CN104953434A - 新型多针式垂直接地系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及新型多针式垂直接地系统设计方法，属于电气工程领域。步骤如下：(1)根据建筑或设备的国家标准和实际需求，设定系统的接地电阻；(2)根据现场实地勘测确定垂直接地体可埋设的深度，确定多针式垂直接地体长度；(3)计算单根多针式垂直接地体埋入土壤时的工频接地电阻；(4)新型多针式垂直接地系统结构形状为同心圆，以同心圆层数最少和每根多针式垂直接地体到中心多针式垂直接地体的连接线距离最短为依据，确定同心圆层数、多针式垂直接地体数目以及新型多针式垂直接地系统中每根多针式垂直接地体和连接线的具体位置；(5)分析最高工作频率下新型多针式垂直接地系统的接地电阻。

Description

新型多针式垂直接地系统设计方法

技术领域

本发明涉及新型多针式垂直接地系统设计方法，属于电气工程领域。

背景技术

接地系统是对埋在地下一定深度的接地极和接地极周围土壤的一种总称，分为水平接地系统和垂直接地系统两种型式。接地系统作为最常用的防护手段，广泛应用在国民经济各行业中，对设备和人身安全起着至关重要的作用。

现阶段国内外对降低接地电阻的研究主要集中在改变土壤性能和扩大地网面积以增大散流面积这两个方面。我国建筑的接地系统普遍采用水平接地的型式，尽可能减小环境受到雷击时的冲击电阻，以便通过接地系统迅速将强大的雷电流迅速泄放到大地，水平接地在不考虑占地面积限制的情况下，容易满足系统对接地参数的要求。

但是随着我国城市化进程日益加快，土地资源越来越匮乏，为了满足接地电阻的要求，无限制地增加水平接地网的面积显然不切实际；同时，兆赫兹以上的高频设备运用越来越广泛，接地系统也将越来越多的运用于高频电气设备的保护。

因此，土地资源的匮乏和高频设备的广泛应用决定了接地系统小型化和高频化的发展趋势，研究新型接地系统减小接地系统占地面积，研究接地系统高频性能并实现新型接地系统的高频应用，对解决现有接地问题意义重大。

2014年大连理工大学文建的硕士学位论文《多针式垂直接地系统研究及其高频应用》中，针对大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室实验设备的高频问题，深入研究高频条件下接地电阻的影响因素，将田字形结构的多针式垂直接地系统应用其中。但随着多针式垂直接地体数量的增加，普通方形结构的接地系统不能使多针式垂直接地体均匀地分布，也就达不到快速泄放大电流和高频条件下应用的需求。

针对接地系统小型化和高频应用下的技术难题，发明了新型多针式垂直接地系统设计方法。

发明内容

为了克服上述的不足，本发明提供了新型多针式垂直接地系统设计方法。

本发明通过多针式垂直接地体设计、新型多针式垂直接地系统结构设计、最高工作频率下接地电阻分析，实现新型多针式垂直接地系统设计，解决接地系统小型化和高频应用下的技术难题。

新型多针式垂直接地系统设计方法，包括如下步骤：

(1)根据建筑或设备的国家标准和实际需求，设定新型多针式垂直接地系统的接地电阻R；

(2)根据现场实地勘测确定垂直接地体可埋设的深度，确定多针式垂直接地体长度为2.5-5m；多针式垂直接地体选用导电性能优良的导体作为材料，直径为25mm，其上每隔50mm垂直焊接一圈均匀分布的四个长25mm、直径4mm、尖端曲率0.2mm的针状放电极；

(3)测量现场土壤电阻率，利用公式(1)计算出单根多针式垂直接地体埋入土壤时的工频接地电阻R₁

$R_1=\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\πl}}(\ln \frac{8l}{d}-1)---\left(1\right)$

公式(1)中，R₁、ρ、l、d分别为单根多针式垂直接地体接地电阻(Ω)、土壤电阻率(Ω·m)、多针式垂直接地体长度(m)、多针式垂直接地体等效直径即为垂直接地体直径和两根针状放电极的长度之和(m)；

(4)新型多针式垂直接地系统结构设计

新型多针式垂直接地系统结构形状为同心圆，中心处设有与接地引下线相连接的多针式垂直接地体，同心圆各层均匀分布有多根多针式垂直接地体，各多针式垂直接地体通过连接线相互连接，最内层即为第一层同心圆半径为2米，第n层同心圆半径为2n米；用公式(2)得出新型多针式垂直接地系统中多针式垂直接地体的数目，n向上取整(n≥4)；第x层同心圆上最近两根多针式垂直接地体间的圆心角为θ，用公式(3)得到该层最近两根多针式垂直接地体的距离L(m)；多针式垂直接地体在每层同心圆上均匀分布，每两根多针式垂直接地体的水平距离至少为2m；以同心圆层数最少和每根多针式垂直接地体到中心多针式垂直接地体的连接线距离最短为依据，确定同心圆层数、多针式垂直接地体数目以及新型多针式垂直接地系统中每根多针式垂直接地体和连接线的具体位置；

