防雷接地装置设计若干问题技术分析

防雷接地装置设计若干问题技术分析

摘要本文重点讨论防雷接地装置设计、施工中遇到问题的解决办法。并给出接地装置的设计实例及施工中降低接地电阻的有效措施，和测试接地电阻值应注意的问题。关键词接地装置接地体接地模块降阻测试

引言

综合防雷系统工程中，不管是避雷针、避雷网、避雷带等，还是各种防雷电感应的SPD，能起到防雷作用最重要的环节之一，需要有良好接地。在一定的土质、气候情况下，良好接地取决于接地装置的形状，接地体的材料、规格和采取有效的降阻措施。科学的计算方法可得出满足要求的各种数据。设计合理可节省

人力、物力。当然，计算结果与实际会有一定差距，差距的大小取决于土壤电阻率ρ的准确程度和土质均匀的程度等因素。精心设计、规范施工可实现花费较少的代价获得可靠、良好的接地效果。

1．防雷工程良好接地的重要性

富兰克林避雷原理的基本精神就是截闪、引雷入地。截闪器把雷电引来，能迅速泄放入地，达到防雷减灾的目的。否则，虽有好的截闪装置，没有良好的接地，也不能起到良好的避雷效果。把雷引来不能迅速泄放入地，必然遭受雷击，其后果就是“引狼入室”。此种比喻恰恰说明了防雷接地的重要性。

众所周知，被称为“洋垃圾”的“消雷器”原理：所谓是“中和”、“限流”[1]，而对接地电阻值没有严格要求。实践证明“消雷器”引雷不能消雷。国内外防雷专家用事实证明“消雷器”不能消雷之后，邮电部等多个单位《通知》下属单位停止使用“消雷器”。这样，又从另一方面说明防雷接地的重要性。

2．接地装置形状的选择

2.1 接地装置的组成——包括引下线、接地母线、汇流排、垂直接地体和水平接地体等。其中，垂直接地体和水平接地体通常称地网，地网的接地电阻值达到设计要求是十分重

要的。

本文列举设计方案中，采用热镀锌角钢(L50×50×5×2000)作为垂直接地体，深埋0.8m, 垂直接地体之间距离4—6m。水平接地体采用热镀锌扁钢（40×4 ）如图（一）所示。

图（一）接地装置的组成其中：1、汇流排2、接地母线3、垂直接地体4、水平接地体

2.2 接地体型式的选择

根据地形地貌可选用不同的接地体型式，有关资料［3］介绍：接地体型式对接地电阻有一定影响，根据接地装装置的类型系数K 设计计算时可修正计算结果，使接地装置的设计值更接近实测结果。由关资料［3］可查得一字型接地装置的类型系数K为1。

2.3 接地体屏蔽作用分析

《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94 2000 版）中规定两根垂直接地体之间距离为接地体自身的2 倍。此时，两根垂直接地体相互间屏蔽效应影响很小，可忽略。否则两根垂直接地体太近，由于屏蔽作用会影响接地电阻值。

2.3.1 屏蔽效应分析

为分析问题简化，以两根垂直接地体为例，其近似等效电路如图（二）所示

图（二）屏蔽效应等效电路

其中: u—瞬时雷电压i—瞬时雷电流Ra—垂直接地体a 的电阻Rb—垂直接地体b 的电阻Rab—屏蔽效应等效电阻i1—流过垂直接地体a 的雷电流i2—流过垂直接地体b 的雷电流R a+R b由等效电路可得：

（R a+R b）/（R a+R b）+R a b （1）

式（1）中R a b是与垂直接地体距离、土壤电阻率、土壤均匀程度和雷电流通过面积相关的。其中R ab 项使R 值变大。

如果两根垂直接地体距离大于4—6 米，可认为R ab可以忽略，式（1）简化成

R= RaRb/（Ra+Rb）（2）

式（2）即为Ra和Rb并联电阻值。显然,式（1）电阻值，由于垂直接地体相互影响Rab存在使其接地电阻值变大。有关资料[3]将影响接地电阻值变大现象称之为屏蔽效应。

广西柳城中回山广电转发站防雷接地施工中，采用40根50x50x5镀锌角钢垂直接地体做4mx4m 网格形接地装置，测试结果未达到设计要求。施工人员在垂直接地体相

距4m之间，又增加40 根50x50x5镀锌角钢垂直接地体，垂直接地体之间相距变成2m，测试结果接地电阻值几乎未减小。最后，采用扩大地网面积方法，达到了设计要求，这就是垂直接地体之间屏蔽效应结果。

3、土壤电阻率的确定

3.1 土壤电阻率的定义

工程上以1 立方米的某种土壤在相对两面之间具有的地电阻值称之为土壤电

阻率。工程中采用单根钢管或圆钢作垂直接地体测试土壤电阻率。（单位为Ω? m）

3.2 土壤电阻率的确定

土壤电阻率ρ的精确测量方法是费朗克?文纳的四电极法。

工程中近似估算时，可根据土壤电阻率的定义，近似求出土壤电阻率ρ。

本文以海南海口美兰机场雷达站为例，沿围墙做了一字型接地网。施工中，将

L50×50×5×1500 的热镀锌角钢打入被测土壤中，用地电阻测试仪4102（日本）测得接地电阻值为35Ω，根据人工接地体接地电阻值的计算公式[ 4]，当L ﹥﹥ d 时，

