网络机房防雷接地技术最全设计方案.doc

接地参考资料第一章、接地历史和接地分类21.1、接地历史21.2、接地的分类31.3、联合接地方式6第二章、接地装置72.1、接地装置工作原理72.2 、接地装置结构82.3、等电位连接与共用接地装置112.4、接地装置的使用须知12第三章、土壤电阻率和接地电阻143.1、土壤电阻率143.2、接地电阻173.3、接地电阻的计算193.4、高电阻率土壤的改良24第四章、接地材料的选择及其应用284.1、接地材料294.2、接地材料应用304.3、综述31第五章：实际接地应用3236第一章、接地历史和接地分类防雷工程的一个重要的方面是接地以及引下线路的布线工程，整个工程的防雷效果甚至防雷器件是不是起作用都取决于此，接地接不好,避雷装置就会成为引雷装置,不但不能保护建筑物和设备,反而会造成建筑物和设备的损坏,更有可能威胁到人们的生命财产安全.我们一定要重视接地这个问题.所以应该认真的系统的研究。1.1、接地历史接地是指在电气设备和大地之间实现确实的电气连接。一看似乎这是简单的技术,实际是非常不容易的事。如深入探研接地，可知它是非常深奥的技术。接地的历史可从避雷针开始。接地问题是18世纪富兰克林为避雷针防雷提出的。富兰克林发明的最初的避雷针，如图1.1，即把铁棒结合并立在建筑物上，其下端埋入地中，恰好相当于现在的所谓接地电极。因为避雷针是把雷电的能量安全释放入大地的设备，它的足部与大地确保被短接是必要的，这样就产生接地技术。图1.1富兰克林的避雷针和世界上最早的接地1876年，贝尔研究成功了电话，立刻，电话用的架空线网在广泛的大地上覆盖起来。当然，这些线路更加会受到雷的直接或间接的攻击，向线路直接落雷的场合不用说，即使在线路附近落雷的场合，线路亦受到影响，被称为雷电冲击电压的陡波前冲击波在线上疾走。最坏的场合，这雷电冲击的电压要到达住宅内的电话机，带来各式各样的灾害。所以在电话网就有避雷器登场，图1.2是现在的电话保安器。现在用二个避雷器与保险丝接在一起，因为电话线已不采用大地归路，必须对各线路接入避雷器。 图1.2可是，避雷器亦与避雷针一样是为了把雷电能量释放入大地的设备，所以，一定要把各避雷器的一端接地。这样，只从电话机开始就可知是进入了接地要求的时代。可见，电话的接地，比其后发达起来的电力用的接地的历史更早。电话技术工作者对接地的关心因称作电力线通信线间的感应干扰的新的问题的发生而加深，如有名的贝尔电话研究所进行了接地体系的研究。电力、电子设备的接地，是保障设备安全、操作人员安全和设备正常运行的必要措施。可以认为，凡是与电网连接的所有仪器设备都应当接地；凡是电力需要到达的地方，就是接地工程需要作到的地方。由此可以我们知道，接地工程的广泛性和重要性。1.2、接地的分类接地主要有以下几种:工作接地、安全保护接地、屏蔽接地、防静电接地、防蚀接地和防雷接地。工作接地:在电子设备中电子线路工作时的接地,它分为交流工作接地和直流工作接地。按接地参考点考虑又分为悬浮地、单点接地、多点接地、以及混合接地等四种。电子学中的接地并不总是指接到大地的接地，当电子电路接地被定义为零伏电位的基准点、线或平面上时，则就够成了电子线路的工作接地。接地基准点、线或平面可是一台设备的外壳，也可以选用一大段导电体作为接地基准安全保护接地：它是室内用电设备的,由于用电设备使用了交流电源,它必须符合电力部门的有关规定,如果用电设备使用的还有直流电源,而且使用情况又与大地有直接关系,则设备接地尚应同时满足设备使用直流电源接地要求,交流电源系统的接地常常和电源配电线路系统有关，根据供电结线方式的不同特点，室内用电设备的安全保护接地分为tnc,tns，tncs，tt，it系统。我国目前多采用tnc系统和tt系统。tnc系统中，保护线（pe线）与中性线(n线)合而为一,即为pen线,该线通过正常负荷电流,用电设备外壳带电位,所以不适合给数据处理和精密电子仪器设备等供电。而tt系统则需要采取单独的接地装置接地，并用漏电保护器作接地故障保护，所以它适合用来对接地要求较高的数据处理和精密的电子仪器设备供电。直流电源接地有两种，即利用大地作导电回路而采取的接地和利用大地做参考电位而采取的接地。前者已逐步淘汰，目前多数情况属于后者。这样就要求参考电位最好是不变的，至少要保证使用同一接地系统的各设备间相对的参考电位没有差别。防雷接地：当雷电流沿着避雷装置的引下线流到接地装置时，由于雷电流是一个频率极为丰富的，等值频率大约为10khz的脉冲电流，因此引下线和接地体在雷电脉冲电流的冲击作用下，表现出来既具有电阻又具有电感。为了尽可能地减少沿引下线的电感压降，防止引下线对周围物体发生闪络，一般接闪装置均采用多根引下线。