车载式雷达接地电阻设计

63889 部队 罗军 宋余恺 李成杰

本文针对车载式雷达机动到临时阵地时需可靠接地的问题，通过分析接地电阻的构成及影响因素，研究了一种车载式雷达接地网的设计方法及接地电阻的测量方法。该方法适用于无接地电阻测试仪时的场景，操作简单易行、实用性强，能够满足机动雷达野外执行任务时便捷、高效的接地需求。

雷达接地性能的好坏不仅影响装备的安全，操作手在使用中也存在安全隐患。就车载式雷达而言，其工作特性导致雷达阵地多变，为满足车载式雷达的高机动性，如何设计一种简易、有效的接地装置，既能降低施工成本，同时又不影响雷达架设的复杂程度和使用，是十分关键的。本文首先介绍了接地电阻的概念，而后设计了一种简易的接地装置和方法，为了保证所设计的接地电阻能够满足实际要求，本文最后从原理上详细阐述了接地电阻测量方法，并进行接地电阻的实际测量。

1 接地电阻的概念

所谓接地电阻是指电流由接地装置流入大地，再经大地流向另一接地体或向远处扩散时的电阻，用来衡量接地状态是否良好的一个重要参数。一般来说，接地电阻并不是单一的电阻，通常由以下部分组成：接地线和接地体自身的电阻、接地体与大地之间的接触电阻、两接地体之间的电阻以及接地体到无限远处的大地电阻构成[1]。以避雷针来进行说明，接地体引线就是避雷针与接地体之间的连接线，接地体与大地之间的接触电阻与大地电阻之和常被称为流散电阻[2]。金属接地线的电阻值很小，通常忽略不计，因此接地电阻的大小几乎全部来自于流散电阻值。因此，计算接地体接地电阻的公式如式（1）-式（3）所示[3]：

式中ρ为土壤电阻率，d为接地体直径，S为等效地网面积，H为埋设深度，L为接地极长度，为形状系数。

三个公式所考虑的因素依次增多，因而所设计出的接地电阻值也越来越精确。在实际应用中，我们可以结合自身任务的实际需要，在误差允许范围内，选择性地应用上述公式，并依据公式中的参数，采取不同途径，针对性地降低接地电阻。

通常情况下，接地电阻值通过接地电阻测试仪进行测试而得。但对于车载式雷达防雷接地而言，则需重点关注于雷击时的瞬时电阻值。由于雷电发生时通常产生的是瞬时电流，在实验室中对瞬时电流进行模拟测量，发现当电流瞬间增加到一定值后，此时电阻两端的瞬时电压与电流的比值不再是一个恒量，其原因是当接地体在瞬间接收了较为强的电流时，其自身会释放部分电流，这也直接地反应出接地体对雷电的释放性能。通常综合装备的承受能力以及人员安全等因素，瞬时电阻的测试基本上都是在实验室完成，根据大量的测试数据对比，在一定土壤电阻率下，瞬时电阻与通常意义上的接地电阻存在一定的数量关系，如表1所示。

表1 冲击电阻与接地电阻的关系Tab.1 The relationship between impulse resistance and grounding resistance

从表1中可以得出，瞬时电阻可用与通常意义上的接地电阻互为代替。

2 接地装置的设计

为满足车载式雷达良好接地状态，对防雷接地电阻要求是越小越好。但就车载式雷达的特点而言，其在临时阵地使用时长且环境复杂多变，这就必须考虑接地电阻装置的费效比以及在临时阵地上的施工复杂程度。所以在满足装备使用要求的前提下，必须充分考虑接地装置的材料、结构、阵地的地形地质和施工难度等。从公式（1）-公式（3）可知，我们可从采用合适的接地体材质及空间结构、减小土壤电阻系数、采用多个接地体并联来加大接地体尺寸等方法，来减小实际接地电阻值，从而达到使用要求。

