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低阻抗接地網(wǎng)的設(shè)計與施工
摘要:文中介紹了接地系統(tǒng)的作用,分析了獨立接地系統(tǒng)和共用接地系統(tǒng)的性能和特點,闡述了接地電阻的構(gòu)成及施工和降阻方法。簡介了接地裝置的施工接地電阻測量方法及測量注意事項! £P(guān)鍵詞:接地系統(tǒng) 構(gòu)成 性能 施工 測量 1.概述 接地系統(tǒng)是影響用電系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、可靠運行的一個重要環(huán)節(jié),為了用電設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定的工作,須有一個接地參考點。至于如何接地,采用何種接地方式較好、較正確,人們看法不一,國內(nèi)有關(guān)規(guī)程也不夠明確和統(tǒng)一,國外用電設(shè)備廠商對接地系統(tǒng)的要求也不盡相同,但對用電設(shè)備必須可靠接地的認識是統(tǒng)一的。接地系統(tǒng)基本分為兩種形式,一是有按需要接地系統(tǒng)的功能而單獨設(shè)計的各自的專用接地系統(tǒng),二是將各種功能的接地系統(tǒng)聯(lián)在一起組成一個公用接地系統(tǒng)! 2.獨立接地系統(tǒng) 將系統(tǒng)的直流地(邏輯地)與交流工作地,安全保護地和防雷地、供電系統(tǒng)地相互獨立。為了防止雷擊時反擊到其它接地系統(tǒng),還規(guī)定了它們相互之間應(yīng)保持的安全距離。采用獨立接地方式的目的,是為了保證相互不干擾,當(dāng)出現(xiàn)雷電流時,僅經(jīng)防雷接地點流入大地,使之與其它部分隔離起來。有關(guān)規(guī)程提到若把直流地(邏輯地)防雷地分離時,其間距離應(yīng)相距15米左右。在不受環(huán)境條件限制的情況下,采用專用接地系統(tǒng)也是可取的方案,因這可避免地線之間相互干擾和反擊! 3.共用接地系統(tǒng) 建筑物為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時,鋼筋主筋實際上已成為雷電流的下引線,在這種情況下要和防雷、安全、工作三類接地系統(tǒng)分開,實際上遇到較大困難,不同接地之間保持安全距離很難滿足,接地線之間還會存在電位差,易引起放電,損害設(shè)備和危及人身安全。考慮到獨立專用接地系統(tǒng)存在實際困難,現(xiàn)在已趨向于采用防雷、安全、工作三種接地連接在一起的接地方式,稱為共用接地系統(tǒng)。在IEC標(biāo)準(zhǔn)和lTU相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)中均不提單獨接地,國標(biāo)也傾向推薦共用接地系統(tǒng)。共用接地系統(tǒng)容易均衡建筑物內(nèi)各部分的電位,降低接觸電壓和跨步電壓,排除在不同金屬部件之間產(chǎn)生閃絡(luò)的可能,接地電阻更小! ≡诠灿媒拥叵到y(tǒng)基礎(chǔ)上,可以進一步把整個機房設(shè)計成一個等電位準(zhǔn)“法拉第籠”,圖1為建筑物“籠式”結(jié)構(gòu)示意圖,建筑物防雷、電力、安全和計算機共用一個接地網(wǎng),接地下引線利用建筑物主鋼筋,鋼筋自身上、下連接點應(yīng)采用搭焊接,上端與樓頂避雷裝置、下端與接地網(wǎng),中間與各層均壓網(wǎng)、環(huán)形接地母線焊接成電氣上連通的“籠式”接地系統(tǒng)。接地電阻一般應(yīng)小于1Ω,為減少外界電磁干擾,建筑物鋼筋、金屬構(gòu)架均應(yīng)相互焊接形成等電位準(zhǔn)“法拉第籠”。