接地材料的选择及其应用

接地材料的选择及其应用
一、引言
接地网是接地系统的基础，由接地环（网）、接地极（体）和引下线组成。

过去常接地环作为接地的主体，很少使用接地体。

接地要求不高或地质条件相当优越的情况下，接地环的确有效，在通常情况下，接地环可以起到辅助接地的作用，主导作用是用接地体来完成的。

决定接地电阻大小的因素很多，我们以接地环作接地主体的情形来分析传统地网接地电阻的计算公式。

式中：
ρ（Ω.m）-----土壤电阻率；
d(m)------------钢材等效直径；
S（m2）---------地网面积；
H(m)------------埋设深度；
L(m)------------接地极长度；
A---------------形状系数。

式（1）表明，传统的接地方式在土壤电阻率已经确定的情况下，要想达到设计要求的电阻必须有足够的接地面积，要降低接地电阻只有扩大接地面积，每扩大4倍的接地面积，接地电阻会降低一倍。

式（2）、（3）表明，在上述的接地网中，要降低接地电阻的另一个方法是加大接地材料的尺寸，但耗材太大，效果并不理想。

单使用接地环要达到某个接地电阻值，与接地环包围的面积Ｓ和土壤电阻率有关。

以一个城市常见的土壤电阻率200Ω.m 为例，要做接地电阻1Ω的地网需占地10000m2。

对于大型建筑物而言，本身占地很大，考虑到要求独立地的设备，一个地网是不够的。

在高楼林立、寸土寸金的城市和地形复杂的山地，很难有满足大面积施工的场地和土质，即时地理条件许可，由于开挖量大、耗材多，费工费料，工程造价相当高。

所以，需要运用更好的接地材料和施工设计方法。

二、接地材料
广泛使用的接地工程材料有各种金属材料、接地体、降阻剂和离子接地系统等。

金属材料如扁钢，也常用铜材替代，主要用于接地环的建设，这是大多接地工程都选用的；接地体有金属接地体（角钢、铜棒和铜板）这类接地体寿命较短，接地电阻上升快，地网改造频繁，维护费用比较高；从传统金属接地极（体）中派生出的特殊结构的接地体（带电解质材料），使用效果比较好，一般称为离子或中空接地系统；另外就是非金属接地体，使用比较方便，几乎没有寿命的约束，各方面比较认可。

以下着重介绍降阻剂、非金属接地模块和离子接地系统。

1、降阻剂
降阻剂分为化学降阻剂和物理降阻剂。

化学降阻剂自从发现有污染水源和腐蚀地网的缺陷以后基本上没有使用了，现在广泛接受的是物理降阻剂（也称为长效型降阻剂）。

物理降阻剂是接地工程广泛接受的材料，属于材料学中的不定性复合材料，可以根据使用环境形成不同形状的包裹体，所以使用范围广，可以和接地环或接地体同时运用，包裹在接地环和接地体周围，达到降低接触电阻的作用。

并且，降阻剂有可扩散成分，可以改善周边土壤的导电属性。

现在较先进的降阻剂都
有一定的防腐能力，可以加长地网的使用寿命，其防腐原理一般来说有几种：电化学防护，致密覆盖金属隔绝空气，加入改善界面腐蚀电位的外加剂成分等方法。

物理降阻剂有超过二十年的工程运用历史，经过不断的实践和改进，现在无论是性能还是施工工艺都已相当成熟。

2、非金属接地体
非金属接地体在通讯、广电等部门有广泛应用。

它是由导电能力优越的非金属材料复合加工成型的，加工方法有浇注成型和机械压模成型。

一般来说浇注成型的产品结构松散、强度低、导电性能差，而且质量不稳定，一些小型厂家少量生产使用这样的办法；机械压模法，是使用设备在几到十几吨的压力下成型的，不仅尺寸精度较高、外观较好，更重要的是材料结构致密、电学性能好、抗大电流冲击能力强，质量也相当稳定，但是生产成本较高，批量生产多采用。