$n=\frac{R_1}{R}---\left(2\right)$

$L=4x\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}---\left(3\right)$

最内层同心圆上多针式垂直接地体可选数目为3、4、5、6。表1-4分别为最内层同心圆上多针式垂直接地体数目为3-6时各层最近两根多针式垂直接地体的直线距离L。

表1

表2

表3

表4

最内层同心圆上多针式垂直接地体数目为3时，依照每两根多针式垂直接地体水平距离至少为2m，只有1层同心圆时多针式垂直接地体的可选数目为1+3＝4和1+6＝7；最内层同心圆上多针式垂直接地体数目为6时，只有1层同心圆时多针式垂直接地体的可选数目为1+6＝7，依照尽量减少每根多针式垂直接地体到中心多针式垂直接地体的连接线距离为依据，由此确定当多针式垂直接地体数目n＝7时，选择最内层同心圆上多针式垂直接地体数目为6的1层同心圆结构作为新型多针式垂直接地系统的结构。依照上述原则，可得如表5所示的最优多针式垂直接地体数目n和不同最内层同心圆上多针式垂直接地体数目和同心圆层数x之间的关系。

表5

(5)分析最高工作频率下接地电阻

在现场最高工作频率下，将n根多针式垂直接地体的接地电阻并联形成新型多针式垂直接地系统的接地电阻，将整个系统并联后的接地电阻分析转换为分析各根多针式垂直接地体的接地电阻。

接地引下线与新型多针式垂直接地系统中心的多针式垂直接地体相连接，按照每根多针式垂直接地体通过连接线与中心的多针式垂直接地体的最近距离划分，将n根多针式垂直接地体分组，每组距离相同。

各组中各取一根多针式垂直接地体，分析其在最高工作频率下的接地电阻，其中单根垂直接地体接地电阻分为接地电阻R₁和连接线电阻。

由于集肤效应和电感作用，当高频电流通过新型多针式垂直接地系统时，连接线会产生较大的阻抗，阻抗由连接线感抗和电阻组成。

忽略各连接线之间的相互作用，利用公式(4)计算各组连接线的电感，再利用感抗公式X_L＝2πfL计算各组感抗。

$L_i=\frac{\mathrm{\μ}}{2\mathrm{\π}}(\ln \frac{{2l}_i}{r}-1)\frac{1}{y}---\left(4\right)$

公式(4)中，μ、l_i、r、y分别为磁导率4π×10^-7、连接线长度(m)、连接线半径(m)、连接线的股数。

利用公式(5)可计算出单位长度连接线的传输电阻R_y，由此可得各组连接线在最高工作频率下的电阻。

$R_y=\frac{1}{\frac{2\mathrm{\πr}}{\sqrt{\mathrm{\πf\μ\ρ}}}+\frac{4}{\mathrm{f\μ}}}---\left(5\right)$

公式(5)中，ρ为多针式垂直接地体的电阻率(Ω·m)。

结合连接线感抗和电阻可得各组连接线的阻抗

综合接地电阻R₁和连接线的阻抗，可得各组多针式垂直接地体在最高工作频率下的阻抗，阻抗的模即为各组多针式垂直接地体在最高工作频率下的接地电阻。并联n根多针式垂直接地体的接地电阻，可得到新型多针式垂直接地系统在最高工作频率下的接地电阻。

附图说明

图1是多针式垂直接地体侧视图。

图2是多针式垂直接地体俯视图。

图3是高频设备接地电阻测量原理图。

图4是最内层同心圆上多针式垂直接地体数目为3的新型多针式垂直接地系统结构图。

图5是最内层同心圆上多针式垂直接地体数目为3的新型多针式垂直接地系统俯视图。

图6是最内层同心圆上多针式垂直接地体数目为4的新型多针式垂直接地系统结构图。

图7是最内层同心圆上多针式垂直接地体数目为4的新型多针式垂直接地系统俯视图。

图8是最内层同心圆上多针式垂直接地体数目为5的新型多针式垂直接地系统结构图。

图9是最内层同心圆上多针式垂直接地体数目为5的新型多针式垂直接地系统俯视图。

图10是最内层同心圆上多针式垂直接地体数目为6的新型多针式垂直接地系统结构图。

图11是最内层同心圆上多针式垂直接地体数目为6的新型多针式垂直接地系统俯视图。

图中：1圆柱垂直接地体；2针状放电极；3高频设备；4电流表；5低压探头；6新型多针式垂直接地系统；7多针式垂直接地体；8连接线；9可增设的多针式垂直接地体；10可增设的连接线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明本发明的具体实施方式。