2.1 接地材料的选择

接地装置的材料选择至关重要，常用的接地体宜采用圆钢、钢管、角钢、扁钢等接地材料制作。其中，圆钢直径不应小于10mm；扁钢截面不应小于100mm2，其厚度不应小于4mm；角钢厚度不应小于4mm；钢管壁厚不应小于3.5mm。为有效降低接地体与土壤的接触电阻，埋入土壤中的人工垂直接地体宜采用角钢、水平接地体宜采用扁钢。但在实际使用过程中，根据阵地的使用时长、雷达对接地电阻值的要求来确定不同的接地材料。接地材料的选择其最关键地是需要降低接地体电阻和接地体与土壤的接触电阻，此外，还要具有防潮防腐蚀等性能，确保能够在土壤中不变质，保证接地电阻的耐用性。通常情况下，接地体在地下的腐蚀速度受以下因素影响：土壤的含水量含氧量、PH值和含盐量、电解质、杂散电流、土壤的电阻率等。考虑到上述因素，铜材不仅电阻率小在耐腐蚀性能上也优于钢材、锌材、铁材，可作为接地装置首选材料。

2.2 接地形式的选择

车载式雷达的接地方式分为系统接地和防雷接地，其接地体的空间结构将直接影响接地电阻的大小，通常以多层水平接地网来增加接地体的等效接地面积，以增大电通量，而后使用多个垂直接地体将上述多个水平接地网并联，以此有效降低接地电阻值。

2.3 降低接地电阻方法的选择

在大地电阻率较大的砂质、岩盘等土壤中，为了满足降低接地电阻的要求，从公式(1)-公式(3)可知，接地电阻R与土壤电阻率ρ成正比，那么通过降低土壤的电阻率ρ，就能直接降低接地电阻。通常改善土壤电阻率的方法有换电阻率较低的土、深埋、物理及化学降阻等，其作用机理都是提高土壤的导电能力，实现减小接触电阻的目标。实际工作中，最方便有效的方法是化学降阻，例如使用工业用盐调制的混合盐水。将其浇灌在接地体周围的土壤，减小接地体与土壤之间的空隙，增加接地体与土壤之间的导电性能；同时土壤吸收了混合盐水后，降低其电阻率，提高了土壤的导电性能。

2.4 接地体施工

在距离雷达5m 左右的位置挖一个长宽高分别为2.5m、2.5m、1.5m 深的坑。首先，使用将厚3mm 宽25mm 的纯铜条焊接成如图1所示的铜条网，并将其放入坑底，值得注意的是，铜条交叉处的焊接点必须进行防腐蚀处理。本节所介绍的立体接地网由两层铜条网组成，上层铜条网距离下层50cm。另外下层铜条网的三条边超过深坑边的铜条4.1m 焊制，这三根4.1m 铜条在放入深坑前需向上弯折90°，这样以来，在完成土壤填埋后，高出地面10cm 的铜条可以作为垂直接地体。铜条网安装好后填埋时，在条件允许的情况下，可以按照2.3 节所述换土法，将原本较高电阻率的砂石更换为低土壤电阻率的黑土等，并将黑土和工业盐混合；若临时阵地周围没有较低电阻率的土壤，在填埋过程中可直接将工业盐水浇灌到原有土壤中。在后期使用过程中，要定期用水浇灌，以使接地网和土壤之间的接触电阻始终保持在较低水平[4]。

图1 接地铜条网结构示意图Fig.1 The structure of the grounding copper strip resistance network

3 接地电阻的测量方法

接地技术是车载雷达防雷所必须采取的保护性措施，是保证设备和操作人员安全的重要手段。为了达到实际任务的需求，在接地装置投入使用之前，我们需要对其接地电阻值进行测量，来检验所设计装置的导电性能否满足安全性和系统工作需求。本节将介绍两种常用的测量接地电阻值的方法：接地电阻测试仪测量和电位降法测量。

3.1 接地电阻测试仪测试接地电阻

当前常用的数字接地电阻测量仪都采用了集成电路，通过将电流注入至被测物与仪器自身的辅助接地极，在其之间就会产生电压，通过欧姆定律计算，可以得到准确电阻值，并显示在表头上供我们读取。我们以TES-1605数字接地电阻测量仪为例，在被测接地桩的同侧地上打入两根辅助测试桩，要求这两根测试桩分别距被测接地桩20m、40m 且与被测地桩保持直线，三根5m、20m、40m 导线分别连接被测物接地极、电位探棒和电流探棒。此时按下测试按钮，即可计算出被测接地桩的地阻值。

