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防雷技術(shù)--常見(jiàn)的地網(wǎng)構(gòu)成及影響接地電阻的因素

發(fā)布時(shí)間:2015-09-16

1. 概述
接地系統(tǒng)是防雷工程建設(shè)中施工難度最大也是最重要的一個(gè)分項(xiàng)，由于環(huán)境的不同接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)也存在較大差異。系統(tǒng)的接地工程主要由接地體、連接線組成接地網(wǎng)絡(luò)，其中影響接地效果的幾個(gè)因素有土壤電阻率、接地體的選擇.接地材料的防腐和合理的布劃接地網(wǎng)絡(luò)。本文通過(guò)以下幾個(gè)段落簡(jiǎn)單的說(shuō)明接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)和工程實(shí)施。
2. 接地材料的選擇
不同的行業(yè)，不同的地域使用的接地材料也不盡相同，目前市場(chǎng)上使用率最高的接地材料還是金屬材料，主要有銅板、角鋼和扁鋼等；但是由于接地環(huán)境的不同和用戶需求也不盡相同。在有些環(huán)境和情況下是不適合使用金屬接地材料的，例如在高腐蝕土壤中金屬接地材料在很短的時(shí)間就被腐蝕而喪失接地的功能。不同的接地材料有著不同的特點(diǎn)，根據(jù)其特點(diǎn)結(jié)合環(huán)境使用是接地工程前期應(yīng)該考慮的問(wèn)題。
2.1接地材料的種類
2.1.1金屬接地材料
從80年代末到現(xiàn)在占領(lǐng)接地材料榜首的仍然是金屬接地材料（這里主要指銅材和鋼材），由于其具備良好的導(dǎo)電性和經(jīng)濟(jì)性是接地工程中最重要的材料之一，但是由于金屬材料存在腐蝕問(wèn)題，對(duì)接地電阻的影響也比較大，是安全生產(chǎn)中的一個(gè)大的隱患，這個(gè)問(wèn)題一直困擾著用戶。一般在電信系統(tǒng)中早期的地網(wǎng)每四年就重新改造一次，起主要原因就是因?yàn)榻饘俨牧系母g問(wèn)題，而在鹽堿地區(qū)往往一兩年就要重新改造。而近年生產(chǎn)資料價(jià)格猛漲造成接地成本增加，使得金屬接地材料的缺點(diǎn)逐漸突顯；
2.1.2非金屬接地材料
非金屬接地材料是目前行業(yè)里新生的一種金屬接地體的替換產(chǎn)品，由于其特有的抗腐蝕性能和良好的導(dǎo)電性和較高的性價(jià)比被廣大用戶所接受。目前非金屬接地產(chǎn)品主要是以石墨為主要材料，根據(jù)制作工藝不同主要有壓制和燒制兩種；
第一種是普通壓制產(chǎn)品是石墨粉與導(dǎo)電水泥按照一定比例混合后，經(jīng)過(guò)壓力壓縮定型后加少量水來(lái)達(dá)到整體固化，導(dǎo)電水泥起到增加整體強(qiáng)度的作用；這種工藝一般采用金屬通心的連接方式，即把金屬直接貫穿到兩端作為接地體的連接電極，同時(shí)也起到骨架的作用，這樣主要是利用金屬的高通流能力。壓制非金屬接地的產(chǎn)品存在著很大的問(wèn)題，其一是石墨體與金屬電極的連接問(wèn)題，由于壓制后的石墨整體與金屬材料之間的結(jié)合性不是很好，出現(xiàn)石墨整體與金屬材料互相分離的現(xiàn)象，這對(duì)故障電流通過(guò)接地體擴(kuò)散到土壤當(dāng)中起著阻礙作用；第二，壓制的產(chǎn)品整體強(qiáng)度性差，在施工的過(guò)程當(dāng)中很容易破碎，在運(yùn)輸過(guò)程中更得小心謹(jǐn)慎。所以在施工運(yùn)輸應(yīng)特別注意，壓制產(chǎn)品吸水性較好，但是由于是少量導(dǎo)電水泥的作用時(shí)間長(zhǎng)后（放到地下后）很快就粉蝕了，接地提體的整體性可想而知，第三，壓制石墨體與金屬電極之間的體電阻一般都不不低于3-5歐姆，如果石墨體與金屬電極之間因?yàn)槟撤N原因分離的話，其石墨體與金屬電極之間電阻更是不可想象，但壓制石墨接地體的生產(chǎn)工藝非常簡(jiǎn)單，在者其材料成本比較低廉，但不能因?yàn)槠鋬r(jià)格的因素而忽略了其性能和使用壽命，所以一般環(huán)境下不建議用壓制的非金屬接地體；
