防雷技术

一种接地材质及接地技术的研究

摘　要：本文在接地材质上提出了当接地体的轴心可视为等电位时，可采用电阻率(ρ) 为的非金属材料具有同等的接地效果，从而为接地材质的选择提供了新的途径。在接地技术上，提出了爆炸扩大的降低接地电阻方法，一般可降低接地电阻2~3倍。

　　关键词：接地电阻、电阻率、非金属材料、爆扩


　　引言

　　过去在接地工程中，绝大多数采用钢材人工埋设，在土质导电差的地区，常常要消耗大量的钢材和人力。又由于大量的单根钢材并联接地方式，占地面积大，往往受到地形条件的限制，必须采取其他降低接地电阻的措施。

　　在降低接地电阻方面，以往曾经使用过多种方法，如：换土法、层叠法、及化学降阻法等。以上方法均有降阻效果，但分别存在下列问题：有的工程较大，人力消耗多;有的采用可溶性电解质，容易溶解流散失效，不能持久。此外，有些化学物质有一定毒性，存在收缩、老化及不耐高温的弱点[1] 。

　　鉴于以上问题，如何有效地降低接地电阻，提高地线的耐久稳定性能，节约钢材的消耗等方面，已成为研究工作的突出课题。

　　针对上述问题，本文研究了使用耐腐蚀的非金属材料，运用地下爆炸扩大的物理作用，实现降低接地电阻的方法。

1　接地材质导电率要求的分析

　　根据接地电阻的概念[2]，接地电阻由土壤电阻、接地体电阻、接触电阻和引线电阻组成。其中接地体的电阻主要取决于材料的电阻率(ρ)。用非金属代替金属材料，关键在于接地体电阻是否达到可以忽略的程度。

　　由计算物体电阻的公式(R = ρ•L/S)可知，物体电阻与ρ成正比，还与物体的长度L横截面S有关，而L、S又取决于电流在物体内的流动方式。

　　地线中接地体的导电方式区别于输电导线，即电流进入接地体后向周围介质扩散，属于三度体的扩散传导方式。而输电线则属于一度体的线型传导方式。因此，前者比后者具有很大的S和很小的L，从而电阻要求某一限值时，若增大S缩小L，根据R=ρ•L/S可见，ρ值将允许增大。

　　从上述定性分析，可以肯定接地体材质的电阻率要求可以放宽，而人们感兴趣的是究竟可放宽到什么程度。于是问题归结到定量分析，即计算接地体本身电阻及其可能允许的数值。

　　设有一园柱状非金属接地体，园柱轴心为等电位导线，其半径为γ0，园柱体长度为ι，半径为γ，垂直埋入均匀介质中。求接地体本身的电阻R0。

　　对于上述接地模型，当电流从等位导线流入后向园柱体流出时，可近似地视为电流线垂直园柱面流出，此种情况下电流流出园柱体的横截面是一变量，若要计算整个接地园柱体的电阻，必须把园柱体划分为无数个壁厚为dR0，那么根据计算物体电阻的公式，dR0可表示为：
　　dR0=ρ×dγ/ 2πγι　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　<1>

　　整个园柱体的电阻，可对<1>式进行积分后得出：

　　R0=ρ0(ιn γ1 -ιn γ0)/ 2πι　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　<2>

　　从<2>式可见，当柱体轴心可视为等电位的条件下，接地体的电阻与柱体长度成反比，与材料电阻率和柱体半径的对数成正比。

　　设 ι=250cm， r1=5cm， r0=0.2cm，将这些参数代入<2>式得出：
　　R0=0.2×ρ0　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　<3>

　　通常接地体的电阻小于0.01Ω即可，那么由<3>式可求出接地体材料的电阻率ρ0为。在自然界中能满足ρ0为的天然资源是很丰富的，如：天然土状石墨矿、泥碳土、碳质页岩、煤矿等。从而为选择经济耐久的接地体材质提供了新途径。

　　我们作了这样的模型试验，将金属和土状石墨粉（含水泥15%）制成同等形状和大小的园柱体，在土状石墨柱体的轴心预埋直径4mm的镀锌铁线，分别埋入均匀介质同等深度的水中，用ZC-8型接地电阻测量仪按接地电阻常规测法分别测出接地电阻的结果，见表1。