这样既可降低每根引下线上的雷电流幅值，又可减少电感压降，所以对于建筑物避雷接地装置而言，它要求的是多点接地方式，而且接地线（引下线）应以最短路径接地。在下面几章里面，我们将着重讨论防雷接地问题。而屏蔽接地和防静电接地是用于各种仪器仪表，目的是使仪器和仪表测量的更精准些。还有的是防蚀接地，主要是牺牲阳极保护，避免设备电化腐蚀。总而言之，电力系统的电源与大地有无直接接地和室内用电设备需要怎么样的接地，完全取决于实际情况。一般情况下，应根据电源系统是否接地来选取一个主要的接地系统，再辅以必要的接地作为补充。同时力争把仪器仪表的屏蔽接地，防静电接地相互兼容，从而构成整个接地系统，以满足各种接地要求。通信设备中的直流电源多采用正极接地，如果把它与牺牲阳极保护的防蚀接地合用一组地线，则当防蚀设备不工作时，其地电位升高将会加速用电设备的电化腐蚀，所以它们不能兼容。图1.3和图1.4具体的电子设备接地方式， 图1.3：接地方式（一）图1.4：接地方式（二）1.3、联合接地方式联合接地方式是严格的单点接地方式，它是将接地系统分为地线（地线网络）和接地装置两部分来考虑的。地线（地线网络）是根据各设备接地要求来做的，不同地线之间不构成闭合回路，各种地线只在公共接地母线处一点接地。这样在某一地线上偶尔出现信号或干扰电流时，也不会互相串混产生干扰。而公共接地母线是低阻抗的，它不会引起共模干扰。公共接地是该接地系统的基准地电位点，它必须十分接近大地电位，这样便可以消除可能出现的反击等问题。至于接地装置，由于是各种接地线共用的，故它应该按照接地系统中最高要求的接地电阻来做。这样，满足了不同解得的需要 。图1.5是联合接地接线方式示意图。从图中可以看出电源系统有直接接地点，用电设备的外露导电部分通过保护接地线接至与电源系统接地点有直接关系的接地极。联合接地中，零（n）线到用电设备不再进行重复接地而采用严格的绝缘措施，并且用电设备所在的建筑物的主钢筋，进出建筑物的管线和建筑物防雷引下线，都接到联合接地装置。连通电源系统的地线和用电设备的地线平时都没有多大的电流入地，故称之为无流零线。用电设备的外露导电部分也接到用电部分的联合地线上。当发生碰壳时，通过无流零线造成短路跳闸；若零线断裂，断裂点后面发生碰壳时仍能促成短路跳闸，故起到与接零同时采用重复接地同样的保护作用。由于通信设备用电集中，且其他接地电阻要求严格，故采用联合接地不论在接地部位上还是接地电阻值上都能满足电力系统的要求。图1.5：联合接地线方式示意图联合接地由于有避雷引下线接入，当雷电流通过联合接地装置时会引起地电位的变化。但由于建筑物的主钢筋与联合接地装置焊成笼形，根据法拉第电磁感应定律，封闭导体的表面变化形成等位面，其内部场强为零，故各接地点电位要升高，其内部场强为零，故各接地电位要升高同时一起升高，要降低同时一起降低，故不会造成什么差异或干扰。第二章、接地装置接地是避雷技术比较重要的环节,不管是直击雷、感应雷或是其他形式的雷，最终都是把雷电送入大地，因此，没有合理而良好的接地装置是不能可靠的避雷的。2.1、接地装置工作原理根据接地电阻原理可知，雷电流由接地体流入大地的电流是以接地体为中心向大地作半球漫散状流动散开。（见图2.1）故靠近接地体周围土壤中的电流密度最大，离接地越远，则电流密度越小。实验证明，在中等土壤电阻情况下。一般离接地体20米处只有所加电压的2%（如图2.2），实际上工程应用上认为是零电位点。当然，土壤电阻率越小，零电位距接地体的距离也越小。反之，这个距离越大，甚至可以达到50-100米。(第三章将进行详细的接地电阻探讨) 散流电场图2.1:雷电流在大地的散流电场示意图 图2.2:接地电阻的原理示意图在假定土壤电阻率是均匀的,并且将土壤划分为一个等厚度的同心球体,其接地极的接地电阻r的计算为:r= /(2*r)，r为接地极周围同心球体的半径(m), 为土壤电阻率(欧姆*m)2.2 、接地装置结构在接地装置中有两个重要参数：1、接地电阻值；2、接地网结构。过去讨论接地的时候，总是把讨论的焦点放在要求接地电阻小于多少欧姆上，长期以来，人们有一个错觉，认为接地电阻越好，被保护的对象就越安全。当然避雷接地电阻值有一定要求，因为接地电阻越小散流越快，被雷击物体高电位保持时间越短，危险性越低，其跨步电压、接触电压也就越小。但是，近十几年来理论和实践证明，与其说接地网接地电阻值重要不如说接地网的结构更重要。1、独立接地和共用接地的概念现代的建筑物，往往是一座建筑物内有许多不同性质的电气设备，需要多少个接地装置、如避雷接地、电气安全接地、交流电源工作接地、通信及计算机系统接地（也叫直流接地，在数字逻辑系统中叫逻辑接地）等这么多系统，这么多系统的接地究竟是要采用共用接地好还是每个系统独立接地好呢？