了解降低接地電極電阻的方法

當土壤電阻率很高并且對地電阻超過要求值時，可以使用特定技術來降低它。本文評估了降低接地電極電阻的各種方法。

接地電極有多種類型，從非常簡單到非常復雜，國家電氣規(guī)范 (NEC) 要求使用特定的方法。

在本練習中，我們選擇廣泛使用的電極類型：單接地棒。它是一根長金屬棒，通常是銅與鋼、鍍鋅鐵或不銹鋼粘合。

接地棒的長度為 240 厘米（8 英尺）和 300 厘米（10 英尺），具有三種直徑：1.270 厘米（1/2 英寸）、1.588 厘米（5/8 英寸）和 1.905 厘米（3/4 英寸） 。

NEC 要求棒電極和管電極的長度為 240 厘米（8 英尺）。住宅安裝中的典型尺寸為 240 厘米，工業(yè)和商業(yè)電力系統(tǒng)中的典型尺寸為 300 厘米。一般來說，不要切割接地棒。

我們將選擇 300 厘米的長度和三個直徑。

為了計算理論接地電阻，我們將使用由美籍加拿大電氣工程師赫伯特·布里斯托爾·德懷特 (Herbert Bristol Dwight) 開發(fā)的公式，該公式于 1936 年 12 月發(fā)表在 AIEE Transactions 上。

降低接地電阻的基本方法

如果接地棒的電阻不夠低，可以采用多種方法進行改進。

增加桿直徑

增加桿的長度

使用多根桿

處理土壤以降低其電阻率

為了計算一根桿的接地電阻，我們使用以下德懷特公式

R=?2πL(ln4La?1)

在哪里

R = 對地電阻

ρ = 土壤電阻率

L = 桿長

a = 桿半徑

請注意，在以下段落中，雖然標準桿厚度是直徑 (d)，但德懷特公式使用半徑 (a = d/2)。

1.增加桿的厚度

假設我們將一根 L = 300 cm、d = 1.270 cm 的標準接地棒埋在 ρ = 10,000 Ω·cm 的土壤中。使用 Dwight 公式，計算出的電阻為 35 Ω。

當單根接地棒的接地電阻超過 25 Ω 時，NEC 需要使用輔助電極。因此，我們決定使用較大直徑的棒來降低電阻，而不是粘合輔助電極。表 1 顯示了三種標準直徑的結果。

 

表1 桿徑的影響

分析表1，得到的電阻為33Ω，需要輔助電極。

圖 1 顯示了三個棒的電阻值（以較窄棒的電阻的百分比表示）。

桿直徑的影響

圖 1. 桿直徑的影響

如果土壤電阻率變化，接地電阻也會變化。百分比將保持不變。

我們從這個分析中得出結論，桿直徑對接地電阻沒有顯著影響。選擇較大直徑的桿僅出于機械考慮，因為這些桿可能會使用手動錘和氣動錘埋設。

2.增加桿的長度

接下來我們來看看增加接地棒長度的效果。接地棒可以堆疊并用專門設計的夾具連接，以將其延長到更深的地下。我們選擇了較大直徑的桿，以便它們更容易打入地下。

表 2 總結了打樁一根、兩根、三根和四根桿的效果。正如預期的那樣，將接地棒更深地插入地下會降低其電阻。

表2 桿長的影響

圖 2 顯示了延長接地棒的影響（以較短長度的電阻的百分比表示）。請注意，添加根桿時，阻力降低幅度。連接更多的桿會產生逐漸較小的阻力減少百分比。

桿長度的影響

圖2 桿長度的影響

通過對表 2 和圖 2 進行更深入的分析，我們可以建立一條經驗法則：將桿的長度加倍，阻力會減少約 45%。

向下驅動 300 厘米的桿的電阻為 33 Ω，向下驅動 600 厘米的桿的電阻為 18 Ω。應用 45% 規(guī)則：

33 Ω ? 0.45 = 14.85 Ω 減少。

那么，33 Ω - 14.85 Ω ≈ 18 Ω。

另一個示例顯示從 600 厘米移動到 1,200 厘米。

從表2可知，向下驅動600厘米的桿的電阻為18Ω，向下驅動1,200厘米的桿的電阻為10Ω。

18 Ω 0.45 = 8.1 Ω 減少。

那么，18 Ω - 8.1 Ω ≈ 10 Ω。

表 2 的一欄“減少百分比”不應與這條經驗法則相混淆，因為這些百分比始終指的是短的桿。

德懷特公式假設土壤均質，即電阻率恒定。在現(xiàn)實生活中，這些土壤非常罕見。然后，當埋桿時，我們會發(fā)現(xiàn)幾層電阻率不同的層。如果下層的電阻率低于地表電阻率，則接地電極的電阻結果將低于本練習中計算的電阻率。如果我們發(fā)現(xiàn)電阻率較高的地層，則會發(fā)生相反的情況。

較低的地層通常更潮濕，這意味著電阻率較小。但這并不是一個固定的規(guī)則。因此，在設計接地電極之前，有必要進行電阻率測量并建立土壤模型。

此外，在低溫時期，上層會凍結，使電阻率達到無窮大。接地棒在凍結層中的部分增加了電極的電阻。

3. 多棒的使用

減少接地電阻的另一種方法是添加多個桿。在本練習中，我們將使用兩根桿和德懷特方程 R=?4πL(ln4La?1)+?4πs(1?L23s2+2L45s4+...)在哪里

s = 間距

桿尺寸：L = 300 cm，d = 1.588 cm。

NEC 要求間距為 180 厘米（6 英尺）。

表 3 總結了兩根桿在五個間距值下的電阻，圖 3 顯示了僅一根桿的電阻的百分比。

表3 棒分離的影響

打入地下的兩根桿提供平行路徑，但兩個電阻并聯(lián)的規(guī)則不適用，即，所得電阻不是其中之一的二分之一。

桿間距的影響

圖3 桿間距的影響

檢查表 3 和圖 3，我們發(fā)現(xiàn)電阻隨著間距的增加而減小，從 41.61% 減小到 48.48%。值得注意的是，在個間距值處，電阻大幅下降，但進一步的下降要小得多。

這些結果表明，阻力隨著間距的增加而減小，因此建議將桿的間距設置得比其浸沒長度更遠。

4. 處理土壤以降低其電阻率

當由于巖石或其他原因無法將接地棒打得更深，并且添加接地棒并不能降低接地電阻時，化學土壤處理是一個很好的選擇。

化學處理方法改變了電極周圍土壤的性質。它利用了這樣一個事實：靠近電極的層占接地電阻的部分。因此，用一種或多種化學物質替換少量的原始土壤可以顯著降低土壤的電阻。

如果我們使用單個接地棒的德懷特公式來計算作為土壤電阻率函數(shù)的電阻變化，并保持接地棒的長度和半徑不變，則該公式可簡化為R = k

ρ

因此，電阻與土壤電阻率成正比。這是一個重要的結果，因為它表明土壤電阻率強烈影響整體電阻。

表 4 和圖 4 顯示電阻隨土壤電阻率降低而降低。

表4 土壤處理效果

處理土壤的效果

圖4 土壤處理效果

一些產生離子的化學品包括：

硫酸鎂（瀉鹽）

硫酸銅（藍礬）

氯化鈣

氯化鈉（食鹽）

硝酸鉀（硝石