第二種是燒制的膨脹石墨非金屬接地體是采用純度在99%以上的鱗片石墨，經(jīng)水洗、酸洗、烘干等數(shù)道工序后，經(jīng)高溫使其膨脹自身體積50倍以上的石墨蠕蟲(chóng)，這時(shí)石墨經(jīng)氧化插層、高溫膨脹，而使層間裂解形成具有發(fā)達(dá)孔結(jié)構(gòu)的膨脹石墨蠕蟲(chóng)體，其表面及內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)非常發(fā)達(dá)，表面積可達(dá)50～200m2/g。它發(fā)達(dá)的網(wǎng)狀孔結(jié)構(gòu)，經(jīng)分析結(jié)果表明，膨脹石墨蠕蟲(chóng)體表面形成了豐富的多邊形網(wǎng)狀孔結(jié)構(gòu)，其孔徑大小不等，主要分布范圍為1～3μm。，在經(jīng)高壓定型制成膨脹石墨非金屬接地體毛坯，這時(shí)的石墨體由于其發(fā)達(dá)的網(wǎng)狀孔結(jié)構(gòu)，經(jīng)高壓使每個(gè)蠕蟲(chóng)相互進(jìn)入其自身非常發(fā)達(dá)的網(wǎng)狀孔中，其相互已經(jīng)為分子間的聯(lián)接，所以膨脹石墨非金屬接地體不需要用粘接劑來(lái)使用使石墨粘在一起的，每個(gè)石墨蠕蟲(chóng)聯(lián)接的表面積已是最大化，石墨經(jīng)膨脹后，不僅保留了天然鱗片石墨材料所固有的耐高、低溫，耐酸、堿腐蝕，導(dǎo)熱，導(dǎo)電，自潤(rùn)滑和抗幅射等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且其特殊的網(wǎng)絡(luò)狀孔結(jié)構(gòu)，還賦予它良好的壓縮性、回彈性、低應(yīng)力高松馳率、高吸水、吸油性，以及熱、電導(dǎo)能力的高度異向性等許多獨(dú)特的功能，其導(dǎo)電性也過(guò)到最大化，電阻率可達(dá)16.465*10-6Ω.m，產(chǎn)品長(zhǎng)度直流電阻為50 mΩ（相當(dāng)于銅的導(dǎo)電性），在通過(guò)不低于1000度的高溫，不少于150小時(shí)的焙燒，去掉膨脹石墨體中最后剩余殘存少量雜質(zhì)，同時(shí)其結(jié)合更加牢固，其搞壓強(qiáng)度不低于5.8Mpa，大減低產(chǎn)品在運(yùn)輸和施工過(guò)程中的難度。它特有的內(nèi)部網(wǎng)狀孔結(jié)構(gòu)，使它有著很好的吸水和保濕性能，還有石墨本身良好的穩(wěn)定性、抗腐蝕性、導(dǎo)電性、抗老化性、自身低電阻特性更是其它材料無(wú)法替代的，由于其本身對(duì)環(huán)境敏感度非常低，幾乎不受外界因素的影響，所以接地電阻值能夠在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持不變的，這是傳統(tǒng)接地材料無(wú)法比擬的，這對(duì)地網(wǎng)每年維護(hù)的好處是不言面喻的，石墨基本結(jié)構(gòu)就是碳，它對(duì)環(huán)境沒(méi)有任何污染，所以這種原料的產(chǎn)品屬于環(huán)保型產(chǎn)品。
3.不同地質(zhì)環(huán)境下的優(yōu)選接地工藝
3.1高山地區(qū)的地網(wǎng)制作工藝
一般高山地區(qū)都是地網(wǎng)制作的難點(diǎn)，本文采用的是造井接地的方法；（主要針對(duì)巖石層面）