图1是多针式垂直接地体侧视图。多针式垂直接地体选用导电性能优良的导体作为材料，直径25mm的圆柱垂直接地体上每隔50mm垂直焊接一圈均匀分布的四个长25mm、直径4mm、尖端曲率0.2mm的针状放电极。

图2是多针式垂直接地体俯视图。

图3是高频设备接地电阻测量原理图。正常工作时高频设备相当于频率可变的交流电流源，用电流表测量高频设备在最高工作频率下的电流，利用低压探头测量设备反击电压，利用欧姆定律可得新型多针式垂直接地系统在最高工作频率下的接地电阻。

图4是最内层同心圆上多针式垂直接地体数目为3的新型多针式垂直接地系统结构图。图示的新型多针式垂直接地系统采用1层同心圆结构，由4根多针式垂直接地体构成。

图5是最内层同心圆上多针式垂直接地体数目为3的新型多针式垂直接地系统俯视图。图中实心圆点和实线组成由4根多针式垂直接地体构成的1层同心圆结构式新型多针式垂直接地系统。依照每两根多针式垂直接地体水平距离至少为2m，虚线和空心圆点表示可增设的多针式垂直接地体和连接线。

图6是最内层同心圆上多针式垂直接地体数目为4的新型多针式垂直接地系统结构图。图示的新型多针式垂直接地系统采用1层同心圆结构，由5根多针式垂直接地体构成。

图7是最内层同心圆上多针式垂直接地体数目为4的新型多针式垂直接地系统俯视图。图中实心圆点和实线组成由5根多针式垂直接地体构成的1层同心圆结构式新型多针式垂直接地系统。依照每两根多针式垂直接地体水平距离至少为2m，虚线和空心圆点表示可增设的多针式垂直接地体和连接线。

图8是最内层同心圆上多针式垂直接地体数目为5的新型多针式垂直接地系统结构图。图示的新型多针式垂直接地系统采用1层同心圆结构，由6根多针式垂直接地体构成。

图9是最内层同心圆上多针式垂直接地体数目为5的新型多针式垂直接地系统俯视图。图中实心圆点和实线组成由6根多针式垂直接地体构成的1层同心圆结构式新型多针式垂直接地系统。依照每两根多针式垂直接地体水平距离至少为2m，虚线和空心圆点表示可增设的多针式垂直接地体和连接线。

图10是最内层同心圆上多针式垂直接地体数目为6的新型多针式垂直接地系统结构图。图示的新型多针式垂直接地系统采用1层同心圆结构，由7根多针式垂直接地体构成。

图11是最内层同心圆上多针式垂直接地体数目为6的新型多针式垂直接地系统俯视图。图中实心圆点和实线组成由7根多针式垂直接地体构成的1层同心圆结构式新型多针式垂直接地系统。依照每两根多针式垂直接地体水平距离至少为2m，虚线和空心圆点表示可增设的多针式垂直接地体和连接线。

应用

1.根据建筑物和实验设备的实际需求，设定新型多针式垂直接地系统的接地电阻R＝1Ω。

2.对现场实地勘测，确定多针式垂直接地体长度为3m，算出单根多针式垂直接地体埋入土壤时的工频接地电阻R₁＝16Ω，由此算出新型多针式垂直接地系统中多针式垂直接地体的数目n＝16。

3.以同心圆层数最少和每根多针式垂直接地体到中心多针式垂直接地体的连接线距离最短为依据，确定最内层同心圆上多针式垂直接地体数目为5的2层同心圆结构的新型多针式垂直接地系统，其中中心有1根多针式垂直接地体，最外层均匀分布10根多针式垂直接地体。

4.根据上述设计的新型多针式垂直接地系统，挖设半径为4m的坑道，在坑道中定位出16根多针式垂直接地体埋设位置，并在各定位处向下钻出深1m、直径0.1m的孔洞。

5.用塑料圆柱筒固定多针式垂直接地体的位置，不断向圆柱筒内灌入土壤和降阻剂，夯实周围土壤，抽出塑料圆柱筒。

6.标记各根多针式垂直接地体，逐根测量多针式垂直接地体的接地电阻，确保每根多针式垂直接地体的接地电阻小于R1。

7.依照设计的新型多针式垂直接地系统结构，利用铜包钢绞线作为连接线，将各根多针式垂直接地体的顶端通过热熔焊技术连接。

8.从新型多针式垂直接地系统中心的多针式垂直接地体上引出接地引下线。

9.将坑道回填与周围土壤高度一致，回填时不断夯实土壤。

10.用钳形接地电阻测试仪测量新型多针式垂直接地系统的接地电阻。

11.用沥青混凝土进行封顶。

12.测量高频设备在最高工作频率下的接地电阻。

Claims (1)

