非金属接地模块在防雷接地中的应用

1非金属接地模块在防雷接地中的应用胡鹏南京信息工程大学南京210044【摘要】本文以现行国家防雷标准为依据，从中光公司的高效接地模块入手，通过对这种非金属接地模块的成分，制作方法和用途的分析介绍，对用接地模块做防雷接地作了初步的探讨。指出了在高土壤电阻率的环境使用这种模块接地的优越性。【关键词】接地模块雷电防护土壤电阻率高效1．引言随着我国经济的快速发展，城市的综合灾害防御规划与城市的建设规划共同进行已成为各地政府规划城市建设的主要内容之一。近年来雷电灾害事故频繁发生，直接威胁到人群和建筑物的安全。因此雷电防护对人们的日常生活是重要的，而作为雷电防护的核心，接地一直是防雷工程中的重中之重，接地的好坏，直接关系到整个工程的质量优劣。因而加强对接地技术的研究，对整个防雷事业的发展具有非常的意义。2．接地、接地装置电气设备的某部分与大地之间作良好的电气连接，称为接地。与大地直接接触的金属物体，称为接地体或接地极。连接接地体与设备接地部分的导线，称为接地线。接地体与接地线组成接地装置。为了达到接地的目的，人为地埋入地中的金属件如钢管、角钢、扁钢、圆钢等称为人工接地体；兼作接地体用的直接与大地接触的各种金属构件、金属井管、钢筋混凝土建筑构筑物的基础、金属管道和设备等称为自然接地体。接地装置可以使用自然接地体或人工接地体[1]。接地是雷电防护最重要的技术措施之一，接地不好将阻碍雷电流泄放入地，造成地电位反击而损坏设备。人工接地体在土壤中的埋设深度不应小于0.5m，宜敷设在冻土层以下。水平接地体应挖沟埋设，钢质垂直接地体宜直接打入地沟内，其间距不宜小于其长度的2倍并均匀布置，铜质和石墨材料接地体宜挖坑埋设。接地体埋设在较深的土层中，能接触到良导电性的土壤，其释放电流的效果当然好，接地体埋得愈深。土壤的湿度和温度的变化就愈小，接地电阻愈稳定。在均匀土壤电阻率的情况，埋得太深对降低接地电阻值不显著。实际上，一般不小于0.5—0.8m，这一深度既能避2免接地装置遭受机械损坏，同时也减小气候对接地电阻值的影响。IEC防雷技术规定（IEC1024），外部环形接地体最好是埋深不小于0.5m。GB50057—94也规定不应小于0.5m。本规范还规定在冻土层以下，因为我国零下400C的地区很多，如果接地装置埋深不够，很容易因土地冻裂将接地体拉断且不易被人发现，夏季雷雨天气到来，容易发生更大危险。水平接地体应挖沟埋设，钢质垂直接地体宜打入地沟内，其间距不宜小于其长度的2倍并均匀布置，铜质和石墨材料接地体宜挖坑埋设。这都是目前国内接地工程的基本作法。实践证实，这些规定和要求，既便于施工，又能取得较好的泄流效果。当接地装置由多根水平或垂直接地体组成时，为了减少相邻接地体的屏蔽作用，接地体的间距规定为5m，此时，相应的利用系数较高，约为0.75—0.85。当接地装置的敷设场所受限制时，上述距离可以根据实际情况适当减小一些，但一般不应小于接地体的长度[3]。3．接地电阻有故障电流经接地体成半球形向大地散流，接地装置的散流电阻称为接地电阻。接地装置的接地电阻通常由三部分组成：第一部分是：接地体本身的电阻，通常接地电极都是金属做成的，这部分的电阻只占总接地电阻的1％-2％，是可以忽略的部分。第二部分是：接地电极与土壤接触部分的接触电阻，在一般土壤中这部分占总接地电阻值的10％-60％。第三部分是：电流经接地极流入土壤后散流时的电阻，这部分散流电阻由土壤率决定。很明显，电极与土壤的接触电阻与其接触面积成反比关系。但是接地体的接地电阻应该是接触面的接触电阻加上散流电阻，所以接地体的接地电阻与接触界面的面积是成减函数关系的[2]。因此，垂直接地体坑内、水平接地体沟内宜用低电阻率土壤回填并分层夯实。要用低电阻率土壤回填坑沟内的目的是有利于泄放入地电流。土壤导电的特性是离子导电，在工程上常用电阻率代替电导率来表示。土壤电阻率低表示导电性能好，如粘性土，易于泄放入地电流；土壤电阻率高表示导电性能差，如沙石类土，易致入地电流泄放不畅，其后果必然会影响接地电阻值的变化。