成型的,不僅尺寸精度較高、外觀較好,更重要的是材料結構致密、電學性能好、抗大電流沖擊能力強,質量也相當穩定,但是生產成本較高,批量生產多采用這種方法。選型時,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,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,其穩定性、環境適應性、使用壽命都是現有接地材料中最好的,不需要定期改造和維護。非金屬接地體施工需要的地網面積比傳統接地面積小很多,但是在不同地質條件下,也需要保證足夠的接地面積才可以達到良好的效果。

3.2 離子接地系統 離子接地系統是傳統的金屬接地改進而來的,從工作原理到材料選用都有脫胎換骨的變化,形成各種形狀的結構。這些接地系統的共同點是結構部分采用防腐性更好的金屬,內填充電解物質及其載體組成的內填料,外包裹導電性能良好的不定性導電復合材料,一般稱為外填料。接地系統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,但是在埋地環境中依然會多多少少的銹蝕,以不銹鋼為主體的接地系統不宜在腐蝕性嚴重的環境中使用。表面處理過的銅是很好的抗銹蝕材料。銅包鋼是銅—鋼復合材料,鋼材表面覆蓋銅,由套管法或電鍍法成產,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。由于接地系統大多向垂直方向發展,所以接地面積很小,可以滿足地形嚴重局限的工程需要。

4 綜述

上面介紹的各種接地材料各有優勢,但是都有自身的局限。我們提倡各取所長,選擇適當的材料滿足不同的工況。

序號接地材料降阻劑 非金屬接地體 中空接地棒傳統接地1 使用接地類型 地網與接地極接地極接地極地網與接地極2 新建地網施工簡單簡單較簡單簡單3 改造地網施工復雜簡單較簡單復雜通用4適用環境普通地網通用惡劣地質條件,腐蝕環境較高要求的地網地網面積小的城市或復雜山巖環境5價格比較低較高較高地質條件好時要求低且便宜,地質條件惡劣時要求高較貴或很貴6抗腐蝕性能有防腐作用不被腐蝕較好防腐能力低7氣候穩定性普通優異較好不好8使用壽命較長最長最長短,常需要改造

對于大型建筑物而言,本身占地很大考慮到要求獨立地的設備,一個地網是不夠的。在高樓林立、寸土寸金的城市和地形復雜的山地,很難有滿足大面積施工的場地和土質,即時地理條件許可,由于開挖量大、耗材多、費工費料,工程造價相當高。所以,需要運用更好的接地材料和施工設計方法。