這種結(jié)構(gòu)系統(tǒng),不同層接地母線之間可能還有電位差,應(yīng)用時仍要注意! 2.1共用接地系統(tǒng)構(gòu)成 2.1.1接地體(又稱接地電極或地網(wǎng))。接地體是使系統(tǒng)各地線電流匯入大地擴散和均衡電位而設(shè)置的與土壤物理結(jié)合形成電氣接觸的金屬部件! ÷(lián)合接地方式的接地體由兩部分組成:即利用建筑物基礎(chǔ)部分混凝土內(nèi)的鋼筋和圍繞建筑物四周敷設(shè)的環(huán)形接地電極(由垂直和水平電極組成)相互焊接組成的一個整體的接地體。 2.1.2接地引入線。接地體與接地總匯集線之間相連的連接線稱為接地引入線。接地引入線應(yīng)有足夠的導(dǎo)流面積,并作防腐蝕處理,以提高使用壽命! 2.1.3接地匯集線。接地匯集線是指在建筑物內(nèi)分布設(shè)置可與各系統(tǒng)接地線相連的一組接地干線的總稱。 根據(jù)等電位原則,提高接地有效性和減少地線上雜散電流回竄,接地匯集線分為垂直接地總匯集線和水平接地分匯集線兩部分! 、俅怪苯拥乜倕R集線:垂直貫穿于建筑物各層樓的接地用主干線。其一端與接地引入線連通,另一端與建筑物各層鋼筋和各層水平接地分匯集線分層相連,形成輻射狀結(jié)構(gòu)。垂直接地總匯集線宜安裝在建筑物中央部位,也可在建筑物底層安裝環(huán)形匯集線,并垂直引到各機房的水平接地分匯集線上! 、谒浇拥胤謪R集線:分層設(shè)置,各通信設(shè)備的接地線就近引入到水平接地分匯集線上。 2.1.4接地線。系統(tǒng)內(nèi)各類需要接地的設(shè)備與水平接地分匯集線之間的連線。其截面積應(yīng)根據(jù)可能通過的最大電流確定,并不準(zhǔn)使用裸導(dǎo)線布放! 2.2地線反擊電壓 采用共用接地之后出現(xiàn)的新問題,是出現(xiàn)地線反擊電壓現(xiàn)象。地線反擊是由于雷電流流過低網(wǎng),使正常情況下處于低電位的接地導(dǎo)體的電位升高,經(jīng)地線反擊到電子設(shè)備,使設(shè)備出現(xiàn)過電壓。地線反擊也屬傳導(dǎo)性干擾,對微電子設(shè)備也會造成很大的危害,而這也是造成設(shè)備損壞的重要因素,但這一點往往被人們忽視。地線反擊和接地系統(tǒng)有著密切關(guān)系,接地沖擊電阻越小,反擊電壓也就越低給設(shè)備造成的危害也就越小。 雷擊大樓后,接地系統(tǒng)的電位升高,使所有與它連接的設(shè)備外殼帶上了高壓。而計算機設(shè)備又是經(jīng)過信號線或電源線引至遠端的零電位點。于是升高的外殼電位便在設(shè)備的平衡電位縱向絕緣上出現(xiàn)高壓,并可能導(dǎo)致絕緣被擊穿。為此大樓進線應(yīng)用金屬護套電纜或電力電纜加強絕緣,隔離或分流限幅等方法,均可收到防護的效果。加強絕緣,就是提高界面處直接承受沖擊電壓的介質(zhì)的絕緣水平,使其不被過電壓擊穿。隔離,如在電源進線上,加1∶1的隔離變壓器,使用電設(shè)備與供電電源沒有電氣上的連接,相當(dāng)于將反擊電壓轉(zhuǎn)移到隔離變壓器的初線和機殼之間,從而保護了設(shè)備的安全,見圖2.信號線側(cè)亦可采用類似措施。分流限幅,其實就是利用縱向保護,當(dāng)大樓提高了電位之后,啟動線路防雷器的縱向保護元件,把沖擊電流引到線路上。因地電位的提高,實際上相當(dāng)于從線路進入極性相反的沖擊波,線路上防止雷電沖擊波侵入的縱、橫向保護,在這種情況也起保護作用。因此不論采用何種接地方式,系統(tǒng)和外界的連線總是應(yīng)該安裝防止縱、橫向瞬間過電壓的保護設(shè)備。采用共用接地后,有可能因設(shè)計或施工不合理,在設(shè)備之間產(chǎn)生干擾,應(yīng)該引起注意,并應(yīng)采取相應(yīng)措施予于消除。 處于不同接地點的電子設(shè)備(不在一幢大樓內(nèi)的電子設(shè)備,很可能就不是一個接地點)。