因此，应采用低电阻率土壤回填。回填土分层夯实，能增加密实度，降低填土的电阻率。一般而言，松散状态的土，颗粒之间的接地电阻较大，反映电阻率的增高；密实状态的土，颗粒之间的接地电阻较小，反映电阻率的降低。《接地技术》（曾永林著）介绍的例子：当粘土的含水量为10%，温度不变，压强由1.96kpa（0.02kgf/cm2）增大到19.6kpa（0.02kgf/cm2）时，电阻率可下降到原来的65%，接地电阻也将会跟着下降。因此，并将回填于接地体周围的土壤夯实致密。4．接地体的泄流特性冲击电流下接地体的泄流特性（1）在雷击冲击电流作用下，接地装置向土壤泄放的电流密度，形如半球状，其电流密度为δ时，则产生的电场强度En（如图一）3En=δρnδ：电流密度;ρn：冲击电流流过土壤的电阻率图1电流由接地体扩散时地中的电场图2接地体流过冲击电流时土壤中放电过程（2）当电流密度增大时，靠近接地装置的电场强度可以达到土壤击穿的强度Enp时，当En=Enp时，ρn值反而显著下降，在接地体首端的接地极周围将产生不同的放电区（如图二），电阻率高的土壤产生较大的En，使ρn相应地减小，因此接地装置的长度越小，则流过的冲击电流密度越大。（3）接地装置延长后、由于接地线延长具有较大的电感量L和非线性漏电导gn，因此，在雷电波泄放最初2个微秒的时间内，冲击电流仅在接地带首端扩散，要经过一定的延时后才能使所有的接地装置逐步被利用。使Ue/U0接近等于1时，所选择放射带最大长度为“临界长度”LKP。（4）当接地体延长的长度LLKP时，Ue/U0之比愈小，则表明漏电导gn愈大。从表1可以看出，当接地体延长的长度L60m后，利用情况很差，只有0.55的利用率。当接地体延长的长度L80m后，利用情况就更差，只有0.4的利用率。（见表1）（5）在冲击电流下，接地体越长，由于电感的作用，阻碍了雷电流流向接地体较远的距离，使雷电流不能沿接地体全长均匀扩散，因此接地体的长度应控制在泄流点的一定半径范围内。表1、沿长度L=20m、60m、80m的延长接地体电位的变化率UX/Uo半导体电导区电弧区半导体电导区电弧区电导不变的区域火花放电区iE=ρNδρ45．接地材料(一)接地材料的选择接地装置材料的选择，要充分考虑其承受雷电流的能力、导电性、热稳定性、耐腐性、无污染环境、空气、水和符合环境保护要求。宜选用热镀锌钢材、铜材及其它新型接地材料。埋于土壤中的人工垂直接和水平接地体宜采用接地摸块。连接线宜采用圆钢或扁钢、圆钢直径不应小于10mm；扁钢截面不应小100mm2，其厚度不应小于4mm；然而常规金属接地体无法解决高土壤电阻率和超高土壤电阻率地区的接地问题。实践表明，传统的接地体存在着降阻与腐蚀的正负效应共存的矛盾，接地工程人员对接地降阻设施的持久性与可靠性甚为关切。早在五十年代人们对高电阻率土壤接地采用加大金属（钢铁或铜）接地体的几何尺寸来降低接地电阻，这种方法虽可以降低接地体的电阻，但要耗费大量的优质金属材料，成本高，有时还难以实现其预期的目的，达到预期的效果。后来在金属接地体周围采用工业废渣或木炭加食盐的办法来改善降阻效果。这种方法由于电解质的存在，在装置投入使用的初期有明显降阻效果，但同时带来金属接地极的严重腐蚀，加之季节性的地下水位起落导致电解液的流失，从而使其失去降阻作用。之后在七十年代人们开始转向化学接地降阻剂的研究，虽然品种繁多，但其性能大同小异，基本上都是以由氯离子或硫酸根离子与强碱金属构成的强碱强酸盐为导电物质，再通过与尿醛、丙烯酞胺或硅酸盐胶凝物混合制成。这种通过扩大接地体几何尺寸的方法，对节约钢材，降低成本，改善导电质的流失等起到了积极作用，但腐蚀仍然存在。九十年代开始采用以炭素材料为导电物质的物理降阻剂，物理降阻剂的使用致使化学降阻剂退位。