常进财

大地是一个电阻非常低、电容量非常大的物体,拥有吸收无限电荷的能力,而且在吸收大量电荷后仍能保持电位不变,因此适合作为电气系统中的参考电位体。接地就是通过一种有意或非有意的导电连接,使电路或电气设备接到大地或接到代替大地的、某种较大的导电体。其目的是引导入地电流流入和流出大地(或代替大地的导电体),使连接到地的导体具有等于或近似于大地(或代替大地的导电体)的电位,从而防止供电系统的短路电流或雷电流入地时,突然抬高设备金属机架的电位,避免造成人员触电事故和反击损坏设备绝缘,保证设备系统正常运行。当今的接地种类繁多,几乎涉及各行各业,不仅电力系统、通讯系统需要接地,石油化工、广播电视、军事指挥以及建筑工程、医疗设施等都需要接地。

现代接地任务不仅要保障设备、人员安全,还要保证系统、设备工作的稳定性。为了实现接地的目的和发挥接地作用,首要任务是要控制和降低接地装置的接地电阻。接地电阻是接地电流在大地中扩散时受到的阻尼效应总和,其大小与接地电流开始扩散的形式(取决于接地体形状和尺寸)和土壤电阻率有关。具体来说,接地电阻实质上由如下三种类型的电阻组成:

1)接地线与接地极的自身电阻:由于它们为金属导体,因此这部分电阻一般只占总接地电阻的1%～2%。对于高频情况,由于要考虑总引线的电感所引起的感抗,此时的“电阻”会大些。2)接地极与土壤间的接触电阻:它的大小与接地极的形状,与土壤接触的松紧程度有直接关系,其值可占总接地电阻的20%～60%不等。3)电流经接地极流入土壤后的流散电阻,它的大小与接地极的形状、几何尺寸及土壤电阻率 ρ0有关。即:R=ρ0·f。其中,f为接地极的形状因子。土壤电阻率表示土壤导电性能,它直接影响到接地装置的接地电阻的大小。根据地质的不同,它的土壤电阻率也不同。土壤电阻率的大小与土壤的土质、含水量、土壤中可溶解电解质的成分和含量、土壤的温度等有关。

在了解清楚了影响接地电阻的几个因素的同时,也为我们在寻求保护人身和设备安全的方法提供了帮助,结合多年来的施工经验,现将在工程中常用的降低接地电阻的方法总结如下:1)更换土壤。由垂直棒状接地体的计算公式 R=(ρ0/π2L)·ln(4L/d)可知,接地体的接地电阻 R与土壤电阻率成反比。因此,在遇到高土壤电阻率的地带,如山地、沙漠化的地方,可以采用电阻率较低的土壤(如黑土、黏土等)替换电阻率高的土壤的方法来降低土壤电阻率。为达到理想效果,如果有条件,则可以将接地体外10倍于接地体尺寸的范围内的土壤都替换,并且同时将水平接地线的沟内也进行换土,如果用此办法还不能完全满足接地电阻需要,就应从接地体形状、材质及接地方法等方面来考虑。2)适当增加接地体长度和接地网面积。根据推算得知,接地电阻的大小和接地体长度及接地面积成正比关系,为此,在设置接地体时可以结合现场实际环境,适当通过增加接地体长度或接地网面积来降低接地电阻。3)深埋接地体。对于地表层为岩石等土壤电阻率较大,而地下深处的土壤电阻率小或者有地下水的地方,可以将接地极深埋到土壤电阻率较低的土壤中。如果遇到开挖难度大的地段可以借助钻机钻井,如能钻到地下水效果最佳,否则可将带孔的镀锌钢管放入深井,然后再向井内注入泥浆或降阻剂,依此来降低接地电阻,一般该深井的深度在20 m左右为佳。4)利用附近的河流或矿区等自然环境降低接地电阻。如果接地装置附近有河流、水池等有水的地段,可利用该水源在水下设置接地网,然后再用多根接地引线将水下的接地网与原接地装置连接,安装时注意水下接地网最好要使用镀锌材料,回填时最好用大石块对接地网进行固定。如果离接地装置附近不远有具有良好导电性能的金属矿区的话,可以将接地体延伸至该矿区,也能达到很好的降阻效果。5)物理降阻。在接地体周围的土壤中添加木炭、炉灰、煤粉和碳黑粉等可以降低土壤电阻率和含氧水分。也可以加入食盐、硫酸铁等材料,该材料虽然对降低土壤的电阻率效果明显,但由于容易流失,所以起作用的持续时间较短。日本生产了一种马可尼降阻剂,将碱性的水泥和特制的微孔碳黑混合,使其为中性,效果也很不错。这些物理降阻材料各有千秋,我们在选用时不光要考虑降阻的效果、持续时间、价格水平及施工方便性,还要考虑环境污染的问题。6)化学降阻。化学降阻剂是一种有很好的导电性能的化学合成物,它通过将接地体周围的土壤转换成降阻剂或者用降阻剂包裹在接地体及连接导线周围来降低接地电阻,其原理和局部换土是一样的,但由于降阻剂本身有很强的导电性能,再加上该产品特殊的物理特性和化学作用,能在一定程度上增大接地体的有效尺寸,同时降阻剂在水的作用下形成凝胶状物质,使接地体和周围土壤或降阻材料接触紧密,并且增加了土壤中的金属离子浓度,增加了接地体周围土壤的含水量,从而降低了土壤导电率,很好的起到降阻的作用。7)利用污水降阻。如果接地装置附近有污水池或污水沟,可以考虑将污水引到接地体处,或者将接地直接埋入污水沟池,这样可以利用污水里所含的多种化学元素、强电解质的强导电性降低接地体周围的土壤电阻率,从而降低接地装置的接地电阻。当然,如果该污水有很强的腐蚀性就要综合考虑降阻效果的持续时间及降阻成本等因素来做决策。另外可以在接地体镀锌钢管上打几个小孔,使钢管内外的导电离子自由游走,通过渗透使接地体周围的土壤能和接地体紧密接触,由此来增加接地效果。8)通过爆破灌浆法降阻。如果遇到在成片的岩石山区做接地,可以考虑用爆破灌浆法,具体方法是:用钻机在需要接地的区域钻20 m～30 m的深孔,然后在深孔的不同深度安放炸药进行爆破,最后放入接地体并灌入降阻剂。此办法是通过爆破灌浆使得接地体的形状及周围土壤环境发生改变,接地体有效尺寸增加从而达到降阻效果的。9)利用自然接地体降阻。如果遇到高楼大厦、桥梁、隧道等建筑物,可以充分利用这些建筑的钢筋混凝土基础或结构物,把接地体与这些建筑的钢筋混凝土基础或结构物内的钢筋连接,但连接前除了要考虑是否会影响建筑物内的人身安全外,还应注意只能和这些结构物内的非预应力钢筋连接,以免对建筑的结构强度造成破坏。至于在施工过程中具体采用哪种接地方式,应该先对现场进行实地勘察,测量该地区的土壤电阻率,查看周围的自然环境,根据系统接地的需求选择合理的方案,精心组织设计,挑选经济、耐腐、使用寿命长且施工方便的接地材料,采取有效的措施降低接地电阻,确保人身及设备的安全,保证系统及设备正常稳定的工作。

[1]张 明.浅析高速公路机电系统的防雷接地技术[J].山西建筑,2009,35(6):216-217.