根据上述理论分析和模型试验证明，接地电阻的大小主要取决于接地体周围介质的电阻率，当接地体的轴心可视为等位体时，采用ρ0为的导电材料，虽然ρ。比金属大上万倍，然而能够达到与金属同等的接地效果。了解这一事实，对选择经济耐久的接地体材质上是极重要的。

　　过去曾经有一种倾向，认为接地体应全部采用良导体金属材料，其ρ0愈小愈好，然而，客观上对降低接地电阻的实际效果是微不足道的。

2　爆炸扩大降阻原理

　　埋在地下的炸药，爆炸时产生大量的炽热气体和巨大压力，将炸药周围的土壤压缩，形成空洞，并使周围介质密度显著提高，以及形成放射状裂缝。

　　根据试验结果，当温度不变，湿度为10%，单位压力由0.02kg/cm²增加到0.2kg/cm²时，粘土的电阻率可降低到原来数值的65%，表明土壤密度愈大，其电阻率愈小。[3]

　　综上所述，地下爆炸的物理作用，一方面使大接地体周围介质的电阻率降低，另一方面有可能使导电物质（ 如土状石墨矿粉）以很大的压力扩散到土壤裂缝中去，从而扩大了导电物质与介质的接触面积。通过上述两种物理作用，可实现降低接地电阻的目的。

3 现场比较试验

　　爆炸扩大地线与常规的角钢地线的比较试验。施工方法：钻孔，将炸药置于孔底，孔内充填导电物质（天然土状石墨矿粉和水泥的混合浆），通电引爆，底部形成空腔，再把适量炸药置入空腔，并充满导电物质，第二次引爆，插入钢筋，充填加固封口。

　　爆扩地线与角钢地线埋深为2m，土质ρ值均为85Ω•m。角钢规格为63×63×5mm，长度为2m，爆扩空腔为0.5m，硝铵炸药量为0.1kg。

　　两种地线的接地电阻经过九个月的重复测量，测得爆扩地线9Ω，角钢地线27Ω。

　　现场比较试验表明，爆扩地线的接地电阻比角钢地线降低了三倍。在满足相同接地电阻的条件下，可节省钢材80~90%，同时还可大大缩小占地面积。

　　在比较试验的基础上，于1978年在襄渝线襄樊通信枢纽工程中，工作、屏蔽和保护三种地线，由于常规的地线受到周围空地的局限，必须拆迁建筑物。为此选用了本文的爆扩地线及天然土状石墨粉，接地体埋深7m；接地体的根数比常规地线减少2/3，从而避免了建筑物的拆迁，取得了十几万元的经济效益。此种地线经过十多年来的运用实践和反复测试，证明了接地效果稳定可靠。

4 结论

　　在地线材质方面，经理论分析和试验证明，当接地体的轴心可视为等电位时，可采用ρ为的非金属材料取代金属材料，具有同等的接地效果。这点对于选择经济耐久的接地材质是极为重要的。

　　在降低接地电阻技术方面，在土质导电性差的地段，采用少量炸药在地下孔内爆炸扩大的方法，既能提高介质的导电性，又能扩大导电物质与介质的接触面积，从而明显提高接地效果。比较试验表明，可降低接地电阻2~3倍。

　　上述结论，对于地线工程中利用天然资源，节省金属的消耗，降低接地电阻，缩小占地面积等方面，提供了新的途径。

　　建议在接地设计中，测量土壤ρ值随深度的变化曲线，选择ρ值极小点作为爆扩地线的埋深。在碎石堆积，土质松散地段、冻土及沙石地带更适宜爆扩技术的应用，其经济效益将更加明显。

参考文献：

　　1、一机部编著，《接地和接零》，上海人民出版，1973年5月。

　　2、苏联邮电部技术管理局编《有线通信设备及有线广播站接地装置设计安装与维护指南》，人民邮电出版社，1956年6月，6～9页

　　3、CCITT，《电信装置的接地手册》，邮电部设计院译，1975年，21～24页