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作者：劉德輝 文章來源： 網站 |
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一、 概述 二、 接地體介紹 1、降阻劑 2、中空接地體 3、非金屬接地模組 三、 非金屬接地模組的理論與實踐 1、非金屬接地模組工作機理 2、非金屬接地模組性能指標 3、接地效果 四、 接地網路 1、接地網路的設計 2、接地網路的施工 五、 接地裝置的測試 1、接地電阻的測試 2、土壤電阻率的測試 一、 概述 接地網是接地系統的基礎，由接地環（網）、接地極（體）和引下線組成。過去常將接地環作為 接地的主體，很少使用接地體。接地要求不高或地質條件相當優越的情況下，接地環的確有效， 在通常情況下，接地環可以起到輔助接地的作用，主要作用是接地體來完成的。 決定接地電阻大小的因素很大，我們以接地環作接地主體的情形來分析傳統地網接地電阻的計算公式： 公式中： ρ（Ω.m）：土壤電阻率；d（m）：鋼材等效直徑；s（m2）：地網面積；h（m）：埋設 深度；（m）：接地極長度； A：形狀係數。傳統的接地方式在土壤電阻率已經確定的情況下，要想達到設計要求的必須有 足夠的接地面積，每擴大4倍的接地面積，接地電阻會降低一倍。 要降低接地電阻的另一個方法是加大接地材料的尺寸，但耗材太大，效果並不理想。 但使用接地環要達到某個接地電阻值，與接地環包圍的面積S和土壤電阻率有關。 以一個城市常見的土壤電阻率200Ω.m為例，要做接地電阻1Ω的地網須占地10000m2。對大型建築物而言，本身占地很大，考慮到要求獨立地的設備，一個地網是不夠的。 在高樓林立、寸土寸金的城市和地形複雜的山地，很難滿足面積施工的場地和土質，即使地理使條件許可，由於開挖量大，耗材多，費工費料，工程造價相當高。所以，需要運用更好的接的材料和施工設計方法。 二、接地材料 廣泛使用的接地工程材料有各種金屬材料、降阻劑、離子接地系統、非金屬接地體等。金屬材料如扁鐵，也常用銅材代替，主要用於接地環的建設，這是以往大多接地工程都選用的；接地體有金屬接地體（角鐵、銅棒和銅板）這類接地體壽命較短，接地電阻上升快，地網改造頻繁，維護費用比較高；從傳統金屬接地極（體）中派生出地特殊結構的接地體（帶電解質材料），使用效果比較好，一般稱為離子或中空接地系統；另外就是非金屬接地體，使用比較方便，幾乎沒有壽命的約束，各方面比較認可。 以下著重介紹降阻劑、離子接地系統和非金屬接地模組。 1、降阻劑 降阻劑分為化學降阻劑和物理降阻劑。 化學降阻劑自從發現有污染水源和腐蝕地網的缺陷以後基本上沒有使用了，現在廣泛接受的是物理降阻劑（也稱為長效降阻劑）。物理降阻劑是接地工程廣泛接受的材料，屬於材料學中的不定性複合材料，可以根據使用環境形成不同形狀的包裹體，所以使用範圍廣，可以和接地環或接地體同時運用，包裹接地環和接地體周圍，達到降低接地電阻的作用。 並且，降阻劑有可擴散成分，可以改善周邊土壤的導電屬性。現在較先進的降阻劑都有一定的防腐能力，可以加長地網的使用壽命，其防腐原理一般來說有幾種：電化學防護，緻密覆蓋金屬隔絕空氣、加入改善介面腐蝕電位的外加劑成分等方法。物理降阻劑有超過二十年工程運用歷史，經過不斷實踐和改進，現在無論性能還是施工工藝都已相當成熟。 長效降阻劑產品採用現代材料科學的優越材料一高分子化學物質，施用前為液體，用塑膠桶盛裝，施用時加入凝固劑聚合為乳白（略黃）色，具有較好的彈性的凝膠體。本產品降阻效果顯著，持久性好，使用壽命在30年以上。 該降阻劑對接地極的腐蝕甚微，既可降阻又能起到防蝕劑的作用，為接地極防腐提供了新的途徑和材料，由於其滲透性及流動性好，產生樹根效應，大大增加了接地極的等效直徑。產品性能達到了世界先進水準。長效降阻劑技術參數： 電阻率0.1Ω.M 比重1.08 PH值7.0 聚合後不溶于水，無毒無環境污染。 2、離子接地系統 離子接地系統是傳統的金屬地改進而來，從工作原理到材料選用都有脫胎換骨的變化，形成各種形狀的結構。