彼此互連時應(yīng)采取隔離或其他防反擊措施! ±讚艚ㄖ锘蚋浇貐^(qū)雷電放電所產(chǎn)生的瞬變電磁場,會在建筑物內(nèi)信號線路接口處產(chǎn)生瞬態(tài)過電壓,此過電壓大小與布線走向等有關(guān),因此合理布線、屏蔽及接地也是很重要的! 4.接地電阻的組成及降阻 接地在防雷工程中的作用舉足輕重,一個良好的接地系統(tǒng)不僅會使雷電流泄放的速度加快,縮短雷電壓在建筑各系統(tǒng)停留的時間,而且有利于降低雷電流入地時地電位瞬間升高的幅度。 4.1接地電阻構(gòu)成 接地裝置的接地電阻由以下幾部分構(gòu)成: 4.1.1接地引線電阻,是指由接地體至需接地設(shè)備接地母線間引線本身的電阻,其阻值與引線的幾何尺寸和材質(zhì)有關(guān)! 4.1.2接地體(水平接地體、垂直接地體)本身的電阻,其阻值與接地體的材質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)! 4.1.3接地體表面與土壤的接觸電阻,其阻值與土壤的性質(zhì)、顆粒、含水量及土壤與接地體的接觸面和接觸的緊密程度有關(guān)! 4.1.4散流電阻是從接地體開始向遠處(20米)擴散電流所經(jīng)過的路徑土壤電阻,決定散流電阻的主要因素是土壤的含水量。 接地電阻雖由四部分構(gòu)成,但前兩部分所占接地電阻的比例較小,起決定作用的是接觸電阻和散流電阻。故降低接地電阻應(yīng)從這兩部分開展工作,從接地體的最佳埋設(shè)深度、不等長接地體技術(shù)及化學(xué)降阻劑等方面來討論降低接觸電阻和散流電阻的方法! 〈怪苯拥伢w的最佳埋設(shè)深度,是指能使散流電阻盡可能小,而又易達到的埋設(shè)深度。決定垂直接地體最佳深度,應(yīng)考慮到三維地網(wǎng)的因素,所謂三維地網(wǎng)是指接地體的埋設(shè)深度與接地網(wǎng)的等值半徑處于同一數(shù)量級的接地網(wǎng)(即埋設(shè)深度與等值半徑之比大于1/10)。在可能的范圍內(nèi)埋設(shè)深度應(yīng)盡可能取最大值,但并不是埋設(shè)深度越深越好,如果把垂直接地體近似為半球接地體,其電阻為: R=ρ/2πr =ρ/2πL 式中、ρ—土壤電阻率; L—垂直接地體的埋設(shè)深度! 氖街锌梢姡琑與L成反比,為使R減小,L越大越好,但對上式偏微分: aR/aL=-ρ/2πL2 可以得出,隨著L的增大,降阻率aR/aL與L2成反比下降,就是當(dāng)增大L到一定程度后,基本上呈飽和狀態(tài),降阻率已趨近于零。垂直接地體的最佳埋設(shè)深度不是固定的,在設(shè)計中應(yīng)按接地網(wǎng)的等值半徑,區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)情況來確定,一般取3.5~1.5米之間為宜! 4.2不等長接地體技術(shù) 由于在接地網(wǎng)中各單一接地體埋設(shè)的間距,一般僅等于各單一接地體長度的兩倍左右,此時電流流入各單一接地體時,受到相互的制約而阻止電流的流散,即等于增加了各單一接地體散流電阻,這種影響電流流散的現(xiàn)象,成為屏蔽作用。如圖3所示:由于屏蔽作用,接地體的散流電阻并不等于各單一接地體散流電阻的并聯(lián)值,此時,接地體組的散流電阻為: Ra=RL/nη 式中RL—單一接地體的散流電阻; n—接地體組并聯(lián)單一接地體的根數(shù); η—接地體的利用系數(shù),它與接地體的形狀和位置有關(guān)! 睦碚撋险f,距離接地體20米處為電氣上的“地”,即兩接地體間距大于40米時,可以認為接地體的利用系數(shù)η為1.在接地網(wǎng)的接地體的布置上,是很難作到兩個單一接地體相距40米,為解決在設(shè)計實踐與理論分析中的矛盾,采取不等長接地體技術(shù),能取得良好的效果。