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接地电阻初步知识

由于土壤是由不同的土壤颗粒和其间隙中存在的水和空气组成,再则接地体的形状、尺寸又不一,所以接地电阻有着非常复杂的性质。

一、接地电阻的定义

接地电阻包括接地电极体本身的电阻、接地电极体与土壤间的接触电阻、接地电极体附近的土壤电阻、接地电极体至电气设备间连接导线的电阻四者之和。

从定量的角度描述接地电阻的定义应该是“在某一电极上流入接地电流I(A),若接地电极的电位比周围大地高出E(V)时,其电位上升值与接地电流之比E/I(Ω)即为接地电阻”。如图1所示。

http://www.cntronics.com/art/artinfo/id/80037616

图1 接地电阻的定义

接地电阻的定义必须要附带以下两个条件。

①为了使接地电流流向接地电极,必须形成闭合回路,需要把两根接地电极打入大地,并保持足够的间距。当接入电源后,就会在两个电极之间流过接地电流,把其中一根电极称为辅助电极,如图2所示。在定义接地电阻时,辅助电极要设置在离主接地电极十分远的地方,使它对主接地电极带来的影响甚微,而将其忽略。当电源取直流时,由直流电流产生的电化学现象可被忽略。

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图2 辅助电极

②接地电极的电位上升是以大地的无限远方为基准测量的。所谓无限远方是指即使有接地电流,电位也不变动的地点,即意味着与通电前的状态没有变化的地点,将该点作为电位基准点。可以从电位上升值及接地电流求出真正的接地电阻,如图3所示。如果把测定电位的基准点靠近接地电极,基准点的电位就会因接地电流而引起(ΔV)上升,这一增量给电位上升的测定带来误差,进一步使接地电阻也形成误差。

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图3 电位测定的基准点

二、接地电阻的一般性质

接地电阻由以下3个构成要素组成:

①接地线的电阻及接地电极自身的电阻;

②接地电极表面及与其接触的土壤之间的接触电阻;

③电极周围大地的电阻。

如图4所示,这3个构成要素中①是导体,电阻非常小,不成问题。但是将钢筋混凝土基础桩等非金属体作为代用电极时,必须考虑接地电极自身的电阻。②的接地电阻是电极与土壤的“适应”问题。接地电极的大部分是金属体,其表面是光滑的,而土壤是微小的固体颗粒,这两种物质实际是接近点接触状态,而不是面接触,所以在界面上有接触电阻。此外还有静电电容的作用,由于打入电极时电极的振动、埋设时加在电极上的压力,还有土壤种类、接地施工的场所等影响,无法用一两句话说清楚。从接地电阻的本质来说,还是③的影响最大。③中土壤所具有的电阻是最重要的,是电极包围的大地的电阻,叫做大地电阻,是接地电阻的主要部分。

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图4 构成接地电阻的要素

由于通过大地电传导的截面积非常大,因此可以认为其电阻小到可以忽略不计。当离接地电极相当远时,电流通路的截面积变得非常大,即使土壤的导电性不良,电阻仍然很小。但是在接地电阻附近,由表面积并不太大的接地电极流出电流,电流通路的截面积被束缚,接地电阻呈现一定的电阻值。如图5所示,接地电流从接地电极以放射形式流出,随着远离电极,电流通路的截面积会增大。

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图5 电流通路的截面积与电阻关系

当确定了某一接地电极的形状和尺寸,该电极的接地电阻表达式为

R=ρf  (1)

式中 R——接地电阻,Ω;

ρ——大地电阻率,Ω·m;

f——电极的形状与尺寸有关的函数。

由式(1)可知,接地电阻与大地电阻率成正比,对同一形状、同一尺寸的接地电极,大地电阻率场合不同,其接地电阻值就不同。

另外,函数f在电极的形状不清楚时不能确定。在电极的形状一定、大小如图5所示作相似变化的场合,接地电阻可表示为

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式中 k——由电极形状确定的系数;

ρ——大地电阻率,Ω·m;

l——电极模型的特征尺寸。

l在如图6所示是半球状电极的半径,代表电极边缘模型的长度。由此,在大地电阻率一定的场合,若形状变化,接地电阻会随之变大变小。这在接地电极设计上是十分重要的,也是由模型电极来对接地电阻推算之际起支配作用的原理。

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图6 接地电极形状一定而大小做相似变化的场合

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