野外條件下裝備接地電阻分析及降低方法

摘? 要：文章在對裝備接地裝置特性分析的基礎上，采用定性分析方法，總結了影響接地電阻的關鍵因素。通過定量計算，分析了接地電阻與接地棒物理特性、不同形狀接地體之間的線性與對數關系。建立接地電阻分析模型并結合裝備實際，從降低土壤電阻率、溫度、濕度、優(yōu)化接地體形狀四個方面給出具體方法。最后，使用實體裝備進行了降阻實驗，驗證了方法的可行性，為野外條件下裝備接地電阻改善提供了有益參考。

關鍵詞：裝備；野外；接地電阻；土壤電阻率

中圖分類號：TM05? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）05-0064-04

Resistance Analysis and Reducing Method of Equipment Ground in Field Conditions

HUANG Qiang

（63889 Troops of PLA， Jiaozuo? 454750， China）

Abstract： Based on the analysis of equipment grounding device characteristics， this paper adopts the method of quantitative analysis， concludes the key factors that impact the ground resistance. Through quantitative calculation， it analyzes the physical characteristics of ground resistance and ground rod， linearity and logarithm relation of ground rods with different shapes. It builds ground resistance analysis model and combines the practice of equipment， gives specific methods from four aspects of reducing the soil resistivity， temperature， humidity and optimizing ground rod shape. At last， it uses physical equipment to perform resistance reduction experiments， proves the feasibility of this method， and provides beneficial reference in improving the equipment ground resistance in field conditions.

Keywords： equipment; field; ground resistance; soil resistivity

0? 引? 言

近年來，在實戰(zhàn)化軍事訓練思想的指導下，實兵對抗、基地化訓練、體系演練等全要素訓練更加經常，赴邊疆、登海島、進沙漠、上高山等環(huán)境對裝備保障提出更高要求。裝備接地是保證裝備正常運行的關鍵因素，良好的接地特性可有效降低或預防雷擊損壞、感應電勢導致器件損傷、靜電放電引發(fā)火災等問題。野外條件下，如何利用有限資源，保證裝備接地電阻滿足裝備運行要求是亟須解決的問題。

1? 裝備接地電阻特性分析

裝備接地電阻就是電流由接地設備流入大地再經大地流向另一接地體或向遠處擴散所遇到的電阻，它包括接地線和接地體本身的電阻、接地體與大地之間的接觸電阻以及接地體到無限遠處的大地電阻。在此對接地線、接地體本身的電阻特性進行分析。通常裝備使用直徑為1.4 cm、1.6 cm、1.8 cm、2.0 cm、3.5 cm、5 cm，長度為90 cm、120 cm、150 cm的鍍銅包鋼或鍍鋅包鋼接地棒，經實測，電阻值在0.1 Ω～0.5 Ω；直徑為0.5 cm、1 cm、2 cm的帶頭膠皮防護的銅線或2.5 mm2，4 mm2，6 mm2的軟膠銅線，長度為3 m～30 m，經實測，電阻值為0 Ω～0.3 Ω。綜上，裝備采用的接地線和接地體本身電阻值范圍為0.1 Ω～0.8 Ω。

裝備接地可分為工作接地、保護接地、防雷接地和靜電接地?！督ㄖ锓览自O計規(guī)范》和國際標準接地電阻規(guī)范對接地電阻均有明確規(guī)定，防雷感應的接地裝置工頻接地電阻不應大于10 Ω，機房接地與防雷系統(tǒng)共用接地時接地電阻要求小于1 Ω，計算機交流工作接地時接地電阻不應大于4 Ω，獨立的安全保護和交流工作接地不應大于4 Ω，防靜電接地電阻不應大于100 Ω。隨著大規(guī)模集成電路和器件工藝更新，裝備在設計與功能實現時，單相負荷小于或等于500 V時，要求設備接地電阻不大于10 Ω。