图2.3表示各种接地形式，图中的小“o”为需要接地的装置或设备。图2.3:接地的形式a图为每个需要接地的装置或设备自己设独立接地装置或设备自己设独立地装置。b图为在a图基础上，用连接线将各独立接地装置连接起来。c图为所有需要接地的装置或设备共同合用一组接地装置。d图为利用建筑物的金属体（包括钢构架和钢筋）做接地引线和接地装置。a图称为独立接地，b、c、d图称为共用接地所谓独立接地是指上面所谈的需要接地的系统分别独立的建立接地网,在本世纪六七十年代以前比较多用。他的好处是各系统之间不会造成互相干扰，这点对通信系统尤其重要，但今年发现这种独立的接地方式在计算机通信网络和有线电视网络中特别容易被雷击。故除在特别危险的有防爆炸要求的环境必须采用独立的避雷针（线、网）的地方外，一般不主张采用独立接地方式而被共用接地所取代。图b、c、d都叫做共用接地，或叫统一接地。它是把需接地的各系统统一接到一个地网上，或者把各系统原来的接地网通过地下或者地上用金属连接起来，使他们之间成为电气相通的统一接地网。2、独立接地存在什么问题呢？它为什么会被共用接地网取代？a、因为各通信系统和交流电源系统的接地是为了获得一个零电位点，又称为信号参考电位，如果在信号部分使用悬空地不易消除静电，容易受电磁场干扰使参考电位变动，造成事故。如果各系统分别接地，当发生雷击的时候各系统的接地点的电位可能相差很大，如图中的1、2、3三个接地网之间瞬间电位差大，假定其中“1”为交流电源工作接地，“2”为计算机逻辑接地，“3”为机壳安全保护接地，又假定雷电冲击波从其中一条路“1”即交流电源送进来，由于雷电的瞬时电压往往是几万v乃至几十万v，那么在同一台电子计算机电路板上分别与电源、通信或和外壳相接的各部分就承担各地网之间的高电压而被击穿，对于微机网络来讲，一般是调制解调器和网卡首先被击穿。b、独立接地不利于过电压保护 以往采用电子设备的独立接地在实践中已消除了连接的低频噪声。但有突然发生的大灾难事件。分析这些事件得出，由于采用独立接地所以在雷雨天气条件下会有很高的电压加在计算机等信息设备上，而产生高电压的原因包含了直接雷击、雷电波线路侵入和雷电感应。当雷电直击建筑物时，建筑物接地装置和与之相连接的金属构件电迅速抬高，相对而言，由于电子设备采用了独立接地，其电位未明显抬高，这样存在电位差和设备与建筑物金属框架之间所存在的电容，使设备元器件上感应的电压高于其击穿电压。在雷云电荷的感应下，有时并不发生雷击也会由于建筑物的感应电压通过上述形式影响到设备的元件。如果采用共用接地系统，电位差的问题就可以得到解决。据我们了解，在微机通信网中，电源、逻辑、安全保护和避雷各独立接地的系统被雷击损坏的几率远远高于公用接地的情况。c、其次，在一座楼房要分别做几个互相没有电气联系的地网是很困难的，尤其是在现代的大城市更是如此。因为要求各地网之间最小要有几m乃至20m的距离，同时又要与各种地下金属管道、电缆金属屏蔽层、各大金属构件都要有足够距离就不易做到，即使在新建接地系统时做到了，但在日后维修工作中，由于接手人不了解情况容易破坏以上的要求。基于上面两个原因，所以独立接地系统已不适应现代通信技术迅猛发展的形势。如果采用共用接地，雷电流i在冲击接地电阻上产生的高电压，将同时存在各系统的接地线上，如图中各系统接地线之间不存在上面讲到的高电位差，也不存在同一台设备的各接地系统之间的击穿问题。3、一点接地前面提到采用独立接地体的一个经常提到的理由是要避免信号干扰和消除“噪音”。为了分析这一问题，首先需要了解以下一些基本概念。二三十年以前，干扰被称为无线电频率干扰（radio frequency interference,缩写为rfi），因为绝大多数的噪音和干扰信号出自于无线电频率。现今，随着日渐大量采用电子计算机、数字技术、逻辑电路，现在的干扰被称为电磁干扰（electro magnetic interference，缩写为emi）。电磁干扰包含导电性电磁干扰，和辐射性电磁干扰。导电性电磁干扰，其干扰能量通过导线或电缆从一电路传送到另一电路。减少导电性电磁干扰是通过电路的合理设计、采用滤波器和电路的合理接地；辐射性电磁干扰，其能量是通过空气中的电磁场传送的。在设计外壳和箱体时，通过选用合理的屏蔽材料、构造技术和设备布置以及采用合理的接地技术等来减少辐射性电磁干扰。其中处理好接地是防电磁干扰最重要的技术措施。低频干扰绝大部分是通过线路互相耦合而来的，即所谓共阻抗耦合。当两个电路电流流经同一个公共阻抗时，一个电路上的电流在这个阻抗上形成的电压就会影响到另一个电路，这就是共阻抗耦合。