這些接地系統的共同點是結構部分採用防腐性能更好的金屬，內填充電解物質及其載體部分的內填料。 接地系統常用的金屬材料有不銹鋼、銅包鋼和純銅材。不銹鋼的防腐較鋼材好，但是在埋地環境中依然會多多少少地銹蝕，以不鏽鋼為主體的接地系統不宜在腐蝕性嚴重地環境中使用。 表面處理過的銅是很好的抗銹蝕材料。銅包鋼是銅-鋼的複合材料，鋼表面覆蓋銅，由套管法或電鍍法生產，表面銅層厚度從0.01mm到0.50mm，厚度越厚防腐性能效果越好，但是成本太高，該接地體有局部外露，存在安全隱患；同時由於電解質的滲透需定期維護。由於接地系統大多向垂直方向伸展，所以接地面積很小，可以滿足地行嚴重局限的工程需要。 3、非金屬接地體 非金屬接地體在通信、廣電等部門廣泛應用。它是由導電能優越的非金屬原料複合加工成型的，加工方法有澆注法，澆注成型的產品結構鬆散、強度低、導電性能差，而且品質不穩定，一些小型廠家少量生產使用這樣的辦法；機械壓摸法，是使用設備在幾到十幾噸的壓力下成型的，不僅尺寸精度較高、外觀較好，更重要的是材料結構緻密、電學性能好、抗大電流衝擊能力強，品質也相當穩定，但是生產成本較高，批量生產多採用。 選型時，儘量採用後者，特別是接地體有大電流或大衝擊電流的要求（如電力工作地、防雷接地）時，不易採用澆注成型的非金屬接地體。 非金屬接地體是不受腐蝕的接地體，其穩定性、環境適應性、使用壽命都是現有接地材料中最好的，不需要定期改造和維護。非金屬接地體施工需要地網面積比傳統接地面積小很多，但是，在不同地質情況下，也許要保證足夠夠地接的面積才可以達到良好的效果。 三、非金屬接地模組的理論與實踐 低電阻接地模組是一種以非金屬材料為主的新型接地體，採用機械壓模法製造，不僅尺寸精度較高、外觀較好，更重要的是材料結構緻密、電學性能好、抗大電流衝擊能力強，品質也相當穩定獲國家發明和實用兩項專利。它的問世，突破了接地體通常採用金屬材料的常規而開闢了一條新路。 產品水準 電阻率<5Ω/m，耐受8/20μs 1KA衝擊電流和耐受10A工頻電流後，電阻值不增加反而減少。也無變硬、發脆、爆裂等現象。在常規試中，當土壤電阻率為100Ω.m時，單個模組的接地電阻可為4Ω 非金屬材料對金屬表面的腐蝕0.03mm/年,因而壽命可超過20年。能適應與我國南方和北方、平原和高山的氣候環境；在一般土壤電阻率和高土壤電阻率地區，均能獲得較好的接地效果，而後者更為顯著。為了瞭解產品的全貌，下面將從工作機理、性能指標、接地效果等方面作簡要介紹。 （一）、工作機理 低電阻接地模組的工作機理主要包括接地電阻和防腐作用，可從大地參數、模組材料性質及其相互關係來求解。 大地有兩個電性參數，即大地電阻率ρ和介電常數ε，前者反映大地的電阻特性，後者反映大地的電容特性，兩者對接地電阻均有影響。ρ是影響電阻Rj 的主要因數，它與Rj成正比；ε是影響電容C的因數，它與Rj成反比；只要接地體具有改變土壤電阻ρ率和介電常數ε的功能，就可能將Rj降低。 要達到這一目的，鋼鐵等金屬材料由於其本身的原因是無能為力的，而低電阻接地模組含有產生電解活性離子和吸濕保濕的非金屬材料，卻可擔此重任，若在配以導電性、熱穩定性、化學穩定性好的碳質材料，就會耐腐蝕，性能更優越。下面闡述它們的作用過程： 1、降低接地電阻作用 1）、低電阻接地模組採用某種無機鹽作為電解質，當其埋在土壤中，在其周圍遇水形成電解溶液後產生活性電離分子，一部分被吸收在土壤表面，一部分游離於溶液中，使土壤層的導電性增強，電阻率下降。由於接地體的接地電阻主要受控於經土壤電阻率作用的路徑電阻，這就決定了它對接地電阻影響的主導地位。 2）、低電阻接地模組中含有吸濕、保濕材料，能將土壤中水分聚集在接地體周圍，使其經常處於潮濕狀態，從而增大了土壤的介電常數。土壤和水分的介電常數都大於1，其變化範圍一般不超過一個數量級，相對於電阻率的變化要小的多，這就決定了它對接地電阻影響的次要地位。 水的介電常數為81，土壤的介電常數為4?C15,一般取9作為計算值，有隨含水量增大而增大的規律。 