一種接地材質及接地技術的研究

摘　要：本文在接地材質上提出了當接地體的軸心可視為等電位時，可采用電阻率(ρ) 為的非金屬材料具有同等的接地效果，從而為接地材質的選擇提供了新的途徑。在接地技術上，提出了爆炸擴大的降低接地電阻方法，一般可降低接地電阻2~3倍。

　　關鍵詞：接地電阻、電阻率、非金屬材料、爆擴


　　引言

　　過去在接地工程中，絕大多數采用鋼材人工埋設，在土質導電差的地區，常常要消耗大量的鋼材和人力。又由于大量的單根鋼材并聯接地方式，占地面積大，往往受到地形條件的限制，必須采取其他降低接地電阻的措施。

　　在降低接地電阻方面，以往曾經使用過多種方法，如：換土法、層疊法、及化學降阻法等。以上方法均有降阻效果，但分別存在下列問題：有的工程較大，人力消耗多;有的采用可溶性電解質，容易溶解流散失效，不能持久。此外，有些化學物質有一定毒性，存在收縮、老化及不耐高溫的弱點[1] 。

　　鑒于以上問題，如何有效地降低接地電阻，提高地線的耐久穩定性能，節約鋼材的消耗等方面，已成為研究工作的突出課題。

　　針對上述問題，本文研究了使用耐腐蝕的非金屬材料，運用地下爆炸擴大的物理作用，實現降低接地電阻的方法。

1　接地材質導電率要求的分析

　　根據接地電阻的概念[2]，接地電阻由土壤電阻、接地體電阻、接觸電阻和引線電阻組成。其中接地體的電阻主要取決于材料的電阻率(ρ)。用非金屬代替金屬材料，關鍵在于接地體電阻是否達到可以忽略的程度。

　　由計算物體電阻的公式(R = ρ?L/S)可知，物體電阻與ρ成正比，還與物體的長度L橫截面S有關，而L、S又取決于電流在物體內的流動方式。

　　地線中接地體的導電方式區別于輸電導線，即電流進入接地體后向周圍介質擴散，屬于三度體的擴散傳導方式。而輸電線則屬于一度體的線型傳導方式。因此，前者比后者具有很大的S和很小的L，從而電阻要求某一限值時，若增大S縮小L，根據R=ρ?L/S可見，ρ值將允許增大。

　　從上述定性分析，可以肯定接地體材質的電阻率要求可以放寬，而人們感興趣的是究竟可放寬到什么程度。于是問題歸結到定量分析，即計算接地體本身電阻及其可能允許的數值。

　　設有一園柱狀非金屬接地體，園柱軸心為等電位導線，其半徑為γ0，園柱體長度為ι，半徑為γ，垂直埋入均勻介質中。求接地體本身的電阻R0。

　　對于上述接地模型，當電流從等位導線流入后向園柱體流出時，可近似地視為電流線垂直園柱面流出，此種情況下電流流出園柱體的橫截面是一變量，若要計算整個接地園柱體的電阻，必須把園柱體劃分為無數個壁厚為dR0，那么根據計算物體電阻的公式，dR0可表示為：
　　dR0=ρ×dγ/ 2πγι　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　<1>

　　整個園柱體的電阻，可對<1>式進行積分后得出：

　　R0=ρ0(ιn γ1 -ιn γ0)/ 2πι　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　<2>

　　從<2>式可見，當柱體軸心可視為等電位的條件下，接地體的電阻與柱體長度成反比，與材料電阻率和柱體半徑的對數成正比。

　　設 ι=250cm， r1=5cm， r0=0.2cm，將這些參數代入<2>式得出：
　　R0=0.2×ρ0　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　<3>

　　通常接地體的電阻小于0.01Ω即可，那么由<3>式可求出接地體材料的電阻率ρ0為。在自然界中能滿足ρ0為的天然資源是很豐富的，如：天然土狀石墨礦、泥碳土、碳質頁巖、煤礦等。從而為選擇經濟耐久的接地體材質提供了新途徑。

　　我們作了這樣的模型試驗，將金屬和土狀石墨粉（含水泥15%）制成同等形狀和大小的園柱體，在土狀石墨柱體的軸心預埋直徑4mm的鍍鋅鐵線，分別埋入均勻介質同等深度的水中，用ZC-8型接地電阻測量儀按接地電阻常規測法分別測出接地電阻的結果，見表1。