不等長接地體技術(shù),即為各垂直接地體的長度各不相等,在接地體的布置上,采取垂直接地體布置為兩長一短或一長兩短,以使接地體組間的屏蔽作用減小到最小程度。不等長接地體技術(shù),從理論上到實踐中應(yīng)用,都較好地解決了多個單一接地體間的屏蔽作用問題,以提高各單一接地體的利用系數(shù),降低接地體組的散流電阻。 4.3化學(xué)降阻劑的應(yīng)用 化學(xué)降阻劑的降阻機理是,在液態(tài)下從接地體向外側(cè)土壤滲出,若干分鐘固化后起著增大散流電極接觸面積的作用,因降阻劑本身是一種良好的導(dǎo)體,將它使用于接地體和土壤之間,一方面能夠與金屬接地體緊密接觸,減小接地體與土壤的接觸電阻,形成足夠大的電流流通截面。另一方面,它能向周圍的土壤滲透,降低土壤的電阻率,在接地體周圍形成一個變化的低電阻區(qū)域,從而顯著擴大接地體的等效直徑和有效長度,對降低接觸電阻及散流電阻有著明顯效果。如JZG—02型長效防腐降阻劑的使用壽命可達20年以上,在其壽命周期內(nèi)性能穩(wěn)定,不需要維護保養(yǎng),仍能具有良好的電解質(zhì)性能和吸水性,保持其良好的物理化學(xué)機理! 〗拥氐脑O(shè)計,要根據(jù)UPS裝置的技術(shù)要求和所處的地區(qū)的地理、地質(zhì)條件,采取不同的措施,以最高的性能價格比來設(shè)計其接地,在設(shè)計中應(yīng)采用新技術(shù)和新材料。因“接地工程學(xué)”是一門多學(xué)科的邊緣學(xué)科,它涉及到地質(zhì)、電磁場理論、電氣測量、應(yīng)用化學(xué)、鉆探技術(shù)、施工技術(shù)等多門學(xué)科,故仍需要在今后的工作中去研究,在實踐中不斷的探索,以確保電源裝置的安全可靠運行! 5.接地電阻測量方法 影響接地電阻的因素很多:接地極的大。ㄩL度、粗細)、形狀、數(shù)量、埋設(shè)深度、周圍地理環(huán)境(如平地、溝渠、坡地是不同的)、土壤濕度、質(zhì)地等等。為了保證設(shè)備的良好接地,利用儀表對接地電阻進行測量是必不可少的,接地電阻的測量方法可分為:電壓電流表法;比率計法;電橋法。按具體測量儀器及布極數(shù)可分為:手搖式地阻表法;鉗形地阻表法;電壓電流表法;三極法;四極法。在此主要介紹電壓電流表法! 5.1電壓電流表法 電壓電流表測量接地電阻法見圖4.圖中的電流輔助極是用來與被測接地電極構(gòu)成電流回路,電壓輔助極是用來測得被測接地電位。采用該方法保證測量準(zhǔn)確度的關(guān)鍵在于電流輔助極和電壓輔助極的位置要選擇適合。如在輔助電流極以前,電壓表已有讀數(shù),說明存在外來干擾。 按DL475-92《接地裝置工頻物性參數(shù)的測量導(dǎo)則》規(guī)定,當(dāng)大型接地裝置如110kV以上變電所接地網(wǎng),或地網(wǎng)對角線D≥60m需要采用大電流測量,施加電流極上的工頻電流應(yīng)≥30A,以排除干擾減少誤差! 5.1.1電壓電流三極直線法。電壓電流三極直線法是指電流極和電壓極沿直線布置,三極是:被測接地體、測量用電壓極和電流極,其原理接線如圖5所示。一般d13=(4~5)D,d12=(0.5~0.6)d13,D為被測接地裝置最大對角線長度,點2可以認為是處于的零點位。根據(jù)測量導(dǎo)則(DL475-92),如d13。4~5)D有困難,而接地裝置周圍的土壤電阻率又比較均勻時,d13可以取2D,d12取D值。測量步驟如下: ①按圖4接線。 、谟涗洺跏嫉碾妷褐礦0. 、弁姾,記錄電流值I1、電壓值V1. ④將電壓極沿接地體和電流極連接方向前后移動3次,每次移動的距離為d13的5%,記錄每次移動后的電流和電壓數(shù)值,取3次記錄的電壓和電流值的算術(shù)平均值,作為計算接地體的接地電阻的電壓和電流值! 5.1.2電壓電流三極三角形法。