土壤結構和雷電流沖擊電阻的關系

李雪，孟陳 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

0 引言

接地裝置應能夠承受電力裝置短路電流和雷電流的沖擊，以保證電力系統的正常運行和建筑物的安全。雷電流經接地裝置向大地中散流時，僅在電流注入點附近作用，造成接地網部分局部電位很高，可能會產生超出人類安全范圍的跨步電壓和接觸電壓。因此需要對雷電流的沖擊特性進行研究，而反映沖擊特性的重要指標就是沖擊接地電阻，它與接地裝置所處的土壤電阻率密切相關。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算量大，實際工程中，一般先計算出工頻接地電阻，再根據一定的關系，計算出沖擊接地電阻。

1 接地電阻的定義和接地裝置材質選擇

1.1 接地電阻的定義

接地電阻是指在已知頻率下，系統、裝置或設備的指定點與參考地之間的電阻。它包含兩部分，一部分為接地導體及接地極的電阻；另一部分為接地極周圍土壤的散流電阻。通過測量得知，接地導體、接地極的電阻值很小，可忽略不計，所以接地電阻一般是指散流電阻。電氣接地系統中，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的電場，將土壤擊穿并產生火花，相當于增加接地極截面，從而減少沖擊接地電阻；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構類型密切相關，一般通過先計算工頻電阻，再通過數學模型，得到沖擊接地電阻。

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的各種金屬構件、設備基礎的鋼筋等兼做接地極使用，直接與大地有直接接觸的可導電部分；人工接地極是為建筑物或基礎電氣服務設施專門設置的接地極。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，本文計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滿足《交流電氣裝置的接地設計規范》（GB/T50065-2011）第8.12條的規定，這里不再說明。

2 土壤電阻率

土壤電阻率與導入電流的頻率有關，隨著頻率的升高而減少，具有頻變特性。同時，也與土壤的類型、含水量、溫度、土壤顆粒大小等密切相關。建筑工程設計中，一般以實測值作為設計依據，目前普遍采用Wenner法測量土壤的電阻，然后經過反演得到等效的土壤模型。Wenner法測量的基準是工頻信號，得到工頻接地電阻，再經過一定的數學關系，轉換成沖擊接地電阻。我國地形復雜，土壤分層結構明顯，最典型的分層結構是雙層土壤如圖1所示。實際工程中，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計算如下：

圖1 典型兩層土壤電阻率示意圖

l＜H時，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變化的因素，因此需要對土壤電阻率或土壤電阻進行修正：

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

季節系數 表1

②雷電狀態下土壤電阻率和電阻的數值需乘以表2中的季節干燥系數φ進行修正。

土壤干燥時的季節系數 表2

3 沖擊接地電阻

3.1 人工接地極工頻接地電阻的計算

以下接地極的計算都是在均勻土壤的環境中。

垂直接地極R的計算（圖2）：

圖2 垂直接地極示意圖OP

式中：ρ——土壤電阻率（Ω·m）；

l——垂直接地極的長度（m）；

d——接地極形狀為圓導體時，取圓導體直徑；

若是接地極并非圓形，而是其他形狀如圖3。

圖3 不規則導體形狀示意圖

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度，其大小和土壤密度相關；

A——水平接地極的形狀系數，取值詳見《交流電氣裝置的接地設計規范》（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A

L=(20+15)×2=70m。

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

3.2 沖擊接地電阻和工頻接地電阻的換算

雷電是發生的時間極短，電流幅值大，等值頻率高，對接地裝置而言是一種沖擊信號。我們對雷電信號的研究通過實驗模擬雷電信號，反演建立數學模型，因此，無論是測量還是計算沖擊接地電阻都很復雜。實際工程中，采用經驗算法，測量或計算出工頻接地電阻，乘以沖擊系數α得到沖擊接地電阻。

R=αR

式中：R——根據接地極有效長度L得到的工頻接地電阻；

α——沖擊系數；

R——沖擊接地電阻。

α系數的取值由圖5確定。

圖5 沖擊系數α

由圖5知，首先計算接地極的有效長度L，其次由實際長度和有效長度的比值確定橫坐標，根據土壤電阻密度ρ確定折線后就可以查出α的值，即可得到沖擊接地電阻R。這種經驗方法計算出的沖擊接地電阻雖然不能反映雷電的真實特性，但是在防雷設計中是很有意義。

3.3 降阻措施

雷電流經過接地裝置進行泄流時，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。建筑物內設備功能不同，對接地裝置的要求不同，那么可能有多個接地裝置，它們之間由于電位不同而產生的電位差將直接危害人類安全。為了避免上述情況發生，采用共用接地裝置，其接地電阻必須按照設備規定的最小阻值確定。當接地裝置難以達到最小阻值要求，則在接地極周圍加入降阻材料降低，以改善局部土壤的導電性，但是，使用的降阻材料對接地裝置無腐蝕，否則會影響到接地裝置的性能。

4 結語

雷電流和工頻電流作用于接地裝置及周邊土壤時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。通過大量實驗可知，接地電阻和土壤電阻率及沖擊電流幅值有關，由于雷電是一種不規則的大自然現象，無法控制其幅值的大小，因此，重點研究土壤電阻率和接地電阻的關系。經過研究發現，土壤電阻率越小，接地體有效散流長度越短，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。實際工程中，建筑物及服務設備共用接地裝置，接地電阻取值較小，無法滿足要求時，采用降阻措施達到規定值。本文通過研究土壤電阻率和雷電流沖擊接地電阻的關系，表明接地裝置的設置的必要性，以期對從事相關行業的工作人員起到參考作用。