如果一个公用的接地网，在不同的地方分别接上连线（如图2.4），由于共阻抗耦合关系，各连线之间将有vg1,，vg2电压，各连线的接地点电位不完全一样。而vg1,，vg2就是干扰电压，经放大后就可能直接影响通信和控制信号。图2.4表示出一个系统的三台内部有连接的设备，用多点接地方式接至一接地平面或接地母线上。由于各种干扰源感应的电流ig在接地平面内流动，并在a、b点和b、c之间产生感应电压vg1和vg2。因此，、c三点不可能处于同一电位，这就出现干扰源，图2.4是与图2.5同样的设备，但三台设备的地线全部接于点b，因此避免了由电流ig引发的公共阻抗耦合效应。当频率低时，a、b 和c点的电位基本上与b点的一样。 图2.4：多点接地 图2.5：一点接地如图2.5那样把各系统的接地线接到接地母线同一点或同一金属平面上，这样的连接方法叫“一点接地法”。一点接地法由于解决了各系统的接地线的等电位问题，所以各系统之间的干扰问题初步得到了解决，尤其是50hz工频信号对系统的干扰基本消除，所以一点接地法在工程上得到广泛应用。一点接地消除了公共阻抗耦合和低平接地环路引起的干扰。一点接地能很好地工作于1mhz以及以下的频率，并且当整个系统地尺寸较小时（最大尺寸小于/20，为干扰信号的波长）甚至可以应用到10mhz。当电磁干扰和信号地频率增加时，图2.5在电气上地等效电路更像图2.6那样有分布电感、分布电容及引线电阻，而引发谐振效应。在高频下，图2.5中的a、b 和c点的电位和b点不同，每点对b点来说通常总有某些不确定的电压。图2.6：高频下一点接地的等效电路当信号或电磁干扰的频率相当高或采用快速逻辑时，电容耦合效应应将会产生某种干扰耦合，如图2.6所示，这时引线长度成为主要矛盾，必须采用多点短连线接地方式，以最短连接线连接到地平面（零伏基准电位面）上，使串联阻抗减至最小，并将驻波减至最少。接地平面可以是设备地机壳或遍布整个系统的接地线（网）。可能时，选用一大的导电体作为接地平面。多点接地方式应用于高频电路（f10mhz）。多点接地的优点允许存在许多接地环路，这可能对同时使用较低频率的电路是有害的，在这种情况下，可以采用混合接地的方法所谓混和接地，是在一部设备内的各电路板，以最短的导线与机壳连接，或者信号电路相关的几部设备以最短的导线与同一个金属体连接接地，然后多台设备分别引金属线接到地网的同一点上。在工程上最简单、最有效、又最经济的办法是在交流电源送进房屋的总开关处，把零线重复接地（或把零线接到房屋的结构主钢筋上），然后在电源零线处引出一条pe线连接所以应该接地的点。高频接地的接地线需要多长，它应为高频波波长的几分之几？对此问题没有明确的答复，但是长度必须小于/4（不产生驻波的条件），至于小多少，这取决于通过接地线的电流和接地线允许的电压降。当电路对干扰电压降极为敏感时，接地线的长度可以限制在/20或更小，如果电路相对说来不敏感时，其长度可以长到0.15。传输线路的试验已经表明，驻波在一根不超过波长1/10至1/20长度导体的两端，不会产生明显的电位差。2.3、等电位连接与共用接地装置在防雷装置的设置上人们往往比较注意外部防雷装置和内部的电涌保护，容易忽视等电位连接在雷电防护的重要作用。有时还特意设置单独的接地装置，单独的引下线，还错误的提出“共网不共线，分类接地网，不串不共用，一点接地法”的口号，一方面给设计施工增加了难度和增大了开支，另一方面违背了等电位的基本原则，会给被保护设备和人身安全造成潜在的威胁。1、基本概念防雷等电位连接：是将分开的导电装置各部分用等电位连接导体或电涌保护器（spd）做等电位连接。它包括在内部防雷装置中，其目的是减小建筑物金属构件与设备之间或设备与设备之间由雷电流产生的电位差。防雷等电位连接区别电气安全的等电位连接，最主要是将不能直接连接的带电体通过电涌保护器做等电位连接。等电位连接网络：是对一个系统的外露各导电部分做等电位连接的各导体所组成的网络。共用接地系统：是一建筑物接至接地装置的所有互相连接的金属装置（包括外部防雷装置），并且是一个低电感的网形接地系统。接地基准点：是一系统等电位连接网络与共用接地系统唯一的一点接地。2、信息系统的等电位连接信息系统的各金属组件（如各种箱体、壳体、机架）与建筑物共用接地系统的等电位连接有两种原则方法，1、s型等电位连接网络，即星型结构或通称为单点接地；2、m型等电位连接网络，即网型结构或通称为多电接地。当采用s型等电位连接网络时，该信息系统的所有金属组件，除等电位连接点外，应与共用接地系统的各组件有足够的绝缘。通常， s型等电位连接网络用于相对较小、限定于局部的系统，本网络应仅通过唯一的一点（即接地基准点）组合到共用接地系统中去。