ELE0512_接地电阻计算(一)-概论

假设往大地里打入一根垂直接地极后,测得接地电阻为30Ω,之后再打入另外一根同样的接地极,按照电路中电阻并联的知识,接地电阻应该为15Ω。但是很遗憾的告诉你,事实并非如此,实际接地电阻应该在(15,30)之间。如果接地电阻能够遵照理想模型的规律,将接地电阻降至1Ω以下将不会是什么难事。
1、术语

Earthing resistance,接地电阻。接地电阻不是埋入大地中破铜烂铁的电阻,而是一种特殊的“接触电阻”,是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所遇到的电阻。

Mutual resistance,互电阻。相邻的接地极向大地流散电流,在空间上会出现排挤作用,这种现象被称为电流屏蔽效应。屏蔽效应是由于电流通过接地极时,相邻电场重叠,导致电流密度发生畸变,使得每个接地极的散流阻力增大,这种增加的电阻就是互电阻[1]。正是由于互电阻的存在,所以接地电阻才不会遵照并联电阻的规律。

2、正文

规范GB 50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》有一个简单的复合接地网接地电阻估算公式:R=0.5ρ/SQRT(A) [2]

从公式来看,接地电阻只和土壤电阻率ρ、复合接地网的面积A有关系。土壤电阻率是先天条件,如果一个建筑物的接地网面积不够大,接地电阻不满足要求。第一,不要试图通过增加垂直接地极来降低阻值,这样带来的效果微乎其微,垂直接地极一般用在地网的边缘或者引下线附近用来降低雷电冲击电阻[3];第二,不要试图增加水平地网网格密度来降低阻值,这样带来的效果也微乎其微,网格的作用主要是为了均压;第三,不要试图增加接地降阻剂,这样会加速腐蚀人工接地极,接地降阻剂弊端的报道和论文屡见不鲜。

就降低工频电阻的效率而言,接地设计的原则是:一维直线形最优,二维平面形其次, 三维立体形最低!目前工程当中,接地网主要是二维平面水平接地网,应尽量避免水平、垂直联合使用[3]

3、VBA辅助设计

参考书籍《电力系统接地技术手册》中式3-22和3-25公式,辅以VBA语言对直线型角钢接地极的电阻进行预估(此公式未计入水平连接导线的影响)。角钢接地极采用∠50x50x5,L=2500mm,间距按5m布置,土壤电阻率按100Ωm考虑。

图1-垂直接地极与接地电阻曲线

如图1,曲线斜率绝对值越来越小,接地电阻在2Ω附近时逐渐向0逼近。表明垂直接地极数量到达一定程度后,屏蔽效应越来越强,降低接地电阻愈发困难。通过计算,需要54根垂直接地极,即265m长的距离,可以把接地电阻降为0.99Ω,这在工程中几乎很难实现。

如图2,采用两根∠50x50x5 L=2500mm角钢接地极,埋深0.8m,间距按1~200m依次布置,土壤电阻率按100Ωm考虑,绘制出如下曲线。

在上述条件下,单根角钢接地极的接地电阻值为30.8Ω,按电阻并联公式,两根角钢接地极的接地电阻应该为15.4Ω。经过计算,两根角钢在间距5m时,接地电阻为17Ω;间距10m,16.2Ω;间距20m,15.8Ω;间距50m,15.6Ω;间距100m,15.486Ω;间距1000m,15.414Ω……数据一直在逼近。这也侧面证明了,两套独立接地极挨得太近可以互相干扰,至少间距20m是比较合理的。

图2-垂直接地极间距与接地电阻曲线
参考文献

[1] 王洪泽, 杨丹, 王梦云. 电力系统接地技术手册[M]. 北京: 中国电力出版社, 2007: 12.

[2] 中国电力科学研究院. 交流电气装置的接地设计规范[Z]. 北京: 中国计划出版社, 2011: 49.

[3] 丛远新. 接地设计与工程实践[M]. 北京: 机械工业出版社, 2014: 39.

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