2? 接地電阻特性定量分析

野外條件下，裝備通過單根接地棒、水平接地體以及任意形狀接地體接地，下面對不同條件下接地電阻進行分析。

2.1? 單根接地棒在同一土壤中接地電阻

垂直入地的接地棒可以看作一系列埋入地下的球體單元，把這些單元球體的對地電阻值沿接地棒的長度及其鏡像點積分，即得單根垂直入地接地棒對地接地電阻：

（1）

式中：d表示接地棒的直徑（m），l表示接地棒的長度（m），ρ表示土壤電阻率（Ω·m）。

野外條件下，常見的土壤有砂質黏土、黃土、多石土壤、砂礫、碎石、海水等，不同類型土壤電阻率（Ω·m）如表1所示。

較為常見的直徑5 cm、長度1.5 m（接地棒1），直徑3.5 cm、長度1.2 m（接地棒2），直徑2 cm、長度90 cm（接地棒3）的接地棒在不同土壤中的接地電阻（Ω）如表2所示。

從表1、表2可知，三種類型的接地棒，在海水中接地電阻小于1 Ω，滿足裝備接地要求；而在黏土、黃土、多石土壤、砂礫、碎石環(huán)境中，直接使用三種接地棒無法滿足裝備使用要求。

2.2? 多根接地棒一行排列的接地電阻

野外條件下，為達到所要求的接地電阻，有時埋設多根接地棒進行并聯，由于相鄰接地棒之間的磁場作用阻止電流擴散，即等效增加了每根接地棒的接地電阻，接地體的接地電阻并不等于單根接地棒接地電阻的并聯值，而增加了一個利用系數，計算公式為：

R=R1（η×n）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中：R1表示單根垂直接地體的接地電阻（Ω）；η表示接地體的利用系數，在0.9～0.95之間取值；n表示并聯根數。

2.3? 水平埋設接地體的接地電阻

在野外條件下，一般水平埋設接地體采用扁鋼、角鐵或圓鋼等，接地電阻公式為[1]：

（3）

式中：L表示水平接地體總長度（m），h表示接地體埋設深度（m），d表示水平接地極的直徑或等效直徑（m），A表示水平接地體結構形式修正系數（視水平接地體形狀在-0.6～5.65之間取值）。

因野外條件有限，采用水平方式接地時，水平接地體一般呈一字型、L型、人字型、十字型、大字型、米字型，其形狀系數分別為-0.6、-0.18、0、0.89、2.19、5.65。

以常用的3 m鋼管為材料連接形成水平接地體，埋設深度0.3 m、1 m時，不同土壤中接地電阻如表3、表4所示。從表3、表4數據可知，隨著接地體形狀和系數的變化，同種土壤中，接地電阻呈下降趨勢。單根長度為3 m鋼管搭建的水平接地體，埋設深度為0.3 m時僅能在電阻率較低的砂質黏土中使用，在黃土、多石土壤、砂礫、碎石等無法使用，不滿足裝備使用需求。增加埋設深度至1 m，接地電阻有所改善，但還是只能在電阻率較低的海水、砂質黏土中使用，盡管人字型接地體在黃土中接地電阻可到8.61 Ω，但不可避免作業(yè)工藝導致接地電阻增大。在高電阻率土壤中，水平接地體的接地電阻距裝備接地電阻小于10 Ω要求還相差很大，水平接地體很難通過單一增加深度降低接地電阻達到裝備使用要求。

2.4? 垂直接地棒穿過兩層土壤時接地電阻

當垂直接地棒穿過電阻率為ρ1（上層，高度為H）、ρ2（下層，高度為L）不同的兩層土壤時，接地電阻計算公式為[2]：

（4）

當L＜H時，ρα=ρ1；當L＞H時：

；

由上式可知，土壤電阻率對接地電阻影響較大，且與接地棒穿過土壤層高度有關。當下層土壤電阻率較低時，將接地棒的長度延長至下層土壤越長，降阻越明顯；當下層土壤電阻率高于上層土壤電阻率時，將接地棒延長到下層土壤的意義并不大。

3? 影響接地電阻的因素

3.1? 自身物理特性

接地裝置由接地線、接地端子、接地極等組成，不同材質的接地裝置自身電阻有一定差異，銀、銅、鋁、鐵等金屬在20 ℃時電阻率分別為1.65×10-8 Ω·m、1.75×10-8 Ω·m、2.83×10-8 Ω·m、9.78×10-8 Ω·m，其自身電阻大小與電阻率成正比，與橫截面積成反比。

3.2? 環(huán)境因素

在土壤類別方面，不同類型的土壤電阻率隨著土壤類別不同會有很大的變化，金屬類材料的電阻率在10-8 Ω·m左右，土質材料的電阻率在幾十至幾百Ω·m，砂礫的電阻率在1 000 Ω·m左右，巖石的電阻率在5 000 Ω·m以上，河水、海水則一般低于50 Ω·m。