在此情况下，在各设备之间的所有线路和电缆应按照星型结构与等电位连线平行作业敷设，以避免产生感应环路。由于采用唯一的一点进行等电位连接，故不会有与雷电有关联的低频电流进入信息系统，而信息系统内的低频干扰源也不会产生大的电流。m型等电位连接网络，则该信息系统的各金属组件不应与共用接地系统各组件绝缘。 m型等电位连接网络应通过多点组合到共用接地系统中去。通常，本网络由于延伸较大和开环的系统，本网络由于各种高频也能得到一个低阻抗网络。在复杂的系统中，两中形式（m型和s型）的优点组合在一起。2.4、接地装置的使用须知1、接地装置的选型在土壤电阻率低且均匀的平地，应采用垂直地体为主；在土壤电阻率较低且不均匀的山坡，应采用水平接地体为主，且相邻两接地体的距离应离的远些。居民区中线路塔杆的接地装置在其四周应有5米至8米的方方型或环型接地体。在土壤电阻较高的地区，根据电阻率的高低应采用4根至6根40米到100米长的射线，如近处60米以内有土壤电阻率较小地带，可采用外引接地，再加几根射线，效果较好。当建筑物采用硅酸盐水泥，周围土壤的含水是大于4%，基础的外表面无防腐层或仅有沥青时，钢筋混凝土基础内的钢筋宜作接地体装置。事实上干燥的混凝土是较好的绝缘体.而含水芬的混凝土却是很好的导体,在制造钢筋混凝土基础的过程中,硅酸盐水泥和水的作用,干凅后,混凝土中存在着许多细小的分支毛细管,基础的混凝土和含水的土壤接触时,毛细管将水分吸到混凝土里,使混凝土保持较高的含水量当建筑物基础中的钢筋接地体电阻值超过规定值或无钢筋时，根据基础的大小，应在距外墙1米至2米，深度0.8米至1米处的基础外缘，设置闭合环型接地体。2、接地装置埋设深度及接地体的间距接地装置埋设深度一般为0.5米，在耕地上应适当深些（地网效果更好），在土层很薄的山区可减至0.3米。接地体应远离因高温影响而使土壤电阻率升高的地方，当有防直击雷的接地装置要与建筑物出入口或人行道的距离不小于3米，当小于3米时处应埋深1米或采用沥青处理（在接地装置上铺设50mm-80mm厚的沥青层，其宽度超过接地装置2m）。当接地装置由多根接地体组成时，为了减小相邻地体间大屏蔽作用，接地体之间的距离一般为5米，应条件限制可适当减小，到不小于垂直接地体的长度。垂直接地体的长度宜为2.5米。(如图)3、接地材料的连接接地线与接地线的连接应使用焊接；接地线与电器设备的连接，可采用焊接，也可用良好的镙拴（如铜镙拴）连接，接地线与伸长的接地体（如管道等）相连接，应在靠近建筑物的进口处焊接扁铁（铜）和扁铁（铜）焊接时应三面焊接，焊接长度为扁铁（铜）宽度的两倍扁铁和圆钢焊接时，焊接长度为圆钢的倍焊接处应做防腐措施4、接地装置的材料使用垂直埋设的接地体，多数采用mmmmmm的角钢，以便于打入地下，水平埋设接地体一般采用的扁钢，以增大接地面积，节省材料在腐蚀性较强的土壤中应采用镀锌等防腐措施或加大截面积第三章、土壤电阻率和接地电阻接地装置的作用是把雷电流从接闪器尽快地散逸到大地,因此对接地装置的要求是要有足够小的接地电阻和合理的布局。设计人工接地体之前应该优先考虑建筑物的钢筋混凝土地基的接地电阻，并与各种自然金属接地体作电气连接，但除建筑物基础外，其他自然接地体的接地电阻值都不计算入总接地网的电阻值内，只作为等电位接地的一部分，作为防止过电压反击之用。3.1、土壤电阻率1.土壤电阻率与温度湿度的关系土壤电阻率和它沿地层深度的变化规律是选择接地装置型式和决定它的尺寸和决定它的尺寸的主要依据。土壤电阻率的数值与土壤的结构，土壤的紧密度、湿度、温度等，以及土壤中含有可溶性电解质有关。由于成分多种多样，因此，不同土壤的土壤电阻率数值上往往差别很大。影响土壤电阻率的主要因素是湿度。图3.1是粘土和红土的土壤电阻率（）值与湿度的关系，湿度以重量百分数表示。这些试验表明，土壤含水量增加时，电阻率急剧下降；当土壤含水量增加到2025时，土壤电阻率将保持稳定。图3.1:粘土和红土的土壤电阻率（）值与湿度的关系土壤电阻率也受温度的影响。当土壤温度升高时其电阻率下降，在0时土壤由于水分冻结而使电阻率迅速增加。表3.1表示由温度引起土壤电阻率的变化和变动的比率，温度从20-15变化的场合由表中可以看出，同一土地中电阻率随温度可以增加459倍。表3.1：土壤的温度和电阻率温度（）大地电阻率比率20721.010991.40130190（冰）30042-5790110-153300459土壤电阻率这些特性在接地装置设计中有重要的实用意义。一年之中，在同一地方，由于气温和天气的变化，土壤中的含水量都不同，因此土壤电阻率也不断的在变化，其中以表土最为显著。所以接地装置埋得深一些对稳定接地电阻有利。通常至少深埋0.51米。