介绍了常见的地网构成及影响接地电阻的因素,地网施工中应考虑的地质、土壤情况和施工工艺,比较了常用接地材料的性能。
雷霆防雷网 solemnity 1. 概述 接地系统是防雷工程建设中施工难度最大也是最重要的一个分项，由于环境的不同接地网的设计也存在较大差异。系统的接地工程主要由接地体、连接线组成接地网络，其中影响接地效果的几个因素有土壤电阻率、接地体的选择.接地材料的防腐和合理的布划接地网络。本文通过以下几个段落简单的说明接地网的设计和工程实施。 2. 接地材料的选择 不同的行业，不同的地域使用的接地材料也不尽相同，目前市场上使用率最高的接地材料还是金属材料，主要有铜板、角钢和扁钢等；但是由于接地环境的不同和用户需求也不尽相同。在有些环境和情况下是不适合使用金属接地材料的，例如在高腐蚀土壤中金属接地材料在很短的时间就被腐蚀而丧失接地的功能。不同的接地材料有着不同的特点，根据其特点结合环境使用是接地工程前期应该考虑的问题。 2.1接地材料的种类 2.1.1金属接地材料 从80年代末到现在占领接地材料榜首的仍然是金属接地材料（这里主要指铜材和钢材），由于其具备良好的导电性和经济性是接地工程中最重要的材料之一，但是由于金属材料存在腐蚀问题，对接地电阻的影响也比较大，是安全生产中的一个大的隐患，这个问题一直困扰着用户。一般在电信系统中早期的地网每四年就重新改造一次，起主要原因就是因为金属材料的腐蚀问题，而在盐碱地区往往一两年就要重新改造。而近年生产资料价格猛涨造成接地成本增加，使得金属接地材料的缺点逐渐突显； 2.1.2非金属接地材料 非金属接地材料是目前行业里新生的一种金属接地体的替换产品，由于其特有的抗腐蚀性能和良好的导电性和较高的性价比被广大用户所接受。目前非金属接地产品主要是以石墨为主要材料，根据制作工艺不同主要有压制和烧制两种； 第一种是普通压制产品是石墨粉与导电水泥按照一定比例混合后，经过压力压缩定型后加少量水来达到整体固化，导电水泥起到增加整体强度的作用；这种工艺一般采用金属通心的连接方式，即把金属直接贯穿到两端作为接地体的连接电极，同时也起到骨架的作用，这样主要是利用金属的高通流能力。压制非金属接地的产品存在着很大的问题，其一是石墨体与金属电极的连接问题，由于压制后的石墨整体与金属材料之间的结合性不是很好，出现石墨整体与金属材料互相分离的现象，这对故障电流通过接地体扩散到土壤当中起着阻碍作用；第二，压制的产品整体强度性差，在施工的过程当中很容易破碎，在运输过程中更得小心谨慎。所以在施工运输应特别注意，压制产品吸水性较好，但是由于是少量导电水泥的作用时间长后（放到地下后）很快就粉蚀了，接地提体的整体性可想而知，第三，压制石墨体与金属电极之间的体电阻一般都不不低于3-5欧姆，如果石墨体与金属电极之间因为某种原因分离的话，其石墨体与金属电极之间电阻更是不可想象，但压制石墨接地体的生产工艺非常简单，在者其材料成本比较低廉，但不能因为其价格的因素而忽略了其性能和使用寿命，所以一般环境下不建议用压制的非金属接地体； 第二种是烧制的膨胀石墨非金属接地体是采用纯度在99%以上的鳞片石墨，经水洗、酸洗、烘干等数道工序后，经高温使其膨胀自身体积50倍以上的石墨蠕虫，这时石墨经氧化插层、高温膨胀，而使层间裂解形成具有发达孔结构的膨胀石墨蠕虫体，其表面及内部孔结构非常发达，表面积可达50～200m2/g。 它发达的网状孔结构，经分析结果表明，膨胀石墨蠕虫体表面形成了丰富的多边形网状孔结构，其孔径大小不等，主要分布范围为1～3μm。