在溫度、濕度方面，同一類型土壤的電阻率隨著土壤的溫度、濕度和鹽的濃度變化相差百倍甚至千倍。同樣的黏土在地下水含鹽堿的區(qū)域電阻率為20 Ω·m左右，在少雨或沙漠區(qū)域電阻率則達到大幾百Ω·m；多雨地區(qū)的砂礫電阻率為300 Ω·m左右，在少雨或沙漠區(qū)域電阻率則達到幾千Ω·m。整體趨勢是，0 ℃以上時，土壤的電阻率變化較為緩慢，低于0 ℃時，電阻率大幅增加；土壤電阻率主要為孔徑水電阻率和土壤顆粒電阻率，并隨含水量的增大呈對數遞減關系[3]；當土壤含水量小于30%時，接地電阻隨著土壤含水率增加而減少，土壤含水率在15%～30%之間變化時，對接地電阻影響最為顯著；當土壤含水率在30%～75%時，接地電阻變化明顯緩慢，當土壤含水率大于75%時，土壤中的電解質濃度降低，導電性能變差，接地電阻增加[4]。

3.3? 施工工藝

接地棒周圍的土壤可以等效為由均勻厚度的土壤殼體組成，接地電阻由每個土壤殼體的增量電阻合成，增量電阻與電流流動方向的通路的增量長度、土壤的電阻率成正比，與大地最大有效接觸面積成反比。接地棒周圍土壤的致密性對土壤電阻率也有一定的影響，實驗表明，當黏土的含水量為10%，溫度不變條件下，單位壓力由1 961 Pa增大10倍到19 610 Pa時，電阻率可下降到原來的65%[5，6]。在接地棒接地時，力求全部插入土壤，且其周圍壓實壓緊，以求最大面積接觸減小電阻率；并對接地極打磨除銹，降低自身接地電阻。

4? 降低接地電阻的措施

從上式公式推導與計算中不難發(fā)現，接地電阻大小與土壤電阻率成正比，與接地棒的長度近似成反比，與接地棒長度和直徑之比呈對數關系，隨溫度、濕度的增大而減小，并在溫度值、濕度值、接地極數量、接地極深度到達一定時，接地電阻變化趨于平緩，且濕度過大時接地電阻反而呈增大趨勢。綜合上述分析，可建立接地電阻分析模型R=ρ/（ηtηwηs）ln（l/d）+R0，式中ηt為土壤電阻率改善因子，ηw為溫度改善因子，ηs為濕度改善因子，R0為接地裝置自身電阻。

4.1? 土壤電阻率改善

在工程實踐中，常用換土法[7，8]降低電阻率，但裝備在野外保障任務時，隨裝帶低電阻率的土壤和工程機械，不便于實現。只能從改善局部土壤著手，以接地棒為中心向外拓寬，對于一根3 m長的接地棒來說，其接地電阻的85%在接地棒周圍3 m范圍建立的，根據同樣公式計算，對于裝備常用的0.9 m、1.2 m、1.5 m接地棒，其接地電阻的82.1%、81.0%、81.9%在接地棒周圍的0.9 m、1.2 m、1.5 m處建立；以接地棒為中心向下延伸，據測試，接近大地表面處每單位長度流入土壤中的電流比接地棒較下端流入土壤中的電流要大，靠近導體的土壤所發(fā)生的變化對于接地棒與大地的接觸電阻有顯著的影響。具體改善方法為：以接地棒為中心，在切面上采取逐步拓寬的原則進行降阻材料鋪設，分別為對接地棒腐蝕較小的、電阻率最低的金屬屑與降阻劑層、電阻率較低且鎖水較好的木炭與木屑層和電阻率較低、腐蝕性較大的工業(yè)鹽層；在縱向上，采取分層鋪設、逐級濕潤、夯實壓緊的原則進行降電阻率材料鋪設，如圖1所示。盡量采取最小的動作，增大土壤電阻率改善因子。

