数字化地震台防雷接地网设置

王党席 李少睿

（中国西安 710068陕西省地震局）

数字化地震台防雷接地网设置

王党席 李少睿

（中国西安 710068陕西省地震局）

雷电流释放主要通过接地体完成，对垂直接地体和水平接地体进行数学建模，推导两个模型的接地电阻公式，并对工程实施中接地电阻进行计算，所得结果与实测值接近。此方法具有一定工程参考价值，值得推广。

雷电流；垂直接地体；水平接地体；接地电阻

0 引言

随着电子技术和通讯技术的飞速发展，中国地震监测设备从模拟观测时代步入数字化时代。根据地震科研需要，中国在“十五”、“十一五”、“十二五”期间建立一批数字化无人值守地震台站，大多地处偏远山区，且GNSS台站位于无遮挡的开阔区，均是雷电高发区。设备在每年雷雨季节，经常出现雷击事件，轻则供电线路出现故障或者仪器数据出现异常，重则整套观测系统被击毁。所以防雷接地网是防雷系统关键环节。

1 雷电流的产生和释放

雷电分为直击雷和感应雷。雷击杆塔塔顶、雷击避雷针等都为直击雷现象（王凤，2005）。感应雷是：雷云对导体附近地面放电，导线上束缚的电荷得到释放，沿导线两侧运动形成感应雷过电压；雷电流在雷电通道周围建立强大磁场，磁场变化使导线感应高电压。无论是直击雷还是感应雷，放电产生的雷电流高达数十、甚至数百千安培，从而引起巨大的电磁效应、机械效应和热效应（黄锡定等，2007）。巨大的电流会使被击物体炸毁、燃烧，线路熔断，供电故障，进而引起仪器的各种故障。因此，良好的接地可以有效泄放雷电流，降低电气装置的对地电位。

雷电流最终流向大地（黄晖等，2008）。大地是个导体，没有电流流过时，地表金属物体与大地牢固连接，不产生电位差，与大地保持等电位，具有大地零电位。一旦电流通过金属物体注入大地，以电流场的形式向四周扩散，则大地不再保持等电位。设土壤电阻率为ρ，电流密度为δ，则电场强度为

从公式（1）可以看出，电场强度与土壤电阻率和电流密度有关，电场强度成阶梯状分布，在最远处为0。所以，接地体是以最快电流、最小阻力流向电场为零的地方。流入大地的电流是固定的，只有改变接地电阻值，才能改变对地电压（张波等，2003）。因土壤电阻率一定，防雷接地网则为改变接地电阻的唯一因素。以往地震台站凭经验布设接地网，缺乏对接地体数量、长度、布设方案的分析。将接地体分为垂直、水平接地体，研究工程实施接地阻值，完善防雷接地网布设。

2 垂直接地装置阻值分析

埋入大地的金属接地体成为接地装置，目前接地体是水平接地网和垂直接地网相结合的。水平接地网采用镀锌扁钢布设，尺寸为4 mm×40 mm，垂直接地网为圆柱形镀锌接地棒布设。

采用长为L、直径为d的实心圆柱接地体计算接地阻值，分析垂直接地体受哪些参数影响。垂直接地体模型见图1。采用镜像法，将长为L的圆柱接地体变为长为2L的模型，若原模型流出电流为I，新模型在无限均匀质中流出电流为2I。设导体单位长度的带电量为一常数值τ，且对外形成的场可视为电荷集中在几何轴线上。若以无穷远处为点位参考点，则分界面，即Z = 0的面上存电位

图1 垂直接地体模型Fig.1 The model of vertical grounding body

在工程上，由于L＞＞d，所以式（4）可近似为

式中，ε为静电场介电系数。此计算方法是一种近似值，能满足工程需求。

长2L的导体所带电荷为

将2L导体看做一个孤立的导体电容，则

根据静电比拟，长2L圆柱导体在无限大均匀介质中产生的电导为

式中，γ为恒定电场中的大地电导率。

由公式（9）可以看出，接地体电阻值与接地体长度L成正比，与接地体直径d成反比，与大地电导率成反比。

3 水平接地体阻值分析

水平接地体一般采用镀锌扁钢进行连接，地网的接地参数有电阻R、电感L、对地电导G和地电容C（图2）。单根水平接地体可以用R0、 L0、G0、C0参数组成的π型等效电路表示。

图2 水平接地体的参数模型Fig.2 The parameter model of horizontal grounding body

根据等效面积原理，即相同的截面积具有相同的地电阻效应（徐伟，2010）。采用4 mm×40 mm的镀锌扁钢，等效半径为

雷电流发生时，波头时间是T=2.6 μs，则等值角频率为

考虑雷击时接地体磁饱和，忽略接地体自感，单位长度的电感公式简化为

式中，μ0为真空磁导系数，在使用范围内取μ0=4π×10-7； α为接地体半径；l为接地体长度，设l、α=7.13 mm，l0= 4×10-6H/m 。则水平接地体模型的感抗值为