其中ρ：土壤电阻率（Ω? m）L：垂直接地体长度（m）d：接地体直径（或角钢等效边宽）（m ）

本次测试中接地体采用角钢，由参考资料[4]查得：等效直径d=0.84b，将

d=0.84b R=35ΩL=1.5m b=0.05m代入式（3）式得出土壤电阻率：ρ=

329.7/4.96=66.4Ω? m

4．接地装置的设计

4.1 垂直接地体电阻值的计算

接地装置设计以海南海口美兰机场雷达站沿围墙做的一字型地网为例进行设计计算，要求接地电阻R≤4Ω。按《建筑物防雷设计规范》GB50057-2000)规定，垂直接地体采用长度2m热镀锌角钢（L50×50×5×2000）,已测得土壤电阻率ρ=66.4Ω? m, 设计

方案要求接地电阻R≤4Ω。

单根垂直接地体的接地电阻R1，由式（3）计算得出：

R1=5.28×5.25=27.7Ω

4.2 单元水平接地体电阻值计算

单元水平接地体的接地电阻，由下式得出：

ρ：土壤电阻率

L：水平接地体总长度（m）

d：水平接地体直径（若用角钢为边宽、扁钢为宽度的1/2）（m ）

t：埋在地下深度（m）

K：与接地体型式有关的系数（见表1）

已知：ρ=66.4Ω? m L=5m K=1.0 由表（1）查得b=0.05 t=0.8m，代入式（4）得：R2= 2.1×6 =13.8Ω

4.3 垂直接地体数量的计算

将公式：R= [R1R2/（R2 n+R1）]ηn 变换得出：

n= R1（1/ Rηn—1/ R2）――――－（5）

其中：η—利用系数（0.55~0.85）

n—垂直接地体数量（m）

R1—单根垂直接地体的接地电阻27.7Ω

R2—单元水平接地体的接地电阻13.8Ω

R=4Ω 取ηn=0.55

代入式（8）得：R= R1（1/ Rηn—1/ R2）=27.7（1/4×0.55—1/13.8）=10.45（根）。垂直接地体取整数11 根，水平接地体长度为5×11=55 m

4.4 地网接地电阻测试结果

根据上述计算结果ρ=66.4Ω? m（土质较好），按《规范》施工，在0.8 m深、0.5

m宽、60 m长的沟内，每隔5 m打下一根热镀锌角钢（L50×50×5X2000）共11 根。挖沟、打钎、焊接、防腐处理，回填土后用地电阻测试仪4102A（日本）测试结果如表（2）。

表（2）测试结果

测试点左端中

间右端

地电阻值

（Ω） 3.2 3.5 3.0

施工中,并不是每次计算值与实际值都很理想的一致。一致与否，主要取决于测得土壤电阻率ρ的准确程度和土壤的均匀性等因素。

5．采用接地模块作为垂直接地体的设计

5.1 接地模块的选择

接地模块的指标：外形、规格、电阻率、表面积、长度直流电阻等。其中关键指标之一是长度直流电阻，一般质量好的接地模块长度直流电阻＜1Ω。

5.2 垂直接地体采用接地模块地网设计。

5.2.1 由多根放射带组成的接地装置

其接地电阻可按下算：

其中ηn: 典型接地装置利用系数

1

∑? 为各个单位放射带冲击接地电导之和。

Rn

5.2.2 由几个垂直接地体及水平接地体组合成的复式接地装置的接

地电阻可按下式计算：

R1：垂直接地体的接地电阻。

R2：水平接地体的接地电阻。

ηn：所有接地体相互影响的利用系数。

n：垂直接地体的个数。

5. 3 采用接地模块的地网设计方法

5.3.1 垂直埋设单个接地模块的接地电阻Rj

根据地网埋设地层土质电阻率ρ 计算和给定的已知参数计算Rj

其中ρ—土壤电阻率（Ω? m）L—模块长度（m） d—模块直径（m）h—埋设深度（m）M0—模块调整系数（0.3~0.38）

5.3.2 水平埋设单个长方体形接地模块的接地电阻Rj

其中ρ—土壤电阻率（Ω? m）

a—接地模块长度（m）

b—接地模块宽度（m）

5.3.3 多根垂直接地模块并联总接地电阻

其中：Rj—单个接地模块的接地电阻

n—模块数量

η—模块利用系数（0.55~0.85）

根据模块数量n，每两个相邻模块之间距离为5m，即可确定水平接地体长为5n （m）。在机场雷达站、导航台（站）的接地装置设计、施工中，采用上述设计公式、计算方法得出的计算值与实测结果基本相符。