，在经高压定型制成膨胀石墨非金属接地体毛坯，这时的石墨体由于其发达的网状孔结构，经高压使每个蠕虫相互进入其自身非常发达的网状孔中，其相互已经为分子间的联接，所以膨胀石墨非金属接地体不需要用粘接剂来使用使石墨粘在一起的，每个石墨蠕虫联接的表面积已是最大化，石墨经膨胀后，不仅保留了天然鳞片石墨材料所固有的耐高、低温，耐酸、碱 腐蚀，导热，导电，自润滑和抗幅射等诸多优点，而且其特殊的网络状孔结构，还赋予它良好的压缩性、回弹性、低应力高松驰率、高吸水、吸油性，以及热、电导能力的高度异向性等许多独特的功能，其导电性也过到最大化，电阻率可达16.465*10-6Ω.m，产品长度直流电阻为50 mΩ（相当于铜的导电性），在通过不低于1000度的高温，不少于150小时的焙烧，去掉膨胀石墨体中最后剩余残存少量杂质，同时其结合更加牢固，其搞压强度不低于5.8Mpa，大减低产品在运输和施工过程中的难度。它特有的内部网状孔结构，使它有着很好的吸水和保湿性能，还有石墨本身良好的稳定性、抗腐蚀性、导电性、抗老化性、自身低电阻特性更是其它材料无法替代的，由于其本身对环境敏感度非常低，几乎不受外界因素的影响，所以接地电阻值能够在相当长的时间内保持不变的，这是传统接地材料无法比拟的，这对地网每年维护的好处是不言面喻的，石墨基本结构就是碳，它对环境没有任何污染，所以这种原料的产品属于环保型产品。 3.不同地质环境下的优选接地工艺 3.1高山地区的地网制作工艺 一般高山地区都是地网制作的难点，本文采用的是造井接地的方法；（主要针对岩石层面） 高山一般多岩石，在岩石上做地网并不是不可能的事情。在地表土层下采用钻孔方式打孔φ200*2000-3000mm（视环境而定），底部采用爆破方式捣碎地层岩石形成缝隙，浇注填充剂垂直放入非金属接地体（烧结型），之后加入高分子降阻剂后适当加水，在加水下沉3-4小时后加入无水状态的高分子降阻剂和适量填充剂后在距地表土层800mm处夯实，至此垂直接地体敷设完毕，开始敷设水平接地网；水平地网采用35平方以上铜缆拨皮后适当涂刷导电胶并在距地表500毫米处做水平地网线槽，线槽宽为200毫米，在线槽上施放无水状态高分子降阻剂和适量填充剂将刷好导电胶的电缆按照网格形状敷设好后埋土夯实；接地网的接地距离可以按照1.5*1.5/3.0*3.0m的距离敷设，每个十字型交叉点作为一个垂直接地体的连接点，最后把地网表层用细土填埋。 3.2盐碱风化石等地质条件下的地网制作 盐碱地区的土壤中含有较高的腐蚀性物质，所以在一般这种环境下是不采用金属材料作为接地体的，非金属材料非常适合在这里使用，这里介绍膨胀石墨体在盐碱风化石地质的埋植方法。风化石类的地质条件一类主要是由完全是风化石，另一类是由风化石和巨大花岗石混合物组成，土榱电阻率都在2000欧米以上，在这样的条件下制作地网是非常困难的，工人施工难度陡然增大，有很多同行对此望而却步。在这里我给大家介绍改善施工难度的方法，在施工前把要开挖浇灌充足的水，由于风化石组织结构较疏松，水分能渗透风化石内部当中，最好让其泡12小时以上，这时风化石强度只相当于沙子被压实的状态，很容易施工的，这时在挖深1.2米宽0.2米的沟槽，如遇到巨大花岗石可绕过其安装，这时在安装膨胀石墨接地体水平放置，外面包裹填充剂，接地体之间用扁钢连接，节点防腐处理，只需十数块膨胀石墨接地体就可达到技术要求。