至于是否应埋更深，那就要看更深的土壤电阻率的大小，很多地方深层土壤电阻率是很高的，这样埋得太深反而使接地电阻增加，或增加接地工程费用。计算避雷接地装置时，应取雷雨季节中无雨水时最大的土壤电阻率一般按下式计算：0r = ro式中：季节系数；0、ro为其实测值；、r为其计算值。在计算接地电阻时，应考虑土壤干燥或冻结等季节变化的影响，从而使接地电阻在不同季节中均能保证达到所要求的值。实测的接地电阻值，要乘以表3.2 所列的季节系数1、2、3进行修正。表3.2:各种土壤的季节系数土壤性质深度/m123粘土0.50.80.833221.51.51.4陶土022.41.41.2砂砾盖陶土021.81.21.1园地031.31.2黄沙022.41.61.2杂以黄沙的砂砾021.51.31.2泥炭021.41.11.0石灰石022.51.51.2 注：1测量前数天下过较长时间的雨，土壤很潮湿时用之； 2测量时土壤较潮湿，具有中等含水量时用之； 3测量时土壤干燥或测量前降雨不大时用之。2土壤电阻率参考值当计算接地体的接地电阻时，应预先实测土壤电阻率。如无实测资料，可参考表3.3所列数值。表3.3：土壤和水的电阻率参考值（m）类别名称电阻率近似值电阻率的变化范围较湿时（一般地区、多雨区）较干时（少雨区、沙漠区）地下水含盐时土陶粘土泥炭、泥灰岩、沼泽地捣碎的木炭黑土、园田土、陶土、白垩土粘土砂质粘土黄土含砂粘土、砂土河滩中的砂煤多石土壤1020405060100200300400520103030-10030-10030-300100-200100-10003003501010050-300300-500300-50080-100025010003103-3010-3010-3010-303030-100砂砂子、砂砾1000250-10001000-2500砂层深度10m、地下水较深的草原 地面粘土深度1.5m、底层多岩石10001000岩石砾石、碎石多岩山地花岗岩500050002000003000-10000混凝土在水中在湿土中在干土中在干燥的大气中40-55100-200500-130012000-18000类别名称电阻率近似值电阻率的变化范围较湿时（一般地区、多雨区）较干时（少雨区、沙漠区）地下水含盐时矿金属矿石0.01-1水海水湖水、地水泥水、泥炭中的水泉水地下水溪水河水污秽的水蒸馏水1-53015-2040-5020-7050-10030-28030010000003.2、接地电阻对于工作接地和保护接地来说，通过接地体流入地中的是工频电流，所求得的电阻基本是接地体周围欧姆散流电阻，这称之为工频接地电阻。而对避雷接地来说，通过接地体留入地的是雷电流。由于雷电流的波头陡度很大（波头很短），在伸长接地体情况，它会使接地体本身呈现明显的电感作用，这样就阻碍了电流向接地体远端的流动对于长度较大的接地体，这种影响更为显著，结果使接地体得不到充分的利用。接地体在雷电冲击电流作用下，即有电阻也有电感，其电阻部分服从欧姆定律，与闪电无关，而电感部分则与雷电流的波形有关。总之，雷电流使得接地体得阻抗比工频电流时的纯电阻大；雷电流等值频率愈高，该阻抗值增加愈大，这一现象称之为接地的电感效应。由于雷电流是一个幅值可达几十千安，甚至上百千安的极大冲击电流，因此，入地后在接地体周围的电流密度很大，相应土壤中的电位梯度也很高。于是在接地体附近形成的电场强度超过土壤中的击穿强度，从而产生电弧或火花放电（地中的放电场强大约为300kv/m）。这相当于加大了接地体的几何尺寸，增大了接地体与土壤的接触面积，因而降低了散流电阻。这时表现出的电阻不服从狭义的欧姆定律，它的大小与雷电流的大小紧密相关，与散流电流的分布情况、土壤成份、状况等也有复杂的关系，这一现象称之为接地的火花效应。综合上述两种效应,可以看出雷电流经接地体入地时,冲击电流产生的冲击电压降峰值与冲击电流的峰值之间有一个时间差,一般说来,雷电流增长到幅值imax的时间滞后于冲击电压降的最大值umax的时间。在避雷接地中,冲击电位降的峰值与冲击电流的峰值之比应该是一个阻抗，称之为冲击接地电阻。平时我们都含糊的不考虑它们的时间差，而把该比值叫做避雷接地的冲击接地电阻，这样即有下式式中：rch为冲击接地电阻； um为冲击接地电位降的峰值； im 为冲击电流的峰值。由于接地体的电感阻碍了雷电流向接地体远端流动，当接地体太长时，于是将出现冲击接地电阻大于工频接地电阻的情况，所以在防雷规范中对对伸长接地体的长度作了限制，对于长波头，即对应于首次雷击的t110s的情况接地体延伸长度的最大值lmax；对于短波头，即对应于后续雷击的t20.25s的情况，接地体延伸长度的最小值lmin，以计算式表示，则得到: 取其平均值，即伸长接地体的有效长度 式中：为土壤电阻率。