防雷接地性能改善

 赵军伟
[摘要]接地系统的可靠性是保证电力系统安全稳定运行的重要条件，是发电厂、电力系统设备以及人身安全的重要保证。本文从影响接地电阻的各个因素出发，详细介绍了降低接地电阻的各种具体方法。
[关键词]防雷接地，接地电阻，性能改善，降阻方法

一　引言
接地系统是确保整个发电、变电系统长期正常运行的基础，也是减少设备和人身事故的基本保障。一个优秀的接地设计方案必须要综合考虑现场的各种实际因素，包括地质结构、气候环境等因素，才能确保方案的最终结果达到设计要求，实现系统的稳定。
二 影响接地电阻的因素
接地电阻主要包括接地线和接地体本身的电阻、接地体与大地的电阻之间的接触电阻以及土壤散流电阻。由于对接地电阻数值起主要影响的部分土壤散流电阻，而影响土壤散流电阻的主要是所处区域的地质结构形态和该地区的气候水文情况。
（一）地质条件影响
不同地质结构，不同含水率下，土壤的导电性能也就千差万别，以土为例，具体见下表[1]：
类别 名   称 不同情况下电阻率的变化范围（Ω.m）
  电阻率近似值（W．m） 较湿时（一般地区 多雷区） 较干时（少雨区 沙漠区） 地下水含碱时
    
土 陶粘土泥炭 泥炭岩 沼泽地黑土 圆田土 陶土粘土砂质粘土黄土 10205060100200300400 5～2010～3030～10030～10030～300100～200100～1000---- 10～10050～30050～30050～30080～10002501000---- 3～103～3010～3010～3010～303030～100----
在上表中可以明显的发现地质土壤的不同和水文条件的不同对接地电阻的影响程度，特别是各个地区的气候变化，使得地下水位随季节变化后同一地点的接地网电阻也会发生明显变化。
（二）接地网的结构形式
接地网的结构形式主要是指接地材料的选型、接地网的尺寸、网格、接地极配置等方面对接地电阻的影响。
接地材料的不同也会对接地电阻的有较大影响，例如：在北方冻土层区域采用石墨等非金属接地材料更有利于保持接地电阻的稳定。
由于接地体之间的具有互相屏蔽的作用，因此接地网格大小以及接地极之间的距离对接地电阻的降低效率有着明显差异。
美国《电磁兼容性设计手册》认为从经济性考虑，接地网应尽可能覆盖面积大以降低接地电阻，而且网孔数不宜多余16个。
三 降低接地网接地电阻的方法
降低接地电阻的方法除了利用河流、地下水、建筑物等自然条件降低接地电阻、改良土壤和规范施工方法保证接地网施工质量等常规方式外，还有以下几种方式：
（一）利用地质结构降低接地电阻
通过地质结构降低接地电阻的实质就是将接地体与土壤电阻率低的土壤层相接触以便降低散流电阻，最典型的就是深井接地和深埋接地。
在同电阻率的单层土壤中，由于降阻率的变化与接地极长度的平方成反比，所以当接地极的长度超过一定长度后对接地电阻的降低效果的影响是有限的。
而且从施工成本角度来讲，接地井的开挖或钻孔成本会随着深度的加大而大幅度增加。一般在单层土壤中接地极的长度在3米以下，以2.5米居多。
因此，只有在深层土壤的电阻率比表层土壤低时，加大接地极长度延伸到低电阻土壤中才会进一步降低接地电阻。原因是垂直接地极将故障电流直接引入深层的土壤内，如果深层的土壤电阻率比上层要高就起不到提高散流的目的。接地极对接地电阻的影响效果还与两层土壤之间的反射率有大小直接有关[6]。
在设计和安装接地极（特别是深井接地极）的时候还应该注意接地极之间的屏蔽作用[2]，一般要求接地极间距离为接地极长度的2倍。
另外，由于高寒地区的冻土层厚度会随气温变化出现变化，而且水在变成固态冰后，电阻率会出现大幅度提高，因此必须严格根据冻土的变化规律来埋设接地网[7]。
由于大多数区域的地质结构都是很多层不同电阻率的土层所构成的，而且土壤的分层排列是随机的，没有固定顺序。在进行接地设计时必须进行仔细的地质实地勘探，分析土壤的分布结构，然后通过设计计算合理布置接地极来有效减小接地电阻。
（二）利用导电性好的接地材料降低接地电阻
使用电阻率低的接地材料也可以很好地降低地网的整体接地电阻值，例如选择铜绞线、铜排、非金属等接地材料来直接降低接地网的电阻值。
非金属接地模块是由高纯度的石墨鳞片与金属电极高温锻造而成。模块保留了石墨的导电性能，其特有的网络空隙也形成了许多放电通道。在埋入地下后会向周围土壤不断释放离子，并在雷击放电后能够形成不可逆转的碳化通道，可以进一步降低土壤电阻。由于模块的波浪形表面加大了接地体与土壤之间的接触面积，增加了散流面积，降低了散流电阻。[3]
（三）利用降阻剂降低接地电阻
一般是在接地体周围填充一定体积的降阻材料，利用降阻材料电阻率低的特性以及扩大与土壤的接触面，提高散流性能，最终实现接地电阻的降低。对于山区、高土壤电阻率以及北方干旱地区使用降阻剂对接地电阻的降低能起到较好的效果。
在山区高阻区域除了采用普通的挖沟外，还可以采用钻孔和爆破制造裂隙的方法提高降阻材料的渗透范围，通过增加毛细接地根来扩大与土壤的接触面，降低电阻。
在高阻区还可以采用新型的电解离子接地极（IEA），离子接地极是由铜合金的空心管和内部的特制电解离子化合物组成。其工作原理是由于大气压力的改变和自然空气的流动，促使空气流入接地极的顶部通气孔，使空气与接地极内的金属盐化合，经过吸湿处理形成电解液。这些电解液会丛接地极底部渗出，向四周扩散形成接地毛细根，从而持续降低土壤电阻。
由于其具有高性能的长效降阻性能，已经逐渐被很多在建的核电项目所采用，用于替代常规的镀锌管材或型钢接地极，例如世界首台AP1000的三门核电机组就设计采用了离子接地极和铜接地网配套建立接地系统。          
（四）采用合适的接头连接方式降低接地电阻
在接地材料的连接方式主要是焊接、机械压接和螺接等几种，其中焊接相比其他连接方法的电阻要小，在焊接方式中的热熔焊接方法形成的连接电阻最小。
四 结论
接地系统是关乎电力系统正常运行以及减小事故面积的最后保障，接地系统设计前必须进行详细的勘察，然后综合利用各种降低接地电阻的措施，确保接地电阻满足系统运行需要。在使用各种接地电阻降低措施的时候必须确保长效性与稳定性，同时兼顾环境保护和资源节约。
参考文献
1、中国电力企业联合会：GB50169-2006电气装置安装工程接地装置施工验收规范，中国计划出版社，2006年；
2、陈先禄、刘渝根、黄勇编箸：接地，重庆大学出版社，2002年；
3、濮方正：稀土防雷防腐降阻剂接地应用实例，全国电网中性点接地方式与接地技术研讨会论文集，2005年；
4、张明峰：变电站接地网的研究，东南大学论文，2006年；
5、李生林：特高压接地系统优化设计及降阻措施的研究，西南交通大学论文，2008年；
6、高延庆、曾嵘、何金良、梁曦东：双层土壤结构的简化分析，清华大学学报（自然科学版），2002年；
7、王小英、张赛忠、郑鸽：降低山区接地电阻的若干措施，防雷与接地，2009年；