1.一种新型多针式垂直接地系统设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据建筑或设备的国家标准和实际需求，设定新型多针式垂直接地系统的接地电阻R；

(2)根据现场实地勘测确定垂直接地体可埋设的深度，确定多针式垂直接地体长度为2.5-5m；多针式垂直接地体选用导电性能优良的导体作为材料，直径为25mm，其上每隔50mm垂直焊接一圈均匀分布的四个长25mm、直径4mm、尖端曲率0.2mm的针状放电极；

(3)测量现场土壤电阻率，利用公式(1)计算出单根多针式垂直接地体埋入土壤时的工频接地电阻R₁

$R_1=\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\πl}}(\ln \frac{8l}{d}-1)---\left(1\right)$

公式(1)中，R₁、ρ、l、d分别为单根多针式垂直接地体接地电阻、土壤电阻率、多针式垂直接地体长度、多针式垂直接地体等效直径即为垂直接地体直径和两根针状放电极的长度之和；

(4)新型多针式垂直接地系统结构设计

新型多针式垂直接地系统结构形状为同心圆，中心处设有与接地引下线相连接的多针式垂直接地体，同心圆各层均匀分布有多根多针式垂直接地体，各多针式垂直接地体通过连接线相互连接，最内层即为第一层同心圆半径为2米，第n层同心圆半径为2n米；用公式(2)得出新型多针式垂直接地系统中多针式垂直接地体的数目，n向上取整，n≥4；第x层同心圆上最近两根多针式垂直接地体间的圆心角为θ，用公式(3)得到该层最近两根多针式垂直接地体的距离L；多针式垂直接地体在每层同心圆上均匀分布，每两根多针式垂直接地体的水平距离至少为2m；以同心圆层数最少和每根多针式垂直接地体到中心多针式垂直接地体的连接线距离最短为依据，确定同心圆层数、多针式垂直接地体数目以及新型多针式垂直接地系统中每根多针式垂直接地体和连接线的具体位置；

$n=\frac{R_1}{R}---\left(2\right)$

$L=4x\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}---\left(3\right)$

最内层同心圆上多针式垂直接地体的数目为3、4、5、6；

(5)分析最高工作频率下接地电阻

在现场最高工作频率下，将n根多针式垂直接地体的接地电阻并联形成新型多针式垂直接地系统的接地电阻，将整个系统并联后的接地电阻分析转换为分析各根多针式垂直接地体的接地电阻；

接地引下线与新型多针式垂直接地系统中心的多针式垂直接地体相连接，按照每根多针式垂直接地体通过连接线与中心的多针式垂直接地体的最近距离划分，将n根多针式垂直接地体分组，每组距离相同；

各组中各取一根多针式垂直接地体，分析其在最高工作频率下的接地电阻，其中单根垂直接地体接地电阻分为接地电阻R₁和连接线电阻；

由于集肤效应和电感作用，当高频电流通过新型多针式垂直接地系统时，连接线会产生较大的阻抗，阻抗由连接线感抗和电阻组成；

忽略各连接线之间的相互作用，利用公式(4)计算各组连接线的电感，再利用感抗公式X_L＝2πfL计算各组感抗；

$L_i=\frac{\mathrm{\μ}}{2\mathrm{\π}}(\ln \frac{2l_i}{r}-1)\frac{1}{y}---\left(4\right)$

公式(4)中，μ、l_i、r、y分别为磁导率4π×10^-7、连接线长度、连接线半径、连接线的股数；

利用公式(5)可计算出单位长度连接线的传输电阻R_y，由此可得各组连接线在最高工作频率下的电阻；

$R_y=\frac{1}{\frac{2\mathrm{\πr}}{\sqrt{\mathrm{\πf\μ\ρ}}}+\frac{4}{\mathrm{f\μ}}}---\left(5\right)$

公式(5)中，ρ为多针式垂直接地体的电阻率；

结合连接线感抗和电阻可得各组连接线的阻抗

综合接地电阻R₁和连接线的阻抗，得到各组多针式垂直接地体在最高工作频率下的阻抗，阻抗的模即为各组多针式垂直接地体在最高工作频率下的接地电阻；并联n根多针式垂直接地体的接地电阻，即得到新型多针式垂直接地系统在最高工作频率下的接地电阻。