一種接地材質(zhì)及接地技術(shù)的研究
摘 要：本文在接地材質(zhì)上提出了當(dāng)接地體的軸心可視為等電位時(shí)，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(zhì)的選擇提供了新的途徑。在接地技術(shù)上，提出了爆炸擴(kuò)大的降低接地電阻方法，一般可降低接地電阻2~3倍。
關(guān)鍵詞：接地電阻、電阻率、非金屬材料、爆擴(kuò)
引言
過去在接地工程中，絕大多數(shù)采用鋼材人工埋設(shè)，在土質(zhì)導(dǎo)電差的地區(qū)，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(lián)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(jīng)使用過多種方法，如：換土法、層疊法、及化學(xué)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(zhì)，容易溶解流散失效，不能持久。此外，有些化學(xué)物質(zhì)有一定毒性，存在收縮、老化及不耐高溫的弱點(diǎn)[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(wěn)定性能，節(jié)約鋼材的消耗等方面，已成為研究工作的突出課題。
針對(duì)上述問題，本文研究了使用耐腐蝕的非金屬材料，運(yùn)用地下爆炸擴(kuò)大的物理作用，實(shí)現(xiàn)降低接地電阻的方法。
1 接地材質(zhì)導(dǎo)電率要求的分析
根據(jù)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(guān)鍵在于接地體電阻是否達(dá)到可以忽略的程度。
由計(jì)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(zhǎng)度L橫截面S有關(guān)，而L、S又取決于電流在物體內(nèi)的流動(dòng)方式。
地線中接地體的導(dǎo)電方式區(qū)別于輸電導(dǎo)線，即電流進(jìn)入接地體后向周圍介質(zhì)擴(kuò)散，屬于三度體的擴(kuò)散傳導(dǎo)方式。而輸電線則屬于一度體的線型傳導(dǎo)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(shí)，若增大S縮小L，根據(jù)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(zhì)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(jié)到定量分析，即計(jì)算接地體本身電阻及其可能允許的數(shù)值。
設(shè)有一園柱狀非金屬接地體，園柱軸心為等電位導(dǎo)線，其半徑為γ0，園柱體長(zhǎng)度為ι，半徑為γ，垂直埋入均勻介質(zhì)中。求接地體本身的電阻R0。
對(duì)于上述接地模型，當(dāng)電流從等位導(dǎo)線流入后向園柱體流出時(shí)，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(jì)算整個(gè)接地園柱體的電阻，必須把園柱體劃分為無數(shù)個(gè)壁厚為dR0，那么根據(jù)計(jì)算物體電阻的公式，dR0可表示為：
dR0=ρ×dγ/ 2πγι <1>
整個(gè)園柱體的電阻，可對(duì)<1>式進(jìn)行積分后得出：
R0=ρ0(ιn γ1 -ιn γ0)/ 2πι <2>
從<2>式可見，當(dāng)柱體軸心可視為等電位的條件下，接地體的電阻與柱體長(zhǎng)度成反比，與材料電阻率和柱體半徑的對(duì)數(shù)成正比。
設(shè) ι=250cm， r1=5cm， r0=0.2cm，將這些參數(shù)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(zhì)頁巖、煤礦等。從而為選擇經(jīng)濟(jì)耐久的接地體材質(zhì)提供了新途徑。
我們作了這樣的模型試驗(yàn)，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(yù)埋直徑4mm的鍍鋅鐵線，分別埋入均勻介質(zhì)同等深度的水中，用ZC-8型接地電阻測(cè)量?jī)x按接地電阻常規(guī)測(cè)法分別測(cè)出接地電阻的結(jié)果，見表1。
根據(jù)上述理論分析和模型試驗(yàn)證明，接地電阻的大小主要取決于接地體周圍介質(zhì)的電阻率，當(dāng)接地體的軸心可視為等位體時(shí)，采用ρ0為的導(dǎo)電材料，雖然ρ。比金屬大上萬倍，然而能夠達(dá)到與金屬同等的接地效果。了解這一事實(shí)，對(duì)選擇經(jīng)濟(jì)耐久的接地體材質(zhì)上是極重要的。
