| 标题 | 关于防雷接地中的冲击接地电阻分析 |
| 范文 | 王红坡 摘要：本文以人工垂直接地极为例，依据相关计算，对影响冲击接地电阻的相关因素进行模拟，并从中指出其与冲击接地电阻之间所存在的关系，以此来更加全面、深入、系统化的去认识冲击接地电阻。通过对比两个有效长度的计算公式，指出其在现实工作中所存在的基本出入，以此为更好的开展防雷检测及接地工作提供指导与帮助。 Abstract： In this paper， taking the artificial vertical grounding pole as an example， according to the relevant calculations， the relevant factors that affect the impact grounding resistance are simulated， and the relationship between it and the impact grounding resistance is pointed out， so as to know the impact grounding resistance more comprehensively， in-depth and systematically. By comparing the calculation formulas of two effective lengths， it is pointed out that there are fundamental differences in the actual work， so as to provide guidance and assistance for better carrying out lightning protection detection and grounding work. 關键词：接地；冲击接地电阻；防雷 Key words： grounding；impact grounding resistance；lightning protection 中图分类号：TM862 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）27-0146-03 0 引言 针对冲击接地电阻而言，其与工频接地电阻之间存在较大差异。现阶段，防雷检测部门通过检测建筑物防雷接地情况，从中所获得的数据都是工频接地电阻。据《建筑物防雷设计规范》得知，防雷建筑物类型不同，对其所要求的冲击接地电阻是存在差别的。现实操作中，防雷检测人员直接把检测所得工频接地电阻值作为冲击接地电阻值，并且还将其写入到具体的检测报告当中，这与规范要求不相符。即使利用换算系统将冲击接地电阻换算出来，因公式自身存在不足与缺陷，同样会出现误差。本文借助于人工垂直接地电阻的具体计算公式与其冲击系数，指出对冲击接地电阻造成影响的各种因素，且通过换算公式的对比，来更加深入的认识冲击接地电阻，为相关防雷接地工作提供参考与指导。 1 接地电阻的基本定义 1.1 工频接地电阻 传统架构下所定义的接地电阻，均为工频接地电阻；从根本上来讲，就是一定电流通过接地极流入到大地时，接地极与无穷远处的零电位面间的电流I与电位差V的比值。一般来讲，接地电阻主要包含如下要素：土壤的散流电阻、土壤与接地体之间的接触电阻、接地体自身的电阻及接地引线的电阻。针对散流电阻而言，其相比于其它电阻，要更大，所以，可以将接地电阻与流散电阻对等。 1.2 冲击接地电阻 从根本上来讲，就是接地体对地冲击电压的幅值比上冲击电流的幅值的比值。受接地体自身电容与电感的影响，冲击电压与电流的幅值不会同时出现，所以，针对冲击电阻而言，其实为一个认为改变，并不存在现实层面的物理意义，只有当雷电流经接地装置时，其才能真正被体现。 2 冲击接地电阻所具有的散流特性 2.1 冲击电流经接地体时所存在的散流特性 ①对于冲击电流而言，其大体与高频电流相当，所以，在经过接地体时，除了接地体的电导与电阻之外，其电容与电感对冲击阻抗会产生相应作用；而对于其作用大小来讲，除了会对接地体的形状产生决定作用外，还会对冲击电流的幅值、波形及土壤电阻率等，起到关键作用。②当雷电流处于泄放状态时，若相比于土壤的临界场，电场强度存在明显偏强的情况，那么土壤内与接地体比较接近的部分，会出现局部放电的情况，这便会降低接地电阻；从根本上来讲，好比是减少了土壤的电阻率，或是增加了接地体的直径，此状况即为火花效应。③因冲击电流有着比较高的频谱，接地体自带的电感会对电流流向远端造成阻碍，进而难以充分利用接地体。如此一来，会造成冲击接地电阻相比工频接地电阻偏大的情况，即电感效应。 2.2 冲击系数 所谓冲击系数α，从根本上来讲，就是冲击接地电阻Rch与工频接地电阻R相比较所得到的数值，即为冲击系数α。针对集中接地体而言，α通常会<1，但如果是有着比较大长度的伸长接地体，因其存在较强的电感效应，α可能>1。A为规范接地装置冲击接地电阻与工频接地电阻的换算公式R=ARi当中换算系数A的倒数。针对此数值而言，其乃是反映接地装置冲击特性的关键参数，其有助于更好开展防雷接地工程设计，仅需将接地装置的工频接地电阻测出，便能依据相应冲击系数，将其冲击接地电阻求出来。 受电感效应与火花效应的多重影响，α值可能<1，也可能>1，起到决定因素的是雷电流在泄放入地过程中，电感效应与火花效应谁处于主导地位。