注意回填土最好使用细黑土，如无条件也可使用挖出来的风化石，但一定要注意在刚回填的时候不要用大块的风化石，尽量用细小的风化石土，一定要分层夯实。还有一类情况是土壤表面为10厘米厚的黑土，而在黑土下面完全是颗粒差不多的大小的铁板砂，这是制作地网非常头痛的事，把表层的黑土去掉，挖开下面的铁板砂，每个接地极挖1.5米深的坑，这时每个坑由于铁板砂的松散性很容易塌方的，如有挡板挡住周围的铁板砂最好，若无有挡板把坑挖的大一些即可，这时在坑的底部垂直于地面打一根长1.5-2米直径φ30毫米的镀锌铁管，在松散的铁板砂上施工是很容易的，在在安装好的铁管上垂直连接膨胀石墨接地体，在距地表0.5米处作横向扁铁连接，十字交叉点想互连接，节点防腐处理，直接回填铁板砂即可，接电阻值都可满足使用要求。 3.3特殊环境下的接地体制作 在一些海边会一些特殊的接地需要，这是可以采用非金属接地棒制作活动的接地装置，由于非金属接地体具有较高的抗腐蚀性所以非常适合在海边使用，在青岛某海军的使用效果看，膨胀形非金属石墨体在浸入海水完全吸水后，比角钢放置海水中的效果高7倍。一只角钢放置海水中20m的电阻是7-8Ω，膨胀石墨的接地电阻达到0.6-1.0Ω；经过半年多的使用，反馈效果良好。 3.4小结 因地制宜的设计方案 通常,防雷接地的接地电阻是10 Ω ,实际上有弱电设备的感应防雷都要求4 Ω 或1 Ω 的接地电阻。需要特别指出的是:土壤电阻率是随季节变化的,规范所要求的接地电阻只是接地电阻的最大许可值,而实际地网的接地电阻应该是: R = Rmax/ ω 式中: Rmax 为接地电阻最大值,即前述的10 Ω、4 Ω或1 Ω; ω是季节因数,根据地区和工程性质取值,常用值为1. 45 。因此,对应前述的10 Ω、4 Ω、1 Ω ,接地电阻实际应是6. 9 Ω、2. 75 Ω、0. 65 Ω。按此电阻施工的地网才是合乎规范要求的,在土壤电阻率最高时(常为冬季) 也能满足设计要求。接地工程本身的特点决定了周围环境对工程效果有决定性的影响,脱离了工程所在地的具体情况设计接地工程是不可行的,设计的优劣取决于对当地土壤环境的诸多因素的综合考虑。土壤电阻率、土层结构、含水情况、季节因数、气候和可施工面积等因素都会影响接地网的形状、大小、工艺材料的选择。
4.接地系统的防腐
接地网的防腐处理是直接影响地网接地效果和有效接地寿命的关键，接地网的防腐主要取决于以下几个因素：1）接地体材料选择2）地质条件因素3）采用的防腐措施 4.1不同的接地材料有效的抗腐蚀能力也不同，从理论上讲，多数有色金属如铜、铝、铅、锌都具有较好的抗腐蚀能力，其中铜和铅在接地材料中用得较多。但是直接用有色金属作接地体也有不足之处。其一价格昂贵，成本提高；其二钢性不够，施工困难。解决刚性不够的唯一方法又得增大截面积。据计算，接地体的直径增加30％，截面积可增大70％；直径增加50％，截面积可增加125％，也就是要多耗70％～125％的有色金属。这无疑又使一次性投入成本成倍地增加。有资料报道，美国等地大都采用铜作接地体，虽然使用寿命提高了1－2倍，但成本却增加了5－6倍。（主要使用铜包钢接地棒）所以在一般环境下非金属接地材料是最好的金属材料替代品。铜包钢这种新型产品有很多生产商说其产品防腐等性能优良，我有一些疑问。其一是防腐的问题，在铜包钢施工的过程中，产品是垂直于地面打进土壤中的，大家都知道铜是较软的，而土壤中的情况又千差万别的，铜包钢进入土壤中，表面的铜很容易被划伤的，划伤后的产品会露出内部的钢铁的，二种不同的金属在土壤中会加速其腐蚀的，不知道这个问题如何解决。