若按有效长度限制设计的接地体，就无需再考虑雷电流波形带来的影响了，所以冲击接地电阻值只须考虑雷击大电流的影响。雷电流入地要产生火花效应，散流电阻会因火花效应而降低（这种降低与土壤电阻率有关）。雷电流强度越大，火花效应越强。这样接地电阻值就会降低许多，因此冲击接地电阻一般小于工频接地电阻。两者之比，称之为冲击系数，即：式中： ch为冲击系数； r 为工频接地电阻； r ch 为冲击接地电阻。这个冲击系数的制订是非常困难的，它与接地体的几何尺寸，闪电电流的幅值与波形，以及土壤电阻率等有关，只有长期观测统计，作出相对比较安全而又经济的标准，然后在根据实际情况不断修正，才能制订出合理的冲击系数ch。如果冲击电流的持续时间超过几秒钟，接地体周围的土壤则会逐渐干燥，冲击接地电阻便开始增加而超过所有的工频接地电阻值。这种增长程度与土壤及电流的特性有关。3.3、接地电阻的计算1、基本方法为了使接地装置符合有关规范的规定，设计人员必须对接地装置的接地电阻进行预算，这是一项比较繁琐的工作。图3.2 球型接地体的接地电阻关于接地电阻的预算，一般都是根据土壤电阻率，以及接地体的几何尺寸等参数来进行。假设接地体是一个半埋在地里的球体。讲土壤划分为假想的一个个等厚s的同心球，如图3.2并假设均匀土壤电阻率，则很容易求得两个相邻圆球间的电压降。虽然球的个数无限，但这些电压降的总和却是有限的，这样可以得到该接地体的接地电阻r为：式中：r为接地体的半径。由此可见，球形接地体的接地电阻正比于土壤电阻率，与接地体的半径成反比。注意接地电阻不与r2及接地体的表面积成反比。采用球形接地体当然不大现实。不过，其他形状的接地体在均匀土壤中的接地电阻也能根据土壤电阻率计算出来。图3.3简明的描绘出接地体接地电阻的三种基本情况。（1）是一个埋在无穷大均匀的接地体的示意图，在导体与球体之间的电阻假设为r，当把球体分为两半，电阻值将增加到2r。（2）表明埋在地面的导体的接地电阻是是深埋在地下的等长导体的接地电阻的两倍。（3）表明垂直棒的接地电阻与埋在地面的两倍棒长的导体接地电阻是相等的。图3.3：接地体接地电阻的基本计算方式有关其他各种不同形状的接地体及其他各种组合的接地体的接地电阻的计算表，可在有关教科书上查到。2、人工接地体的接地电阻1.单跟垂直接地体的接地电阻当接地体电阻l接地体的直径d时式中：土壤电阻率，.m； l 接地体的长度，m d 接地体的直径或等效直径，m。在实用中，垂直接地体一般长2.5m，顶端埋于地面之下0.6-0.8m。此时单跟垂直接地体接地电阻的计算公式可简化为： 式中：k简化系数； （见表3.4）土壤电阻率，.m。表3.4：单根垂直接地体的简化计算系数k值材料规格直径或等效直径/mk 值钢管50400.060.0480.300.32角钢40404505056363570705757550.3360.0420.0530.0590.0630.340.320.310.300.30圆钢20150.020.0150.370.39注：表中k值按垂直接地体长2.5，顶端埋深0.8m计算。2、水平接地体的接地电阻 式中：土壤电阻率，.m； l 接地体长度，m； h 水平接地体埋深，m； d 接地体直径或等效直径，m a 水平接地体的形状系数，见表3.5。表3.5：水平接地体的形状系数a形 状a 值00.3780.8672.145.273.811.690.48常用的各种钢材的单根直线水平接地体的接地电阻值见表3.6表3.6：单根直线水平接地体的接地电阻值接地体材料及尺寸/mm接地体长度/m510152025303540506080100扁刚40425423.424.913.914.610.110.68.18.426.747.025.86.045.15.334.584.763.83.953.263.392.542.652.122.20圆钢810121526.325.625.024.315.315.014.714.411.110.610.710.48.788.68.468.287.37.167.046.916.286.166.085.955.525.445.345.244.944.854.784.694.104.023.963.893.473.453.403.342.742.702.662.622.272.232.202.17注：按土壤电阻率为100 .m、埋深为0.8m计算。3复合接地体的接地电阻以水平为主，且边缘闭合的复合接地体的接地电阻为式中：土壤电阻率，.m； s 接地网总面积，m2； l 接地体的长度，包括垂直接地体在内，m； d 水平接地体直径或等效直径，m； h 水平接地体的深埋，m。