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接地电阻的初步知识

2020-04-13 11:39
可靠性杂坛
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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。

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。

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

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。

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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