根據上述理論分析和模型試驗證明，接地電阻的大小主要取決于接地體周圍介質的電阻率，當接地體的軸心可視為等位體時，采用ρ0為的導電材料，雖然ρ。比金屬大上萬倍，然而能夠達到與金屬同等的接地效果。了解這一事實，對選擇經濟耐久的接地體材質上是極重要的。

　　過去曾經有一種傾向，認為接地體應全部采用良導體金屬材料，其ρ0愈小愈好，然而，客觀上對降低接地電阻的實際效果是微不足道的。

2　爆炸擴大降阻原理

　　埋在地下的炸藥，爆炸時產生大量的熾熱氣體和巨大壓力，將炸藥周圍的土壤壓縮，形成空洞，并使周圍介質密度顯著提高，以及形成放射狀裂縫。

　　根據試驗結果，當溫度不變，濕度為10%，單位壓力由0.02kg/cm2增加到0.2kg/cm2時，粘土的電阻率可降低到原來數值的65%，表明土壤密度愈大，其電阻率愈小。[3]

　　綜上所述，地下爆炸的物理作用，一方面使大接地體周圍介質的電阻率降低，另一方面有可能使導電物質（ 如土狀石墨礦粉）以很大的壓力擴散到土壤裂縫中去，從而擴大了導電物質與介質的接觸面積。通過上述兩種物理作用，可實現降低接地電阻的目的。

3 現場比較試驗

　　爆炸擴大地線與常規的角鋼地線的比較試驗。施工方法：鉆孔，將炸藥置于孔底，孔內充填導電物質（天然土狀石墨礦粉和水泥的混合漿），通電引爆，底部形成空腔，再把適量炸藥置入空腔，并充滿導電物質，第二次引爆，插入鋼筋，充填加固封口。

　　爆擴地線與角鋼地線埋深為2m，土質ρ值均為85Ω?m。角鋼規格為63×63×5mm，長度為2m，爆擴空腔為0.5m，硝銨炸藥量為0.1kg。

　　兩種地線的接地電阻經過九個月的重復測量，測得爆擴地線9Ω，角鋼地線27Ω。

　　現場比較試驗表明，爆擴地線的接地電阻比角鋼地線降低了三倍。在滿足相同接地電阻的條件下，可節省鋼材80~90%，同時還可大大縮小占地面積。

　　在比較試驗的基礎上，于1978年在襄渝線襄樊通信樞紐工程中，工作、屏蔽和保護三種地線，由于常規的地線受到周圍空地的局限，必須拆遷建筑物。為此選用了本文的爆擴地線及天然土狀石墨粉，接地體埋深7m；接地體的根數比常規地線減少2/3，從而避免了建筑物的拆遷，取得了十幾萬元的經濟效益。此種地線經過十多年來的運用實踐和反復測試，證明了接地效果穩定可靠。

4 結論

　　在地線材質方面，經理論分析和試驗證明，當接地體的軸心可視為等電位時，可采用ρ為的非金屬材料取代金屬材料，具有同等的接地效果。這點對于選擇經濟耐久的接地材質是極為重要的。

　　在降低接地電阻技術方面，在土質導電性差的地段，采用少量炸藥在地下孔內爆炸擴大的方法，既能提高介質的導電性，又能擴大導電物質與介質的接觸面積，從而明顯提高接地效果。比較試驗表明，可降低接地電阻2~3倍。

　　上述結論，對于地線工程中利用天然資源，節省金屬的消耗，降低接地電阻，縮小占地面積等方面，提供了新的途徑。

　　建議在接地設計中，測量土壤ρ值隨深度的變化曲線，選擇ρ值極小點作為爆擴地線的埋深。在碎石堆積，土質松散地段、凍土及沙石地帶更適宜爆擴技術的應用，其經濟效益將更加明顯。

參考文獻：

　　1、一機部編著，《接地和接零》，上海人民出版，1973年5月。

　　2、蘇聯郵電部技術管理局編《有線通信設備及有線廣播站接地裝置設計安裝與維護指南》，人民郵電出版社，1956年6月，6～9頁

　　3、CCITT，《電信裝置的接地手冊》，郵電部設計院譯，1975年，21～24頁