所以，通过接地电阻仪的应用，将工频接地电阻测出来，其数值可能会大于或小于冲击接地电阻。如果接地电阻值处于规范要求的数值内，当α<1时，可将测量值当作冲击接地电阻；而若>1，可依据冲击系数，将冲击接地电阻换算出来，以此对冲击接地电阻是否与《建筑物防雷设计规范》相符进行验证。 3 对冲击接地电阻造成影响的因素及其与各类因子间所存在的关系 3.1 计算人工垂直接地体工频接地电阻 在设计工程当中，经常将角钢当作垂直接地极，所以，本文以角钢为例进行计算。此角钢截面尺寸为50×50×5mm。可依据如下公式将单根垂直接地极的接地电阻计算出来： 在此公式当中，R（Ω）表示的是接地体电阻；L（m）表示的是角钢长度；p（Ω·m）表示的是土壤电阻率；d（m）表示的是角钢的等效直径；h（m）表示的是角钢上段与地面之间的距离。其中，可采用如下公式计算出角钢的等效直径： 在此公式当中，d（m）所代表的是角钢的等效直径；b（m）表示的是等位角钢界面长度。 在此公式中，b1、b2均代表的是不等边角钢截面的长度。 针对冲击系数与冲击接地电阻而言，其除了与接地装置的几何尺寸之间存在紧密关系之外，还与冲击电流幅值、土壤电阻率之间存在紧密关联。利用大量实验数据开展回归拟合分析，便能从中得到用于计算冲击系数的公式。此公式由3部分构成，反应能够反映出冲击电流幅对冲击系数、几何尺寸、电阻率与冲击接地电阻之间的关系。 3.2 计算垂直接地极冲击系统的公式 在此公式中，L（m）表示的是几何尺寸；p（Ω·m）代表的是土壤电阻率；IM（kA）表示的是冲击电流幅值。 基于上述公式，便能将单根垂直接地极的冲击接地电阻求出来，公式为： 3.3 冲击接地电阻值与各个因素间所存在的关系 基于公式（5），通过计算，将模拟图形画出来，然后分别分析接地极直径、接地极尺寸、土壤电阻率及冲击电流幅值对冲击电阻的影响。为了更加方便进行分析，将冲洗系数α替换冲击接地电阻，当作变量，并以此来开展模拟。 ①当p=200Ω·m，d=0.04，h=0.5m时，冲击系数α伴随冲击电流相应幅值的变化而发生改变。见图1所示。 由图1可知，伴随冲击电流幅值的增加，冲击系数呈现逐渐减小状态，最后保持平缓状态。针对此时的冲击接地电阻而言，其呈现为火花小羊，此时，土壤电阻率会在较短时间内快速减小，而冲击系数的减小速度更快，但因其有着比较高的冲击电流频率，当其伴随电流的持续增大而达到一定值时，接地体自身的电感便会对电流流动造成影响与抑制，因而难以充分利用接地体，即呈现出电感效应。 ②如果IM=1kA，d=0.04m，h=0.5m时，冲击系数α伴随接地极长度在各土壤电阻率中的改变而变化。见图2所示。 由图2可知，接地装置的冲击接地电阻伴随几何尺寸的增加而成减小趋势，如果几何尺寸增加至相应定值后，接地极呈现出典型的电感效应，另外，针对其冲击接地电阻而言，便会逐渐趋向稳定，而其工频接地电阻则会伴随几何尺寸的增加而持续下降。所以，冲击系数伴随接地极几何尺寸的增加而呈现增加态势。 4 计算有效长度及分析 冲击电流幅值与有效长度之间呈负相关，即冲击电流幅值越大，则有效长度就越小。究其原因，主要因为在冲击电流作用下，若其波头时间会保持不变，则接地极有效长度会持续变小。此外，当土壤有着越大的电阻率时，接地极便会有越长的有效长度，主要因为土壤电阻率越大，其对接地极自靠近入地端向土壤中散流阻碍作用越大，针对此时的冲击电流而言，其仅能向接地极末端流动，如此一来，会随接地极的有效长度增大，进而呈现为冲击接地电阻的增大。通过对接地极有效长度的相关因素进行分析，可以对普通垂直接地极的有效长度作出如下定义： 在此公式中，le表示的是有效长度（m）；τ代表的是波头时间（μs）；IM表示的是雷电流幅值（kA）。规范中所提出的有效长度公式： 现通过计算模拟出2个有效长度随土壤电阻率的变化关系：以规范附录6雷电电流首次以后雷击的雷电电流参量当作变量计算，结果见表1。 模拟图形见图3所示。 由图3可知，借助于公式（7），将有效长度计算出来，并得知其伴随土壤电阻率呈增大趋势，其值较公式（6）所得有效长度，要明显偏大。由此表明，公式（7）没有将火花效应考虑在内，如果想要在冲击接地电阻值上达到同样效果，需要比公式（6）采用更多的接地材料。 5 结论 综上，基于上述分析可知，如果土壤电阻率<100Ω·m，那么冲击系数易>1，从根本上来讲，就是冲击接地电阻>工频接地电阻；若经测量所获得工频接地电阻当作冲击接地电阻，则与规范不相符，会对人身及设备安全造成严重威胁，所以，在检测防雷接地装置时，需对接地体的接地方式、长度及土壤电阻率进行深入、全面的了解，并把所得到的工频接地电阻箱冲击接地电阻转换。针对各种接地极布置方式，可选用各种冲击系数，将冲击接地电阻值计算出来。在选择雷电流时，如果难以测得，可依据建筑物防雷分类标准，取最大电流值，依据接地极布置方式的不同，取最合宜的分流系数。 參考文献： [1]周敏芳，程飞军.冲击接地电阻与工频接地电阻换算系数计算方法分析[J].河南科技，2012（16）：66. [2]邱立，傅天奕，张尧，等.基于有限元法的水平接地体冲击接地电阻计算与分析[J].电网与清洁能源，2017（10）：9-13. [3]张恺，谭晓林，赵金刚，等.影响接地电阻测量准确度因素分析[J].科技创新与应用，2013（6）：140. [4]张敏，曹晓斌，李瑞芳，等.输电线路杆塔接地极冲击接地电阻特性分析[J].电瓷避雷器，2012（4）：5-9. |
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