接地体的选择和经济性分析
2011-05-08蒋理成
蒋理成
（中国铁路通信信号上海工程集团有限公司，上海 200436）
在日常的接地施工过程中，我们往往根据工作经验选择接地体的材料和规格形状，并没有一个合适的理论指导我们选择接地体，为了日后更好地进行接地施工，减少不必要的浪费和合理降低接地电阻，本文对日常遇到的接地做一些理论探讨。
1 接地电阻计算理论
理论上，接地电阻越小，接触电压和跨步电压就越低，对人身和设备越安全。但要求接地电阻越小，则人工接地装置的投资也就越大，而且在土壤电阻率较高的地区不易做到。在实践中，可利用埋设在地下的各种金属管道（易燃体管道除外）和电缆金属外皮以及建筑物的地下金属结构等作为自然接地体。由于人工接地装置与自然接地体是并联关系，从而可减小人工接地装置的接地电阻，减少工程投资。
人工接地装置常用的有垂直埋设的接地体、水平埋设的接地体以及复合接地体等。此外，接地电阻大小还与接地体形状有关，在工程中通常使用垂直、水平接地体，这里只简要介绍上述两种接地电阻的计算。
1.1 垂直埋设接地体的散流电阻
垂直埋设的接地体有多种形状，比如角钢，钢管等，在计算过程中，以钢管接地体为例，作为计算公式的基础。钢管垂直接地体接地电阻计算公式如下。
将上述公式简化后，得到以下近似公式。
式中：ρ——土壤电阻率。
L——接地体长度。
d——接地铁管或圆钢的直径。
为防止气候对接地电阻值的影响，一般将铁管顶端埋设在地下0.5～0.8 m深处，在此深度下，由于地下水位的影响，土壤的湿度变化不会很大，土壤电阻律ρ也不会有很大的变化。
若垂直接地体采用角钢或扁钢，其等效直径为：
等边角钢d=0.84 b
扁钢d=0.5 b
为达到所要求的接地电阻值，往往需埋设多根垂直接地体，垂直接地体排列成行或成环形，而且相邻接地体之间距离一般取接地体长度的1～3倍，以便平坦分布接地体的电位和有利施工。这样，电流流入每根接地体时，由于相邻接地体之间的磁场作用而阻止电流扩散，即等效增加了每根接地体的电阻值，因而接地体的合成电阻值并不等于各个单根接地体流散电阻的并联值，而相差一个利用系数，于是接地体合成电阻为
式中：Re——单根垂直接地体的接地电阻。
ηL——接地体的利用系数。
n——垂直接地体的并联根数。
接地体的利用系数与相邻接地体之间的距离a和接地体的长度L的比值有关，a/L值越小，利用系数就越小，则散流电阻就越大。在实际施工中，接地体数量不超过10根，取a/L=3，也就是说，如果接地体长度为2 m，每根接地体之间的距离不小于6 m。当接地体排列成行时，ηL在0.9～0.95之间；接地体排列成环形时，ηL约为0.8。如果接地体距离太近，散流干扰变大，ηL的数值将变小，不能充分发挥每根接地体的效果，但是也不能无限制增加接地体之间的距离，否则将大大增加土方开挖的工作量。
1.2 水平埋设接地体的散流电阻
一般水平埋设接地体采用扁钢、角钢或圆钢等，其人工接地电阻按下式求得。
式中：L——水平接地体总长度。
h——接地体埋没深度。
A——水平接地体结构型式的修正系数。
水平接地体结构型式修正系数如表1所示。
表1 水平接地体结构型式修正系数
当垂直接地体和水平接地体连接一体综合设置时，可采取公式（5）进行近似计算。
其中B为干扰系数，跟垂直接地体和水平接地体的设置有关，通常取1.1～1.2之间。
2 接地材料选取经济性分析
垂直接地体接地电阻分析如下。
分析公式（1），（2），可以将土壤的电阻率设定为常数，在下面的比较中，可暂时不予考虑。其他部分设为可变量Q，分别带入不同长度的接地极，钢管直径d取5 cm。计算系数Q如表2所示。
表2 系数Q计算对比
表3 接地形势效果对比
通过表3中的数据分析，可以看出：
1）当接地极总长是6 m时，采取4根1.5 m垂直接地极的接地效果要好于采取3根2 m接地极的接地效果。
2）当接地极总长是7.5 m时，采用5根1.5 m接地极的效果好于采用3根2.5 m的接地效果。
3）当接地极总长是10 m时，采用5根2 m接地极的效果好于采用4根2.5 m的接地效果。
根据上述分析，在大地电阻率变化不大，用料相同的情况下，采用1.5 m的效果好于2 m，2 m的效果好于2.5 m。此处不推荐2.5 m，除了接地效率比较差之外，同时也要考虑大部分钢管都是6 m定长，1根钢管可以切成4根1.5 m，3根2 m，2根2.5 m。如果采用2.5 m，浪费比较大。
上述仅是对地形限制不大的情况进行了分析，当受到地形限制，接地极埋设位置比较局限时，可采取加长接地极长度的方法来降低接地电阻。
在新疆乌鲁木齐高速公路照明工程接地系统和上海A30高速公路照明工程中，笔者尝试性的使用了短接地极系统，均取得了良好的接地效果和经济效果。
[1]王洪泽.复合接地网接地电阻的简化计算[J].电力建设，2001,25（8）：70-72.