4人工接地体接地电阻简易计算式，见表3.7。表3.7：人工接地体接地电阻（）简易计算式接地体型式简易计算式备注垂直体r0.2长度3m左右的接地体单根水平式r0.03长度60m左右的接地体复 合 式（接地网）或1.s大于100 m2的闭合接地网2. r为与接地网面积等值的圆的半径，即等效半径，m3.土壤电阻率，l接地体长度5.人工接地装置工频接地电阻值,见表 3.8表3.8: 人工接地装置工频接地电阻值型式材料尺寸/mm及用量/m土壤电阻率/m圆钢20钢管50角钢50505扁刚404100250500工频接地电阻/单根2.52.52.530.237.232.475.492.981.11511861632根5.05.05510.010.525.126.250.252.53根7.57.5101066.569.216.617.333.234.64根101015155.085.2916.617.333.234.65根12.512.520204.184.3510.510.920.921.86根15.015.025253.583.738.959.3217.918.68根20.020.035352.812.937.037.3214.114.610根252545452.352.455.876.1211.712.215根37.537.570701.751.824.364.568.379.1120根50.050.095951.451.523.623.797.247.583.4、高电阻率土壤的改良对于电阻率较高的土壤，要达到所要求的接地电阻，是十分困难的，为了改变这种局面，可以采取以下一些方法。1深埋法在含沙土壤区，一般含沙层都在土壤表层，地层较深处的土壤电阻率往往都比较低。如果将距地面3m处的土壤电阻率定为1，则深度在4m处为0.75，深度为5m处为0.60，6.5m处为0.50，9m处为0.20。由此可见，在这类土壤区深埋接地体对降低接地电阻有较大的作用，特别是这样无须考虑土壤的冻结和干燥等影响土壤电阻率的不稳定因数。同时也无需考虑该接地体的跨步电压对人畜的伤害问题。当然，采用这种方法对施工来说是比较困难的，而且要配备专用的施工机具，特别是在岩石地区施工，困难更大。2深井接地法在一般深埋不能达到要求时，如果条件许可的话，可以使用钻机钻孔，把钢管埋入井内。再向钢管内和井内注入泥浆，如图3.4所示那样来降低接地电阻。该法一般不用于避雷接地中，因为雷电流的电感效应阻止了长接地体的利用。避雷接地中伸长接地体的有效长度，若leff2 为100.m，则接地体再避雷接地中的有效长度仅仅为20m，而且实际上深度越大时，对减少冲击接地电阻的作用也越来越少。3外引接地法如果在接地装置的附近有导电良好的土壤，不冻的河流，湖泊或海洋时，可以采用外引接地，对降低接地电阻也是有利的。不过，避雷接地中，由于雷电流的电感效应，外引接地有一个极限问题，国内外对外引接地的有效长度规定如下：式中：l为接地体的极限长度（m）；为土壤电阻率（.m）；t为雷电流的波头时间（s）。表3.7列出了不同土壤电阻率条件下，外引接地的极限长度。表3.7:不同土壤电阻率下外引接地的极限长度土壤电阻率（.m）10020040080016003200外引接地长度l（m）2028.34056.780113外引接地，一般采用排状或环状。在水中，采用404扁刚焊成网格沉于水底在经济上也是合理的。为了防止屏蔽效应，网格间隔为1015m。网格大小要根据水的电阻率高低和接地电阻的要求决定。水底装接地体，最好装在有河砂堆积的地方，因为河砂电阻率小于水，一般只有180.m左右。如果水中含有腐蚀性物质，还必须对扁刚进行热镀锌处理。如果在同一地区须采用外引接地得设备较多，是采用共同外引接地还是分开外引接地。要根据经济比较和地形条件等确定最佳方案。4污水引入法有的地方采用深埋，深井，外引接地等都不大可能时，可将没有腐蚀性得污水，如生活用废水等，引至接地体埋设的土壤中，以此办法来降低土壤电阻率。采用该方法时，接地体采用g50钢管，管上每隔20cm钻以5小孔，以便使污水能够渗入土壤之中。5置换土壤法该法是采用电阻率较低的土壤，如粘土，黑土及砂质粘土等，置换接地体埋设处的高电阻率土壤。置换的范围是接地体周围半米以内及接地体长度的三分之一处，如图3.5所示。如果取土方便而运输费又低的话，埋设接地体的土壤最好全部置换，其效果更佳。如果运输距离太长，不仅会加大运输费用，而且土壤在空气中暴露时间过长还会改变土壤的性质，达不到预期的效果。图3.5：置换土壤法置换土壤应采用随取随理的做法，以保持这种方法的有效性。6人工处理法在接地体周围土壤中加入煤渣、木炭、炉渣、碳黑以及盐类等也可以家底土壤电阻率。