接地电阻扁钢的阻值R0=1.5×10-4Ω。由于R＜＜ωl0，雷电流发生时，则R0可以忽略。

单位长度水平接地体对地电导公式为

式中：ρ为土壤电阻率，ε为土壤介电常数，l为接地体长度（m），d为接地体等值直径（mm），h为接地体地埋深度（m），A为水平接地体形状系数。式（14）表明，在雷电流发生时，水平接地体形成电容，一个极板是水平接地体，另一个极板在大地无穷远处。

4 工程实施

根据防雷电理论，接地网的接地电阻值必须小于4 Ω。在设计过程中，要以此为设计目标。对于陕西地区，地震台站多位于荒山、高地，土壤是黄土层，取ρ=200 Ω • m，ε=ε0=εr=2.8×8.85×10-12=2.487×10-11，h=0.8 m。每个垂直接地体极间距大于3 m，忽略电磁屏蔽作用。作为单个垂直接地体，L=2.5 m，γ=1/200，接地体多数采取L100×100的角钢，厚度为5 mm，根据等效面积原理，接地体半径为

则接地体直径为34 mm，将以上数据带入公式（9），得出单根垂直接地体电阻为R=72.41 Ω。考虑到台站附近位置，不宜埋设长距离接地网，使用13根垂直接地体，做并联状态，理论上接地电阻可降到5.57 Ω。在此基础上计算水平接地体长度。垂直接地体间距3 m，以36 m的水平接地体进行计算，取A=1，带入公式（14），得R=11.18 Ω，忽略水平接地体和垂直接地体之间的屏蔽作用，两者做并联状态，得到R=3.7 Ω。受地震台站位置所限，基本采取一字型或L布设，在土壤电阻率不大情况下，能够有效降低接地体形状系数。如果接地体比较长，会产生严重的电磁屏蔽作用，增加接地电阻值。

地震台站以往凭经验布设防雷接地网，且施工材料数量不明确，易导致施工被动造成工程返工现象。以下数据取自汶川地震灾后重建项目中台站防雷竣工资料。所用材料规格和本文计算结果一致，见表1。采取理论计算方法与实际施工情况对比，通过几个台站试验，发现与实际吻合度较好。

表1 接地情况对照Table1 The comparison table of grounding

计算值与实测值接近，实测值小于计算值是因为水平接地形状A值取为1，按照实际布设，A＜1。以土壤电阻率为横坐标，接地电阻值为纵坐标，对接地电阻实测值和计算值作图，见图3。

从图3可见，土壤电阻率较低，计算值与实测值接近，随着土壤电阻率增大，二者误差慢慢变大，接地电阻率达400 Ω • m以上，此计算方法误差率较大。土壤电阻率增大，接地电阻降到4 Ω以下必须增加垂直接地体数量或延长水平接地体长度，此时，接地体之间的电磁屏蔽不能忽略，接地电阻值因此增大。

图3 实测值与计算值对比曲线Fig.3 The comparison curve of the real values and calculated value

5 结论

（1）根据垂直接地体和水平接地体的模型推导公式，计算台站避雷所需材料和接地电阻值，与实际情况对比，两组数值接近。模型计算可以作为一种辅助手段对实际接地电阻值进行验证。

（2）在地震台站防雷方案编制中，通过理论计算，可得到所需材料数量、布设方案和接地电阻值，为后续方案所需材料申报、项目资金规划及招标提供比较确切的技术数据。

黄晖，柴剑勇，等.广东地震台站前兆观测系统防雷综合方法［J］.华南地震，2008，28（1）：108-112.

黄锡定，梁焕贞.地震台站应用防雷技术探讨［J］.地震地磁观测与研究，2007，28（5）： 35-40.

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Lightning protection grounding grid setting of digital seismic stations

Wang Dangxi and Li Shaorui
（Earthquake Administration of Shaanxi Province，Xi’an 710068，China）

Lightning current release is mainly accomplished by grounding body.The grounding body is divided into two parts of vertical grounding and horizontal grounding body.In this thesis，the math-model of the two types of the grounding grid is introduced. Grounding resistance formula is deduced through the analysis of math-model.The result of the engineering problems calculated with the combined usage of the formula is closed to the measured value.This method has certain reference value for engineering.

lightning current，vertical grounding body，horizontal grounding body，grounding resistance

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.05.018

王党席（1982—），男，西安人，研究生学历，主要研究领域为数据挖掘与处理和自动化远程监控

本文收到日期：2015-03-08