3.2 电位降法测量接地电阻

使用接地电阻测试仪来测试接地电阻是最为便捷的方法，然而在实际情况下，我们可能没有专用的测试仪，因此，我们需要对接地电阻进行间接测试，本节我们将介绍一种利用万用表、电源等设备来间接测量接地电阻的方法——电位降法[5]。

3.2.1 电位降法测量原理

要测量接地电阻，需要给接地体注入一定大小的电流I，并测出实际电压U，即可计算出接地电阻的大小，如公式（4）所示：

值得注意的是，此处的电压U实际上是接地网连接点与大地零电位之间的电压，而大地零电位理论上是在无穷远处，不可能将电压加在待测地极与无穷远之间，因此，为了解决此问题，我们引入一个测试电流极。在引入测试电流极后，空间中的电场强度就会发生变化，在此电流极和待测电极之间就会形成一个零电位面，而后，计算零电位面与待测接地极之间的电位差，即可算出准确的接地电阻值。因此，测量的关键就在于准确地找到此零电位面的位置，本节将在原理上推导出此零电位面位置的理论值。测试原理如图2所示。

图2 电位降法测量原理图Fig.2 The schematic diagram of fall-of-potential method

图2中1 为待测地极，2 为测量电位极，3 为电流极，G为接地体。设接地极和电流极之间的土壤电导率均匀，且为σ，设地极1、2、3 为球形且半径为 1r、2r、3r。当电流I流向待测电极1 后，会以半球形向大地内流散，那么，距离接地极x处的电流密度表示为如式（5）所示：

由电场强度E1=Jσ，距离接地极x处的电位表示为如式（6）所示：

其中E1为由电极1 产生的电场强度，因此，倘若没有电极3，此时电极1、2 之间的电位差表示为如式（7）所示：

然而，电极3 的出现，使得电极1、2 之间的电位差发生改变。我们将电极3 看作向外发射负电荷的电极，那么在由电极3 产生的电场（电场强度）中电极1、2 之间的电位差表示为如式（8）所示：

其中U' 表示为由电极3 产生的电位差，因此如式（9）所示：

得到如式（10）所示：

电极1、2 之间实际的电位差表示为如式（11）所示：

电极2 的电位表示为如式（12）所示：

由公式(6)可得，电极1 的电位如式（13）所示：

因此，得到如式（14）所示：

令d12=nd13，并且U2= 0，可得如式（5）所示：

3.2.2 电位降法测量接地电阻实际操作

采用电位降法测量接地电阻时，所需要的设备简单，如果没有专门的电压表和电流表，可以用万用表替代，电源可以用雷达的交流电源或电站的蓄电池替代。布置测试回路通常按照图2所示，需要特别注意的是，要求测试回路电流极与被试接地体中心距离d13应为被试接地体最大对角线长度的4 ～5 倍。在测量过程中，将电源加在电流极和接地极之间，以产生恒定电流，图中三个接线端子，端子1 接到接地体G、端子2 接到电流探针、端子3接到电位探针。测量时，在3 端子产生的恒定电流经电流探针-地-接地体-1 端子，形成电流回路。只要d12和d13具有合适的比例关系，通过测量G和2 端子之间的电压U，其电压U和电流I的比值就是接地电阻值。

4 结语

本文主要介绍了接地电阻的概念，分析了接地电阻的构成及影响因素，且根据这些因素设计了一种简单有效的车载式雷达接地电阻，用于布设在雷达临时阵地。在此基础上，简要介绍了两种测量接地电阻值的方法，使用接地电阻仪测试和电位降法。其中重点分析了电位降法的测试原理及实际操作，该方法实用于没有专用的接地电阻测试仪时需要测量接地电阻的场景，操作简单易行。总得来说，本文所阐述的雷达接地电阻的设计和测量接地电阻值的方法，一定程度上能够满足我们在执行任务中，所提出的快捷性、实用性要求。