電極如圖6所示布置,一般取d13=d12≥2D,夾角θ≈30度(或d23=1/2d12),測量步驟與電壓電流三極直線法相同! 5.2手搖式地阻表測量原理 手搖式地阻表是一種較為傳統(tǒng)的測量儀表,它的基本原理是采用三點式電壓落差法,其測量手段是在被測地線接地極(暫稱為X)一側(cè)地上打入兩根輔助測試極,要求這兩根測試極位于被測地極的同一側(cè),三者基本在一條直線上,距被測地極較近的一根輔助測試極(稱為Y)距離被測地極20米左右,距被測地極較遠的一根輔助測試極(稱為Z)距離被測地極40米左右。測試時,按要求的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動搖把,測試儀通過內(nèi)部磁電機產(chǎn)生電能,在被測地極X和較遠的輔助測試極(稱為Z)之間“灌入”電流,此時在被測地極X和輔助地極Y之間可獲得一電壓,儀表通過測量該電流和電壓值,即可計算出被測接地極的地阻! 5.2.1鉗形地阻表測量原理。鉗形地阻表是一種新穎的測量工具,它方便、快捷,外形酷似鉗形電流表,測試時不需輔助測試極,只需往被測地線上一夾,幾秒鐘即可獲得測量結(jié)果,極大地方便了地阻測量工作。鉗形地阻表還有一個很大的優(yōu)點是可以對在用設(shè)備的地阻進行在線測量,而不需切斷設(shè)備電源或斷開地線! ‰m然鉗形地阻表測試時使用一定頻率的信號以排除干擾,但在被測線纜上有很大電流存在的情況下,測量也會受到干擾,導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。所以,按照要求,在使用時應(yīng)先測線纜上的電流,只有在電流不是非常大時才可進一步測量地阻。有些儀表在測量地阻時自動進行噪聲干擾檢測,當(dāng)干擾太大以致測量不能進行時會給出提示。 5.3地阻表測量注意事項 從上面的介紹可以看出,鉗形地阻表和手搖式地阻表的測量原理完全不同。手搖式地阻表在使用時,應(yīng)將接地極與設(shè)備斷開,以避免設(shè)備自身接地體影響測量的準(zhǔn)確性,手搖式地阻表可獲得較高的精度,而不管是單點接地和多點接地系統(tǒng);對于鉗形地阻表,其最理想的應(yīng)用是用在分布式多點接地系統(tǒng)中,此時應(yīng)對接地系統(tǒng)的所用接地極依次進行測量,并記錄下測量結(jié)果,然后進行對比,對測量結(jié)果明顯大于其它各點的接地樁,要著重檢查,必要時將該地極與設(shè)備斷開后用手搖式地阻表進行復(fù)測,以暴露出不良的接地極。 在單點接地系統(tǒng)中應(yīng)慎用鉗形地阻表,從它的工作原理中可以看出:鉗形地阻表測出的電阻值是回路中的總電阻,只有Rx>>1/(1/R1 1/R2 .。。 1/Rn )時,該阻值才近似于我們要測的接地極地阻,而這個條件,在很多情況下,尤其是在單點接地系統(tǒng)中是不滿足的。對于已埋設(shè)好而尚未與設(shè)備連接的開路接地極,其地阻根本不能用該儀表進行測量。鉗形地阻表在使用中應(yīng)注意以下幾點: 、僮⒁馐欠駟吸c接地,被測地線是否已與設(shè)備連接,有無可靠的接地回路。開路接地極,不能測量;接地回路不可靠,測量結(jié)果不準(zhǔn)確(偏高)! 、谧⒁鉁y量位置,選取合適的測量點;選取的測量點不同,測得的結(jié)果是不同的,測量有時會遇到無處可夾的情況,在條件允許的情況下,可暫斷開原地線連線,臨時接入一段可夾持的跳線進行測量! 、圩⒁狻霸肼暋备蓴_;地線上較大的回路電流對測量會造成干擾,導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確,甚至使測試不能進行,很多儀表在這種情況下會顯示出“Noies”或類似符號。論文出處(作者):論體育場照明及電氣控制設(shè)計
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