但是降阻剂的共同点都是粉状物，不仅包装、运输不便，使用时需在施工现场挖土造形，再计量加水调浆浇注成接地体，给用0.90.70.50.30.1L=20mL=60mL=80m040801205户带来施工困难，尤其是在高山与无水的地区施工更为困难。为了克服粉状降阻剂在使用中的不便，人们又进行了进一步的探求，并取得了一些积极的成果。（二）非金属接地模块中光公司开发出的多种接地电阻稳定、耐腐蚀、长寿命的高效非金属接地极，解决了常规金属接地体无能为力的疑难接地工程。用高效接地极建地网材料省，费用低，建设周期短。高效接地极分为ZGD系列低电阻接地模块、ZGDJ-A系列快装金属接地极和ZGDJ-B系列高效接地极三个系列。ZGD系列又分为ZGD-I型柱形低电阻接地模块和ZGD-II型平板形低电阻接地模块。(1)工作原理ZGD型系列低电阻接地模块是一种以非金属材料为主的接地体，它由导电性、稳定性较好的非金属矿物和电解物质组成，增大了接地体本身的散流面积，减小了接地体与土壤之间的接触电阻，具有强吸湿保湿能力，使其周围附近的土壤电阻率降低，介电常数增大，层间接触电阻减小，耐腐蚀性增强，因而能获得较小的接地电阻和较长的使用寿命。ZGDJ-A系列快装接地极结构精简，连接可靠，安装方便、快捷，适用于粘土、沙土等土壤，是良好、快速、经济、实用的接地体。特别适用于城市建造地网，或室内无法破土做地网而又必须接地的设备和系统。ZGDJ-B系列高效接地极，内部采用高碳石墨化合物极体，外表采用镀铜、镍、铬合金，保证了高导电性和耐腐蚀性，增长了使用寿命，极体内配有特制的电解离子化合物和高分子吸湿材料，经过吸湿潮解后，活性离子渗透到接地极周围土壤改善散流条件，在高土壤电阻率应用，仍能获得较低的接地电阻。下面以ZGD型为例，对这种接地模块做个比较详细的介绍。（2）技术指标和外形尺寸表2ZGD型系列低电阻接地模块6图4（3）接地模块制作方法通过笔者的分析和查阅资料，认为中光的接地模块由导电性、稳定性较好的非金属矿物粉末石垦和硅酸盐与电解质三氧化二铝、三氧化二铁、氧化钠粉末均匀混和而成，按照料：水＝1.6-2.5:1的比例加水混和搅拌，制模、凝固后即得低电阻接地模块。用该低电阻接地模块材料制作的低电阻接地模块具有电阻率低，抗腐蚀、无毒害、无污染、寿命长、安装方便的优点。通过资料显示，各成分的重量百分比如下：石墨粉50-70%硅酸盐20-40%三氧化二铝2-5%三载化二铁1-4%氧化钠1-4%将按照上述配比称取的原料粉末均匀混和即得低电阻接地模块材料，使用时，需加水均匀搅拌，凝固后才里现低电阻值，材料与水的比例为：料：水＝1.6-2.5:1（4）接地模块相关计算方法根据接地装置埋设地层的电阻率，采用下式计算接地模块的用量：LnρZGD-1-3型：垂直埋置，单个模块的接地电阻为：42[]24LLhRjLnMoLdLhZGDⅡ型：水平埋置，单个模块的接地电阻为：0.22RjMoabRjRj=n并联后的总接地电阻:RjRnjnRjnRnj式中:ρ—埋置地层的电阻率（Ω·m）；L—Ⅰ型模块的长（m）；d—Ⅰ型模块的直径（m）；7h—接地模块的埋置深度（m）；a，b—Ⅱ型模块的长和宽（m）；M0—模块调整系数ZGDⅠ-1型取0.38；ZGDⅠ-2型取0.35；ZGDⅠ-3型取0.30；ZGDⅡ-1型取0.33；n—接地模块个数；η—模块利用系数，可采用0.55—0.85。利用系数是接地模块设计中比较难掌握的一个参量。这里提供的0.55—0.85是小地网1个模块的试验参数。在设计几十个上百个模块的大地网时，由于多个并联相互之间屏蔽作用就更大，因此利用率会减小，因此在大地网中，根据模块用量、埋设间距等因数而定。利用系数η还要小。在实际的工程施工中，由于ρ的不均匀性以及随季节的变化，接地电阻的计算结果往往不易准确，因此必须以现场实测的结果为准。因此在计算的基础上应适当留有余地。（5）接地模块用量计算设：土壤电阻率ρ=1000Ω·m，旧地网接地电阻为15Ω-910Ω，现要将地网的接地电阻降到10Ω-30Ω。若采用ZGD-1-3型接地模