4.2? 溫度改善

在工程實踐中，綜合考慮費效比和穩(wěn)定性，一般不采取改善溫度的方法來降低接地電阻。但在野外條件下進行裝備保障時，裝備陣地轉移快、工作時間短，對接地電阻長期穩(wěn)定性要求低，所以在進行接地棒位置選擇時，一是可選擇泉眼、河流等濕度和溫度較高的區(qū)域，二是利用車輛排氣筒、生火加熱或者開水加熱等方式對局部土壤溫度加熱，保證接地棒周圍的溫度在0 ℃以上，防止接地電阻出現較大范圍波動。

4.3? 濕度改善

砂礫、碎石、巖石或者風大、少雨區(qū)域，土壤的濕度低，土壤電阻率相對較大。針對該類區(qū)域，在做好土壤電阻率改善的基礎上，重在要進行土壤電阻率降阻區(qū)域的保濕養(yǎng)護，利用“一點多漏”的方法進行灌注保濕，“一點”即以接地棒中心為原點澆水保濕，“多漏”即在接地棒周圍以等角度等距離打入鋼管，在鋼管上每隔10～15 cm左右鉆孔，再把工業(yè)鹽或降阻劑等物品的飽和溶液灌入管中，液體長期滲透，讓土壤濕度保持在30%～75%，從而保證接地電阻穩(wěn)定在一定范圍。

4.4? 接地體形狀改善

在環(huán)境較為惡劣的區(qū)域，單根接地棒的接地電阻無法達到裝備使用需求時，可采用多根接地棒并聯、垂直接地棒與水平接地體并聯組成柵格方式進行降阻。當使用2根接地棒并聯，利用系數為0.9時，理論上接地電阻可降為原來的56%。對于多層土壤，當上層土壤電阻率比下層土壤電阻率大時，增加棒的數目對降低接地網接地電阻效果是明顯的，但是增加到一定程度時趨于飽和，這是因為數量到達一定后導體之間的屏蔽效應阻礙了電流的散流[9]。接地體形狀改善的具體方法有兩種：一是將接地棒排成行或環(huán)形，而且相鄰接地體之間的距離一般視作業(yè)區(qū)域大小取接地體長度的1～3倍，防止接地體之間的磁場作用阻止電流擴散。二是采用多接地線構設水平接地體，如米字型、大字型等，與垂直接地棒并聯降低接地電阻，如接地電阻無法達到要求，可在長度和面積上進行延伸。

5? 實驗及分析

為驗證上述方法可行性，分別在黃土（河南）、砂礫（甘肅）、碎石（西藏）三種不同土壤區(qū)域進行降阻實驗，土壤溫度8 ℃±2 ℃。采用4根長度1.2 m、直徑3.5 cm的銅包鋼接地棒，利用鐵屑、木炭、食鹽輔助降阻，鐵屑與木炭為第一層（層厚30 cm）包裹接地樁，食鹽與土壤1：1混合形成第二層（層厚60 cm），接地樁周圍挖深1.5 m，采用一行并聯連接，基于三點式電壓落差法[10]利用數字式接地電阻測試儀進行測試，每次數據測量三次求平均進行記錄，實驗數據如表5所示。

從上述實驗數據可知，在電阻率低于200 Ω·m的土壤中，可采用針對單根接地棒降阻的方法使該型接地棒接地電阻達到裝備使用要求；在砂礫土壤中，需四根降阻后的接地棒并聯方能達到裝備使用要求；在碎石中，四根接地棒并聯后也未達到裝備使用要求。分析上述數據，接地棒的接地電阻未達到理想效果的原因可能為：一是在砂礫、碎石土壤中，砂、石黏性不夠，盡管接地棒與土壤周圍土壤經過壓實，但是壓力不夠；二是砂、石和降阻材料鐵屑、木炭顆粒夯實后，仍呈顆粒狀，顆粒之間間隙較大[11]，土壤顆粒電阻率降低效果不明顯。針對實驗結果，還可采用物理降阻劑和LTD全壽命單元與鍍鋅角鋼相結合[12]進行進一步降阻，可滿足裝備使用需求。

6? 結? 論

實戰(zhàn)化條件下，裝備工作環(huán)境復雜，接地是保護裝備工作的重要措施。通過定性分析和定量計算，找出了影響裝備接地電阻的關鍵因素，給出了適宜于野外條件下的措施方法，并通過實驗驗證，證明了方法的可行性、有效性。

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作者簡介：黃強（1987—），男，漢族，湖北荊門人，分隊長， 主要研究方向：雷達裝備保障及運用。

收稿日期：2022-10-18