高山一般多巖石，在巖石上做地網(wǎng)并不是不可能的事情。在地表土層下采用鉆孔方式打孔φ200*2000-3000mm（視環(huán)境而定），底部采用爆破方式搗碎地層巖石形成縫隙，澆注填充劑垂直放入非金屬接地體（燒結(jié)型），之后加入高分子降阻劑后適當(dāng)加水，在加水下沉3-4小時(shí)后加入無(wú)水狀態(tài)的高分子降阻劑和適量填充劑后在距地表土層800mm處夯實(shí)，至此垂直接地體敷設(shè)完畢，開(kāi)始敷設(shè)水平接地網(wǎng)；水平地網(wǎng)采用35平方以上銅纜撥皮后適當(dāng)涂刷導(dǎo)電膠并在距地表500毫米處做水平地網(wǎng)線槽，線槽寬為200毫米，在線槽上施放無(wú)水狀態(tài)高分子降阻劑和適量填充劑將刷好導(dǎo)電膠的電纜按照網(wǎng)格形狀敷設(shè)好后埋土夯實(shí)；接地網(wǎng)的接地距離可以按照1.5*1.5/3.0*3.0m的距離敷設(shè)，每個(gè)十字型交*點(diǎn)作為一個(gè)垂直接地體的連接點(diǎn)，最后把地網(wǎng)表層用細(xì)土填埋。
3.2鹽堿風(fēng)化石等地質(zhì)條件下的地網(wǎng)制作
鹽堿地區(qū)的土壤中含有較高的腐蝕性物質(zhì)，所以在一般這種環(huán)境下是不采用金屬材料作為接地體的，非金屬材料非常適合在這里使用，這里介紹膨脹石墨體在鹽堿風(fēng)化石地質(zhì)的埋植方法。風(fēng)化石類的地質(zhì)條件一類主要是由完全是風(fēng)化石，另一類是由風(fēng)化石和巨大花崗石混合物組成，土榱電阻率都在2000歐米以上，在這樣的條件下制作地網(wǎng)是非常困難的，工人施工難度陡然增大，有很多同行對(duì)此望而卻步。在這里我給大家介紹改善施工難度的方法，在施工前把要開(kāi)挖澆灌充足的水，由于風(fēng)化石組織結(jié)構(gòu)較疏松，水分能滲透風(fēng)化石內(nèi)部當(dāng)中，最好讓其泡12小時(shí)以上，這時(shí)風(fēng)化石強(qiáng)度只相當(dāng)于沙子被壓實(shí)的狀態(tài)，很容易施工的，這時(shí)在挖深1.2米寬0.2米的溝槽，如遇到巨大花崗石可繞過(guò)其安裝，這時(shí)在安裝膨脹石墨接地體水平放置，外面包裹填充劑，接地體之間用扁鋼連接，節(jié)點(diǎn)防腐處理，只需十?dāng)?shù)塊膨脹石墨接地體就可達(dá)到技術(shù)要求。注意回填土最好使用細(xì)黑土，如無(wú)條件也可使用挖出來(lái)的風(fēng)化石，但一定要注意在剛回填的時(shí)候不要用大塊的風(fēng)化石，盡量用細(xì)小的風(fēng)化石土，一定要分層夯實(shí)。還有一類情況是土壤表面為10厘米厚的黑土，而在黑土下面完全是顆粒差不多的大小的鐵板砂，這是制作地網(wǎng)非常頭痛的事，把表層的黑土去掉，挖開(kāi)下面的鐵板砂，每個(gè)接地極挖1.5米深的坑，這時(shí)每個(gè)坑由于鐵板砂的松散性很容易塌方的，如有擋板擋住周圍的鐵板砂最好，若無(wú)有擋板把坑挖的大一些即可，這時(shí)在坑的底部垂直于地面打一根長(zhǎng)1.5-2米直徑φ30毫米的鍍鋅鐵管，在松散的鐵板砂上施工是很容易的，在在安裝好的鐵管上垂直連接膨脹石墨接地體，在距地表0.5米處作橫向扁鐵連接，十字交*點(diǎn)想互連接，節(jié)點(diǎn)防腐處理，直接回填鐵板砂即可，接電阻值都可滿足使用要求。
3.3特殊環(huán)境下的接地體制作
在一些海邊會(huì)一些特殊的接地需要，這是可以采用非金屬接地棒制作活動(dòng)的接地裝置，由于非金屬接地體具有較高的抗腐蝕性所以非常適合在海邊使用，在青島某海軍的使用效果看，膨脹形非金屬石墨體在浸入海水完全吸水后，比角鋼放置海水中的效果高7倍。一只角鋼放置海水中20m的電阻是7-8Ω，膨脹石墨的接地電阻達(dá)到0.6-1.0Ω；經(jīng)過(guò)半年多的使用，反饋效果良好。
3.4小結(jié)
因地制宜的設(shè)計(jì)方案