過去曾經(jīng)有一種傾向，認(rèn)為接地體應(yīng)全部采用良導(dǎo)體金屬材料，其ρ0愈小愈好，然而，客觀上對(duì)降低接地電阻的實(shí)際效果是微不足道的。
2 爆炸擴(kuò)大降阻原理
埋在地下的炸藥，爆炸時(shí)產(chǎn)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(zhì)密度顯著提高，以及形成放射狀裂縫。
根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)溫度不變，濕度為10%，單位壓力由0.02kg/cm2增加到0.2kg/cm2時(shí)，粘土的電阻率可降低到原來數(shù)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(zhì)的電阻率降低，另一方面有可能使導(dǎo)電物質(zhì)（ 如土狀石墨礦粉）以很大的壓力擴(kuò)散到土壤裂縫中去，從而擴(kuò)大了導(dǎo)電物質(zhì)與介質(zhì)的接觸面積。通過上述兩種物理作用，可實(shí)現(xiàn)降低接地電阻的目的。
3 現(xiàn)場(chǎng)比較試驗(yàn)
爆炸擴(kuò)大地線與常規(guī)的角鋼地線的比較試驗(yàn)。施工方法：鉆孔，將炸藥置于孔底，孔內(nèi)充填導(dǎo)電物質(zhì)（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(dǎo)電物質(zhì)，第二次引爆，插入鋼筋，充填加固封口。
爆擴(kuò)地線與角鋼地線埋深為2m，土質(zhì)ρ值均為85Ω?m。角鋼規(guī)格為63×63×5mm，長(zhǎng)度為2m，爆擴(kuò)空腔為0.5m，硝銨炸藥量為0.1kg。
兩種地線的接地電阻經(jīng)過九個(gè)月的重復(fù)測(cè)量，測(cè)得爆擴(kuò)地線9Ω，角鋼地線27Ω。
現(xiàn)場(chǎng)比較試驗(yàn)表明，爆擴(kuò)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(jié)省鋼材80~90%，同時(shí)還可大大縮小占地面積。
在比較試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，于1978年在襄渝線襄樊通信樞紐工程中，工作、屏蔽和保護(hù)三種地線，由于常規(guī)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(kuò)地線及天然土狀石墨粉，接地體埋深7m；接地體的根數(shù)比常規(guī)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(jīng)濟(jì)效益。此種地線經(jīng)過十多年來的運(yùn)用實(shí)踐和反復(fù)測(cè)試，證明了接地效果穩(wěn)定可靠。
4 結(jié)論
在地線材質(zhì)方面，經(jīng)理論分析和試驗(yàn)證明，當(dāng)接地體的軸心可視為等電位時(shí)，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(diǎn)對(duì)于選擇經(jīng)濟(jì)耐久的接地材質(zhì)是極為重要的。
在降低接地電阻技術(shù)方面，在土質(zhì)導(dǎo)電性差的地段，采用少量炸藥在地下孔內(nèi)爆炸擴(kuò)大的方法，既能提高介質(zhì)的導(dǎo)電性，又能擴(kuò)大導(dǎo)電物質(zhì)與介質(zhì)的接觸面積，從而明顯提高接地效果。比較試驗(yàn)表明，可降低接地電阻2~3倍。
上述結(jié)論，對(duì)于地線工程中利用天然資源，節(jié)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(shè)計(jì)中，測(cè)量土壤ρ值隨深度的變化曲線，選擇ρ值極小點(diǎn)作為爆擴(kuò)地線的埋深。在碎石堆積，土質(zhì)松散地段、凍土及沙石地帶更適宜爆擴(kuò)技術(shù)的應(yīng)用，其經(jīng)濟(jì)效益將更加明顯。
參考文獻(xiàn)：
1、一機(jī)部編著，《接地和接零》，上海人民出版，1973年5月。
2、蘇聯(lián)郵電部技術(shù)管理局編《有線通信設(shè)備及有線廣播站接地裝置設(shè)計(jì)安裝與維護(hù)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(cè)》，郵電部設(shè)計(jì)院譯，1975年，21～24頁