选型时，尽量采用后者，特别是接地体有抗大电流或大冲击电流的要求（如电力工作地、防雷接地）时，不宜采用浇注成型的非金属接地体。

非金属接地体是不受腐蚀的接地体，其稳定性、环境适应性、使用寿命都是现有接地材料中最好的，不需要定期改造和维护。

非金属接地体施工需要的地网面积比传统接地面积小很多，但是，在不同地质条件下，也需要保证足够的接地面积才可以达到良好的效果。

3、离子接地系统
离子接地系统是传统的金属接地改进而来，从工作原理到材料选用都有脱胎换骨的变化，形成各种形状的结构。

这些接地系统的共同点是结构部分采用防腐性更好的金属，内填充电解物质及其载体组分的内填料，外包裹导点性能良好的不定性导电复合材料，一般称为外填料。

接地系统常用的金属材料有不锈钢、铜包钢和纯铜材。

不锈钢的防腐较钢材好，但是在埋地环境中依然会多多少少的锈蚀，以不锈钢为主体的接地系统不宜在腐蚀性严重的环境中使用。

表面处理过的铜是很好的抗锈蚀材料。

铜包钢是铜-钢复合材料，钢材表面覆盖铜，由套管法或电镀法生产，表面铜层的厚度从0.01mm到0.5 0mm，厚度越厚防腐效果越好。

纯铜材料防腐性能最好，但是成本太高。

由于接地系统大多向垂直方向伸展，所以接地面积很小，可以满足地形严重局限的工程需要。

特别是，补偿类型的接地系统有加长的设计，笔者曾使用过加长至24米的接地系统，辅以深井法施工，可以达到非常好的效果。

三、接地材料应用
通常的防雷接地的接地电阻是10Ω，实际上有弱电设备的感应防雷都要求4Ω或1Ω的接地电阻。

常常有个误区，认为作到10Ω、4Ω或1Ω的接地电阻就满足了设计要求，而没有考虑季节因数。

因为，土壤电阻率是随季节变化的，规范所要求的接地电阻实际上是接地电阻的最大许可值，为了满足这个要求，地网的接地电阻要达到：
R=Rmax/ω
式中
Rmax----接地电阻最大值，就是我们说的10Ω、4Ω或1Ω的接地电阻
ω-----是季节因数，根据地区和工程性质取值，常用值为1.45
所以，我们所说的接地电阻实际是：
R=6.9Ω-------- Rmax=10Ω
R=2．75Ω------ Rmax=4Ω
R=0.65Ω------- Rmax=1Ω
这样，地网才是合乎规范要求的---在土壤电阻率最高的时候（常为冬季）也满足设计要求。

接地工程本身的特点决定了周围环境对工程效果的决定性影响，脱离了工程所在地的具体情况来设计接地工程是不可行的。

设计的优劣取决于对当地土壤环境等诸多因数的综合考虑。

土壤电阻率、土层结构、含水情况、季节因数、气候以及可施工面积等等因数决定了接地网形状、大小、工艺材料的选择。

1、降阻剂
地网设计中的重要参数之一就是岩土的土壤电阻率，此外，还要考虑开挖（钻进）难度、破碎还是整体岩石、持水能力等因数。

有的岩土电阻率高，但是在整体岩石之间常有较好的土壤间隙层，在这样的环境中，避开整体岩石，在间隙中开挖填灌降阻剂效果很好。

阿坝卡吉岭通讯基站，土壤电阻率4500Ω.m，原联合地网接地电阻率68Ω，上述施工后接地电阻降为9. 4Ω。

2、非金属接地模块
一般来说，湿润的土壤导电性较好，但是，实际工程中我们发现，当含水量超过饱和以后，接地效果反而不好。

当接地体深入到地下潮湿层时，降阻效果会好得多。

例如，云尾移动通讯站，土壤电阻率测量值1200Ω，使用240只接地模块，接地电阻值达到1Ω以下；同样的，柯壶口变电所也是1200Ω的土壤电阻率，地表是破碎沙石层，但是开挖15 0mm发现潮湿土层，埋设接地块80只，原预计达到4Ω的地网，结果达到了1.2Ω。

3、离子（中空）接地系统
施工环境常常受到各种条件的制约，按照理想的模式考虑大面积的地网有时是不现实的。

有专家认为，接地面积一定后，如果接地极长度不超过地网1/20，要想突破局限是不可能的，即使做成整块铜板也没有用的。

实践中也应证了这一理论。

所以，当地形局限时，我们可以考虑地网的纵深方向，使用离子接地系统或深井施工工艺。

西昌某航天观测站，土壤电阻率1100Ω.m，设备需要4Ω信号-屏蔽独立地，考虑季节因素，应作到2.75Ω，而可供施工的面积只有8平方的狭长位置，采用加长（20m）离子接地系统3套安装后，达到2.5Ω的接地电阻。

四、施工工艺
正确的施工工艺才能达到良好的设计效果，看起来不重要的实施细节常常导致严重的后果。

因为接地工程是隐蔽工程，当施工完成后，错误不一定马上可以检测到，即使发现问题补救也是很麻烦的，尤其是防腐细节。

使用接地快时，埋设应尽量选择适合的土层进行，预先开挖80-100cm的土坑（平埋），底部尽量平整，使埋设的接地块受力均匀。

接地块水平设置，用连接线使连接头与接地网连接，用螺栓连接后热焊接或热融接，焊接完成以后应去处焊渣等，再用防腐沥青或防锈漆进行焊接表面的防锈处理，回填需要分层夯实，保证土壤的密实和接地块与土壤的接触紧密，底部回填40-50cm后，应适量加水，保证土壤的湿润，令接地块充分吸湿。

使用降阻剂时，为了防腐，包裹厚度应在30 mm以上。

接地用的钢材一般有50mm×50mm×4mm或50mm×50mm×5mm角钢；40mm×4mm或40mm×5 mm的扁钢；ф 50mm、h>3mm的钢管。

若包裹厚度为30mm，地网开挖直径尺寸应在130mm。

对水平扁钢来说，由于地面开挖高低不平，扁钢本身弯曲不直，在施工中许多部位刚刚被降阻剂盖住。

这样，钢材实际上处在两个介质的交界处，大大地加快了腐蚀程度，因此地网开挖尺寸也应该加大。

我们认为垂直极灌降阻剂直径以130—200mm为好，水平沟以150mm×100mm为好（扁钢竖放）。

这样做的开挖工程量和降阻剂用量都会增加，但从整体降阻、防腐效果看是合理的。

离子接地系统埋深一般为3000-4000mm，当加长时相应加深，有条件的用钻机施工。

孔径保证100-250mm（根据接地系统的形式选择）。

施工中应保证导电辅料包裹密实，消除空管和气泡。

五、综述
接地材料是接地的工作主体，材料的选择很重要。

不同的接地材料各有优势和局限。

工程实践中要因地制宜地合理选用接地材料，用较低的代价达到工程设计要求。