通常,防雷接地的接地電阻是10 Ω ,實(shí)際上有弱電設(shè)備的感應(yīng)防雷都要求4 Ω 或1 Ω 的接地電阻。需要特別指出的是:土壤電阻率是隨季節(jié)變化的,規(guī)范所要求的接地電阻只是接地電阻的最大許可值,而實(shí)際地網(wǎng)的接地電阻應(yīng)該是:
　　　R = Rmax/ ω
式中: Rmax 為接地電阻最大值,即前述的10 Ω、4 Ω或1 Ω; ω是季節(jié)因數(shù),根據(jù)地區(qū)和工程性質(zhì)取值,常用值為1. 45 。因此,對(duì)應(yīng)前述的10 Ω、4 Ω、1 Ω ,接地電阻實(shí)際應(yīng)是6. 9 Ω、2. 75 Ω、0. 65 Ω。按此電阻施工的地網(wǎng)才是合乎規(guī)范要求的,在土壤電阻率最高時(shí)(常為冬季) 也能滿足設(shè)計(jì)要求。接地工程本身的特點(diǎn)決定了周圍環(huán)境對(duì)工程效果有決定性的影響,脫離了工程所在地的具體情況設(shè)計(jì)接地工程是不可行的,設(shè)計(jì)的優(yōu)劣取決于對(duì)當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境的諸多因素的綜合考慮。土壤電阻率、土層結(jié)構(gòu)、含水情況、季節(jié)因數(shù)、氣候和可施工面積等因素都會(huì)影響接地網(wǎng)的形狀、大小、工藝材料的選擇。

4.接地系統(tǒng)的防腐
接地網(wǎng)的防腐處理是直接影響地網(wǎng)接地效果和有效接地壽命的關(guān)鍵，接地網(wǎng)的防腐主要取決于以下幾個(gè)因素：1）接地體材料選擇2）地質(zhì)條件因素3）采用的防腐措施
4.1不同的接地材料有效的抗腐蝕能力也不同，從理論上講，多數(shù)有色金屬如銅、鋁、鉛、鋅都具有較好的抗腐蝕能力，其中銅和鉛在接地材料中用得較多。但是直接用有色金屬作接地體也有不足之處。其一價(jià)格昂貴，成本提高；其二鋼性不夠，施工困難。解決剛性不夠的唯一方法又得增大截面積。據(jù)計(jì)算，接地體的直徑增加30％，截面積可增大70％；直徑增加50％，截面積可增加125％，也就是要多耗70％～125％的有色金屬。這無(wú)疑又使一次性投入成本成倍地增加。有資料報(bào)道，美國(guó)等地大都采用銅作接地體，雖然使用壽命提高了1－2倍，但成本卻增加了5－6倍。（主要使用銅包鋼接地棒）所以在一般環(huán)境下非金屬接地材料是最好的金屬材料替代品。銅包鋼這種新型產(chǎn)品有很多生產(chǎn)商說(shuō)其產(chǎn)品防腐等性能優(yōu)良，我有一些疑問(wèn)。其一是防腐的問(wèn)題，在銅包鋼施工的過(guò)程中，產(chǎn)品是垂直于地面打進(jìn)土壤中的，大家都知道銅是較軟的，而土壤中的情況又千差萬(wàn)別的，銅包鋼進(jìn)入土壤中，表面的銅很容易被劃傷的，劃傷后的產(chǎn)品會(huì)露出內(nèi)部的鋼鐵的，二種不同的金屬在土壤中會(huì)加速其腐蝕的，不知道這個(gè)問(wèn)題如何解決。其二是銅包鋼接地電阻值的問(wèn)題，銅包鋼是一節(jié)一節(jié)相互連接的，每節(jié)之間的連接用的是連接器，連接器的直徑要比銅包鋼產(chǎn)品直徑大，這時(shí)第一節(jié)打入地面后，打入第二節(jié)由于連接器的直徑比銅包鋼產(chǎn)品直徑大，第二節(jié)以上的產(chǎn)品是不會(huì)與土壤接觸的，至少不會(huì)完全接觸的，接觸的是連接器，這對(duì)接地電阻值是有影響的。其三是銅包鋼本身電阻的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)銅包鋼的生產(chǎn)廠家是采用鋼桿穿入銅管中，然后拉長(zhǎng)銅管，讓其管徑縮小使其附在鋼桿上，為了讓鋼桿順利地穿入銅管當(dāng)中，生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)在鋼桿的外壁和銅管的內(nèi)壁涂抹大量的潤(rùn)滑油，拉伸銅管后大部分潤(rùn)滑油被擠出。但是還是有少量的潤(rùn)滑油殘存在里面的，而這點(diǎn)殘存會(huì)在鋼桿與銅管之間形成很薄的油膜，這層油膜是絕緣的同時(shí)油也會(huì)分解成酸性物質(zhì)從內(nèi)部腐蝕鋼棒，所以既影響本身的電阻又影響故障電流順利地通過(guò)它散流到土壤中。