3）、低電阻接地模組與土壤層間的接觸電阻比金屬接地體與土壤層間的接觸電阻小。從物理意義上可知：低電阻接地模組與土壤層在成分上具有親緣關係，它們之間凝聚、結合較好，接觸阻力小。 從地電擴散電場原理可知，當兩種不同的岩石、土壤相互接觸時，在其介面上帶電粒子互相擴散，形成雙電層，產生電位差。 鋼接地體的接觸電位差約為低電阻接地模組的7.7倍。 以上論述的接觸電位差是基於自然電場，其量值比人工電場所產生的電位差要小的多，但可以說明低電阻接地模組的接觸電位差比鋼材接地體小，致使接觸電阻小。 2、耐腐蝕作用 低電阻接地模組的金屬極芯處於帶電離子的介質或土壤中，產生腐蝕是不可避免的，但可以通過材料配方或在極芯增加鍍鋅層，把腐蝕控制在一定限度內。模組材料對金屬極芯的腐蝕是由於電化學腐蝕微電池作用產生的電位差所致。 金屬極芯的電極電位較負，成為陽極遭受腐蝕，模組體的電極電位較正，成為陰極不遭受腐蝕。模組的配料含有天然石墨，它是碳的同素異構體，其晶體結構屬六方晶系，具有良好的化學穩定性，在電解溶液中不會形成碳離子，碳原子亦不會自動進入溶液。 石墨在還原酸、中等濃度的氧化酸中均很穩定，能耐多種鹽類溶液和有機質的腐蝕，是一種良好的耐腐蝕劑。此外，還配有強鹼-弱酸性鹽類，溶于水顯示鹼性，能與鋼材極芯作用生成難溶的防腐產物，並抑制其防腐速度，在作鍍鋅保護，則會明顯增強耐腐蝕性。 總之，低電阻接地模組的工作原理可概括為：它利用自身的特點，使其周圍附近的土壤電阻率降低，介電常數增大，層間接觸電阻減小，耐腐蝕性增強。因而能獲得較小的接地電阻和較長的使用壽命。 （二）、性能指標 根據企業標準的要求，並參照了原能源部武漢高壓研究所制定的《接地降阻劑暫行條理》及四川省地方標準DB/5100G14001-38《固體降阻劑》的有關規定，對低電阻接地模組進行了電阻率、衝擊電流、耐工頻電流、PH值、抗壓強度、腐蝕率等性能指標試驗，經國家絕緣子避雷器品質檢測中心檢驗合格，取得了合法的“身份證”但由於低電阻接地模組與傳統的金屬接地體有很大的不同，一些用戶和專家學者提出了要對低電阻接地模組的重要技術性能作進一步瞭解，下面提供有關專項試驗研究成果。 1、接地電阻 1）、建立接地電阻計算公式 在低電阻接地模組試驗研究中，我們發現了在相同土壤條件下、相同尺寸下，低電阻接地模組的接地電阻比鋼接地體小；垂直埋設的鋼接地體用公式（3-2）的計算值比實測值大；不考慮埋深比考慮埋深大。 2）、不同接地材料對比實驗 低電阻接地模組與鍍鋅鋼管接地體、石墨接地體、降阻劑接地體的對比實驗結果表明：低電阻接地模組的接地電阻均小於其他三種接地體；受天氣的影響明顯比鍍鋅鋼管接地體小。 表3-2低電阻接地模組與石墨接地極接地電阻對比試驗 表列說明低電阻接地模組的接地電阻乾燥時比潮濕時大55%,鍍鋅鋼管接地體的接地電阻乾燥時比潮濕時大100%∼124%, 2.腐蝕率 金屬極芯表面平均腐蝕率,事關模組的使用壽命,必須認真對待,在我們參閱了有關金屬腐蝕的文獻資料後,認為有必要類比使用狀態進行腐蝕率實驗.實驗方法:採用未鍍(浸)鋅保護的低碳圓鋼極芯,製成兩種尺寸的接地模組,埋置於潮濕狀態、電阻率低、對金屬易於腐蝕的粘土層中，兩年後（1998年10月）取出檢查，其腐蝕情況如下 整個極芯外觀尚完整，局部銹蝕，常出現在極芯與骨架焊接處及其附近和極芯剛超出模組體的接觸部位， 兩端絲扣部分銹蝕微弱。表面腐蝕率按下式計算： V=（△W×3650）/（s×t×d）………………（3-6） 式中：△W──極芯尖重（g） s──極芯表面積（cm2） t──經受腐蝕的時間（天） d──極芯材料比重（g/cm2）取7.85 上述檢驗、計算結果，分析說明如下： 1）、埋于易腐蝕的土壤中極芯表面平均腐蝕率為0.18mm/年,小於有關文獻資料介紹的在未加保護的尺寸 管段上獲得的平均腐蝕速度0.2mm∼0.4mm/年,大於小樣品實驗件埋?
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