从图中可以看出有三个接地点:B,E,D,通常B和E两点都在计算机这一侧。可以连在一起,形成一点接地。而D点是变送器外壳在现场的接地,若现场和控制室两接地点间有电位差存在,那么, D点和E点的电位就不同了。假设我们以E作为参考点,假定是D点出现10V的电势,此时,A点和E点的电位仍为24V,那么A和D间就可能有34V的电位差了,己超过安全极限电位差,但齐纳管不会被击穿,因为A和E间的电位差没变,因而起不到保护作用。这时如果不小心现场的信号线碰到外壳上,就可能引起火花,可能会点燃周围的可燃性气体,这样的系统也就不具备本安性能了。所以,在涉及到安全栅的接地系统设计与实施时,一定要保证D点和B(E)点的电位近似相等。在具体实践中可以用以下方法解决此问题:用一根较粗的导线将D点与B点连接起来,来保证D点与B点的电位比较接近。另一种就是利用统一的接地网,将它们分别接到接地网上,这样,如果接地网的本身电阻很少,再用较好的连接,也能保证D点和B点的电位近似相等。但注意,此接地一定不要与上面几种接地发生冲突。
以上讨论了几种接地的方法和注意事项。在不同的系统中,对这几种接地的组态要求不同,但大多数系统对AG的接地电阻一般要求I欧姆以下,而安全栅的接地电阻应<4欧姆,最好<1欧姆,PG和CG的接地电阻应小于4欧姆。
三、接地网的建设:
接地网是在接地系统的基础,由接地环(网)、接地极(体)和引下线组成,以往常有种误解,把接地环作为接地的主体,很少使用接地体,在接地要求不高或地质条件相当优越的情况下,接地环也能够起到接地的作用,但是通常的情况下,这是不可行的,接地环可以起到辅助接地地作用,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,下面先来分析一下计算传统地网接地电阻的公式(仅以接地环接地时)。
式中:
р(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(m) ;
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,但是耗材太大而且效果并不理想。
单使用接地环要达到某个接地电阻值,接地环包围的面积S和土壤电阻率有关。我们以一个城市常见的土壤电阻率200Ω.m来分析,要做接地电阻1Ω的地网站地应为10000平方。即使,对于大型建筑物而言,本身站地很大,也最多可以建设一个这样的地网,但是对于这样大型的建筑即使是以联合接地的办法,考虑到要求独立地的设备,一个地网是远远不够的。在建筑林立的城市和地形复杂的山地要求大面积可供施工的的土质空地是不太可能的,及时在地理条件许可的地方,由于开挖量大、耗材多,费工费料工程费用高,是不可取的。
所以,需要运用更好的接地材料和施工设计方法。
要达到设计接地电阻要求,克服环境条件的制约,有把握的达到良好稳定的接地效果,应从三方面入手进行施工设计。
(一)、因地制宜的设计方案
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。这里常常有个误区,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就决定了周围环境对工程效果的决定性的影响,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的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。
广泛使用的接地工程材料有各种金属材料(最常用的如扁钢)、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(有的地区每年都需要改造),维护费用比较高,但是从传统金属接地极(体)中派生出类特殊结构的接地体(带电解质材料),使用效果比较好,一般称为离子9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。降阻剂分为化学将阻剂和物理降阻剂,化学降阻剂自从发现有污染水源事故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)。
在以下的讨论中以非金属接地块、物理降阻剂和离子接地系统为代表进行探讨。
下面将设计中考虑的主要因素进行简要的说明。
1、地网形式
地网的形状直接影响接地达到的效果和达到设计要求所需要的地网站地积。首先应建立接地环(或接地面),提倡使用水平接地极(常用的是外部接地环)和水平垂直接地体配合使用。在很容易达到接地目的,要求低的接地中可以选用平面的接地方法(接地环接地);一般应用接地体和接地环配合使用,形成三维的结构。
三维的接地有三种不同类型:等长接地、非等长接地和法拉第笼式接地。
等长接地用相同的接地体,这种方式接地体的埋设深度基本一致,施工方便同时可以取得较好的效果。
非等长接地是更科学的接地方式,采用不同的接地体相互配合,由于接地体长度和埋设深度不同,大大的加大了等势面积,突破地网面积局限。要求设计人员对多种接地工艺有一定认识,本身施工并不困难,使用得当可以完成相当难度的接地工程。这种方法夜叫“半法拉第笼”接地工艺。
法拉第笼式接地是多层水平接地网,用垂直接地体相互连接形成笼式结构。由于施工量大,并不常用。
在设计中还应考虑地网肌肤效应、跨步电压等因数。
2、岩土条件
(1)岩土类型
岩土直接关系接地的难度,设计中最重要的参数之一就是的是岩土的土壤电阻率,但仅仅考虑土壤这个参数是不够的,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,在间隙中开挖灌降阻剂效果很好。阿坝卡吉岭通讯机站,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)地形制约
施工环境常常是受到各种情况的制约,按照理想的模式考虑大面积的地网是不现实的。
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,考虑季节因数,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。
(3)含水情况
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,当含水量超过饱以后,接地效果反而不好。
当地底下有潮湿,接地体深入到这一层时,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1200欧,使用接地块240块,接地电阻达到1欧以下;同样的,湖南柯壶口变电所也是1200欧的从土壤电阻率,地表破碎沙石层,但是开挖150mm发现潮湿土层,埋设接地块80只,原预计达到4欧的地网,结果达到了1.2欧。
(二)、施工工艺
真确的施工工艺才能达到良好的设计的实施效果,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30mm以上。接地用的钢材一般有50mm×50mm×4mm或50mm×50mm×5mm角钢;40mm×4mm或40mm×5mm的扁钢;ф 50mm、h>3mm的钢管。角钢对角线长的约为70mm,短的约为56.6mm。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。
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