4.2地質(zhì)條件決定所選用的接地材料：離子接地棒適合在城市不具備施工空間的地方使用，例如城市建筑群等；而對(duì)于山地條件則比較適合使用非金屬接地棒，由于在山野離子棒自身的吸水性并不能滿足自身穩(wěn)定接地電阻的需要常常需要增加鹽類，而巖石環(huán)境又是失水環(huán)境，所以這種環(huán)境下就應(yīng)該選用吸水性好的有具有較高強(qiáng)度的非金屬接地棒作為接地體，同時(shí)在野外也要考慮使用離子接地棒的可能的丟失問(wèn)題；在一般土壤環(huán)境比較適合使用壓制的非金屬接地體，和金屬接地體，所以根據(jù)環(huán)境不同采用不同的材料作為接地體也是延長(zhǎng)有效接地壽命的方法；
4.3采用不同的接地保護(hù)方法也是關(guān)鍵的問(wèn)題，對(duì)于金屬材料的地網(wǎng)往往采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法是一種電化學(xué)保護(hù)方法，就是將被保護(hù)金屬和一種可以提供陰極保護(hù)電流的金屬或合金(即陽(yáng)極)相連，使被保護(hù)體極化以降低腐蝕速率的方法。在被保護(hù)金屬與犧牲陽(yáng)級(jí)所形成的大地電池中，被保護(hù)金屬體為陰極，犧牲陽(yáng)極的電位往往負(fù)于被保護(hù)金屬體的電位值，在保護(hù)電池中是陽(yáng)極，被腐蝕消耗，故稱之為“犧牲”陽(yáng)極，從而達(dá)到對(duì)陰極(被保護(hù)金屬體)保護(hù)的目的。這里所常用的“犧牲陽(yáng)極”的材料通常是高純鎂及鎂合金、高純鋅及鋅合金、鋁合金等。
4.4犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法，在我國(guó)常用于長(zhǎng)距離的地下輸油管道的防腐技術(shù)中，近幾年也有引進(jìn)用于變電站的接地網(wǎng)的防腐技術(shù)中。由于此種方法需要每隔數(shù)年開(kāi)挖檢查，對(duì)“犧牲”的陽(yáng)極要進(jìn)行更換，故在電力系統(tǒng)中的推廣存在著一定的局限性。
5.結(jié)束語(yǔ)
把接地作好是很關(guān)鍵的一件事，這也是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在不同的條件下選用適合本地區(qū)的接地材料，在的限的的資金情況下，作好一個(gè)合格的地網(wǎng)不僅要考慮資金的因素更要考慮性能因素，比如使用金屬材料的傳統(tǒng)接地，在工程造價(jià)上可能不會(huì)太高的，但是它的使用壽命短，使用非金屬接地體要比金屬材料的傳統(tǒng)接地高一些，但其使用壽命要比傳統(tǒng)接地的壽命高出好幾倍，根據(jù)其壽命傳統(tǒng)接地平均每年造價(jià)不低于3-4千元，而非金屬接地體根據(jù)其壽命平均每年造價(jià)不高于3-4百元，這還不包括因地網(wǎng)不合格改造的的工程費(fèi)用，這些都是應(yīng)該在選擇接地材料時(shí)加以考慮的。在現(xiàn)代隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，它對(duì)環(huán)境要求也越來(lái)越高，有一個(gè)很小的流涌就可以使設(shè)備損壞，人們對(duì)接地系統(tǒng)的重視程度也逐步提高，接地作的好與壞直接關(guān)系到設(shè)備能否正常運(yùn)行，是否有安全隱患的大問(wèn)題。

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