其二是铜包钢接地电阻值的问题，铜包钢是一节一节相互连接的，每节之间的连接用的是连接器，连接器的直径要比铜包钢产品直径大，这时第一节打入地面后，打入第二节由于连接器的直径比铜包钢产品直径大，第二节以上的产品是不会与土壤接触的，至少不会完全接触的，接触的是连接器，这对接地电阻值是有影响的。其三是铜包钢本身电阻的问题，国内铜包钢的生产厂家是采用钢杆穿入铜管中，然后拉长铜管，让其管径缩小使其附在钢杆上，为了让钢杆顺利地穿入铜管当中，生产过程中会在钢杆的外壁和铜管的内壁涂抹大量的润滑油，拉伸铜管后大部分润滑油被挤出。但是还是有少量的润滑油残存在里面的，而这点残存会在钢杆与铜管之间形成很薄的油膜，这层油膜是绝缘的同时油也会分解成酸性物质从内部腐蚀钢棒，所以既影响本身的电阻又影响故障电流顺利地通过它散流到土壤中。 4.2地质条件决定所选用的接地材料：离子接地棒适合在城市不具备施工空间的地方使用，例如城市建筑群等；而对于山地条件则比较适合使用非金属接地棒，由于在山野离子棒自身的吸水性并不能满足自身稳定接地电阻的需要常常需要增加盐类，而岩石环境又是失水环境，所以这种环境下就应该选用吸水性好的有具有较高强度的非金属接地棒作为接地体，同时在野外也要考虑使用离子接地棒的可能的丢失问题；在一般土壤环境比较适合使用压制的非金属接地体，和金属接地体，所以根据环境不同采用不同的材料作为接地体也是延长有效接地寿命的方法； 4.3采用不同的接地保护方法也是关键的问题，对于金属材料的地网往往采用牺牲阳极阴极保护法是一种电化学保护方法，就是将被保护金属和一种可以提供阴极保护电流的金属或合金(即阳极)相连，使被保护体极化以降低腐蚀速率的方法。在被保护金属与牺牲阳级所形成的大地电池中，被保护金属体为阴极，牺牲阳极的电位往往负于被保护金属体的电位值，在保护电池中是阳极，被腐蚀消耗，故称之为“牺牲”阳极，从而达到对阴极(被保护金属体)保护的目的。这里所常用的“牺牲阳极”的材料通常是高纯镁及镁合金、高纯锌及锌合金、铝合金等。 4.4牺牲阳极阴极保护法，在我国常用于长距离的地下输油管道的防腐技术中，近几年也有引进用于变电站的接地网的防腐技术中。由于此种方法需要每隔数年开挖检查，对“牺牲”的阳极要进行更换，故在电力系统中的推广存在着一定的局限性。 5.结束语 把接地作好是很关键的一件事，这也是复杂的系统工程，在不同的条件下选用适合本地区的接地材料，在的限的的资金情况下，作好一个合格的地网不仅要考虑资金的因素更要考虑性能因素，比如使用金属材料的传统接地，在工程造价上可能不会太高的，但是它的使用寿命短，使用非金属接地体要比金属材料的传统接地高一些，但其使用寿命要比传统接地的寿命高出好几倍，根据其寿命传统接地平均每年造价不低于3-4千元，而非金属接地体根据其寿命平均每年造价不高于3-4百元，这还不包括因地网不合格改造的的工程费用，这些都是应该在选择接地材料时加以考虑的。在现代随着微电子技术的迅猛发展，它对环境要求也越来越高，有一个很小的流涌就可以使设备损坏，人们对接地系统的重视程度也逐步提高，接地作的好与坏直接关系到设备能否正常运行，是否有安全隐患的大问题。 参考资料： 雷霆防雷网 www.lightning-online.com 电力学报2003年第18卷-几种常见接地的比较 杨树春 冀冬晓
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