6、降低地电阻的措施

6.1 用选形法设计接地装置

在桂林两江机场雷达站防雷接地施工中，在山顶坚硬岩石地带做地网，无法进行接地装置施工。根据有关资料[5]查得土壤导电率可能大于5000Ω? m，欲使接地电阻＜4Ω，难度极大。根据设计方案：

采用接地装置在山下绕小水塘一周做一闭合地网，再采用两条30m长的40x4 镀锌扁纲引至山顶雷达站。水平接地体长30m、垂直接地体采用镀锌角钢

（50×50×5×2500 ）12 根，测试结果接地电阻为2.6Ω。后来此种施工方法被称为选形法，在厦门某部队雷达站防雷接地施工、广西柳城中回山广电转发站防雷接地施工等多次使用，都取得良好的效果。

6.1.1 水平接地体的有效长度.

众所周知，地网扩大后，势必加长了水平接地体的长度，水平接地体越长自身的电阻越大，可根据下式求出。

其中ρ—镀锌扁钢导电率（Ω? m）

S—镀锌扁钢截面积（mm2）

L—水平接地体长度（m）

施工中选用40×4 镀锌扁钢作水平接地体，一根扁钢长L=6m, 其截面积

160mm2 =0.16×10-5m2低炭钢材料（Q235）ρ为1.0×10-7 Ω?m 一根6m长的扁钢自身电阻R 为：

若增加水平接地体100m，水平接地体自身电阻增加3.75Ω。另一方面：目前多用

（Lonstant 接地电阻测试仪（4102A）测试接地电阻。该仪表测试能源为1~3mA 的恒流源。CurrentFenerator）.测试过程中该恒流源提供的测试信号必然是与低电阻回路构成通路。因此地网扩大到一定程度后，3mA 的恒流源几乎不与扩大后阻值增加的接地体构成通

路，所测得的结果与未扩大的地网阻值所差未几。

综上所述：由于雷电脉冲在地中泄放速度受到限制，又因雷电脉冲陡度大，在最大延伸长度有效散流入地，因此Le =2νρ是水平接地体有效长度。施工中，如地电阻达不到设计要求，除了在地形允许情况下继续适当扩大地网外，采取加降阻剂是有效的方法。

6.2 使用降阻剂降低接地电阻

6.2.1 降低接地电阻的机理:

通常使用降阻剂的导电率可做到1Ω?m化学材料降阻剂，（稀土降阻剂可做到

0.2~0.5Ω?m）。Ph 值为6.9 近似中性，是一种长化学降阻剂。地网接地电阻分三部分组成，其一是垂直接地体本身电阻，一般占1%~2%，可以忽略。其二是接地体与土壤接触部分的接触电阻，占20%~40%，其三，是电流经接地极流入土壤后散布时的电阻，称之为散流电阻，由土壤电阻率决定。土壤电阻率大小与接地极、接地极在土壤里的接触面积有直接关系。使用降阻剂相当于增大了接地体的几何尺寸；又使接地体与周围土壤接触紧密，减小了接触电阻。降阻剂在接地极和自然土壤之间就有如增大了接地极的直径效果，使接触面积增大，接触电阻减小。

降阻剂的设计配方中主料、催化剂、激活剂在地下水和雷击电流作用下，一些元素形成水合离子化合物，是导电性能良好的电解质。

正因为雷击作用下，随着雷击电流波形陡度的增加而电阻率自动下降的特性，称之降阻剂的负阻特性。

6.2.2 施工方法

降阻剂由主料、催化剂、添加剂组成，先选择一容器按每袋主料配25 ㎏水之比例兑水后，倒入主料及添加剂搅均至无白色颗粒。然后加入催化剂进行充分搅拌2~5 分钟（气温低时间稍长）后倒入已回填土的地极中，24 小时后进行接地电阻测试。

7．接地电阻测试

7．1 接地电阻测试仪器

MODEL（4102A）地电阻测试仪的测试能源是：820Hz 恒流源，测试电流为1-3mA，测试结果有一定的测试误差，地电阻测试仪必须按规定进行校验。

7.2 测试接地电阻应注意的问题

各种行业标准繁多，测试方法各不相同，但归结起来值得注意的有如下几点：

(1) 电压辅助接地极必须安置在离地网零电位区间；电流辅助接地极必须依测试仪器线长度拉直安置在远离地网。否则就会给测试结果带来一定测试误差。

(2) 如果要增加被测连接线长度，连接导线直径不小于1~1.5㎜2。连接导线电阻值应从测试结果中减去。

(3) 测试时如读数抖动，应关掉干扰信号源测试，或由于地网带电引起，应将地网与电源断开再进行测试。

(4) 测试时应在不同方向测试2~3 次，必须每个方向均达到设计要求，特殊情况可测1~2 个方向。根据每次测试的接地电阻值R1 ，R2 为并联关系因此可取其中最小只值为准，或是取算数平均值为准期待国家标准《建筑物防雷装置安全检测技术规范》给出判定标准。

结束语

无论在机场或其它单位防雷接地、设计施工中，良好的接地装置是防雷设施重要环节之一。