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弱电基础知识--接地

作者: 时间:2008-04-21

  为了降低接地电阻,往往用多根的单一接地极以金属体并联连接而组成复合接地极或接地极组。由于各处单一接地极埋置的距离往往等于单一接地极长度而远小于40m,此时,电流流入各单一接地极时,将受到相互的限制,而妨碍电流的流散。换句话说,即等于增加各单一接地极的电阻。这种影响电流流散的现象,称为屏蔽作用,如图 3所示。

 

  由于屏蔽作用,接地极组的流散电阻,并不等于各单一接地极流散电阻的并联值。此时,接地极组的流散电阻

               Rd = Rd1/(n·η)   (1)

式中:Rd1──单一接地极的流散电阻
   n ──单一接地极的根数
   η ──接地极的利用系数,它与接地极的形状、单一接地极的根数和位置有关

    以上所谈的接地电阻,系指在低频、电流密度不大的情况下测得的,或用稳态公式计算得出的电阻值。这与雷击时引入雷电流用的接地装置的工作状态是大不相同的。由于雷电流是个非常强大的冲击波,其幅度往往大到几万甚至几十万安的数值。这样,使流过接地装置的电流密度增大,并受到由于电流冲击特性而产生电感的影响,此时接地电阻称为冲击接地电阻,也可简称冲击电阻.  由于流过接地装置电流密度的增大,以致土壤中的气隙、接地极与土壤间的气层等处发生火花放电现象,这就使土壤的电阻率变小和土壤与接地极间的接触面积增大。结果,相当于加大接地极的尺寸,降低了冲击电阻值。
  长度较长的带形接地装置,由干电感的作用,当超过一定长度时,冲击电阻不再减少,这个极限长度称为有效长度、土壤电阻率越小,雷电流波头越短,则有效长度越短。
  由于各种因素的影响,引入雷电流时接地装置的冲击电阻,乃是时间的函数。接地装置中雷电流增长至幅值IM的时间,是滞后于接地装置的电位达到其最大值 UM 的时间的。但在工程中已知冲击电流的幅值IM和冲击电阻 Rds的条件下,计算冲击电流通过接地极流散时的冲击电压幅值 UM = IM·Rds 。由于实际上电位与电流的最大值发生于不同时间,所以这样计算的幅值常常比实际出现的幅值大一些,是偏于安全的,因此在实际中还是适用的。

二、接地的作用

接地的作用主要是防止人身遭受电击、设备和线路遭受损坏、预防火灾和防止雷击、防止静电损害和保障电力系统正常运行。现分别说明如下。

(一)防止人身遭受电击

1.电击机理

电击所产生的电击电流通过人体或动物躯体将产生病理性生理效应,例如肌肉收缩、呼吸困难、血压升高、形成心脏兴奋波、心房纤维性颤动及无心室纤维性颤动的短暂心脏停跳、心室纤维性颤动,直至死亡,所以必须采取防护措施。

人或家畜触及电气设备的带电部分,称为直接接触。人或家畜与故障下带电的金属外壳接触,称为间接接触。直接接触及间接接触所造成的电击称为直接电击和间接电击。为了防止电击,必须先了解电击机理,然后对直接电击、间接电击以及兼有该两者电击采取适当的防护措施,以保证人、畜及设备的安全。

  (1)人体阻抗的组成 电击电流大小由接触电压和人体阻抗所决定。人体阻抗主要与电流路径、皮肤潮湿程度、接触电压、电流持续时间、接触面积、接触压力、温度以及频率等有关。人体阻抗的组成如图 4所示。如将两个电极接触人体的两个部分,并将电极下的皮肤去掉,则该两电极问的阻抗为人体内阻抗 Zi。皮肤上电极与皮肤下导电组织之间的阻抗即为皮肤阻抗 ZPl和 ZP2 。Zi、ZP1、ZP2的矢量和为人体总阻抗 ZT。现将这些阻抗的特征说明如下:

图4 人体阻抗的组成

  ①人体内阻抗Zi 根据IEC测定的结果,Zi主要是电阻,只有少量电容,如图 4虚线所示,其数值主要决定于电流路径,一般与接触面积关系不大,但当接触面积小到几平方毫米数量级时,内阻抗才增大。②皮肤阻抗  ZP1、ZP2  ZP1、ZP2是由半绝缘层和小的导电元件(如毛孔构成的电阻电容网络)组成,见图 4接触电压在 50V 及以下时,皮肤阻抗值随表面接触面积、温度、呼吸等显著变化;50~100V 时,皮肤阻抗降低很多;频率增高时,皮肤阻抗也随之降低;皮肤破损时,皮肤阻抗可忽略不计.③人体总阻抗 ZT ZT由电阻分量及电容分量组成。当接触电压在 500V 及以下时,ZT值主要决定于皮肤阻抗值;接触电压越高,ZT与皮肤阻抗关系越少;当皮肤破损后,ZT值接近于人体内阻抗。④人体初始电阻 Ri 在接触电压出现的瞬间,人体的电容还未充电,皮肤阻抗可忽略不计,这时的电阻值称为人体初始电阻。该值限制短时脉冲电流峰值。当电流路径从手到手或手到脚而且接触面积较大时,5% 分布秩(即 5% 的人所呈现的最小初始电阻值)Z5% 可认为等于 500Ω.

2)人体阻抗与接触状况的关系 通常划分为以下三类:
  ① 状况 1 干燥或湿润的区域、干燥的皮肤、高电阻的地面,此时人体阻抗值:

                  Z1=1000 + 0.5Z5% (Ω)

式中:1000──鞋袜和地面两者电阻的随机值,Ω
    0.5──考虑了双手至双脚的双重接触情况
    Z5%──5% 分布秩,即 5% 的人呈现此最小阻抗值,Ω
  ② 状况 2 潮湿的区域、潮湿的皮肤、低电阻的地面,此时人体阻抗值:

                  Z2 = 200 = 200 +0.55% (Ω)

式中;200──较低的地面电阻值,不计鞋袜的电阻,Ω
  ③ 状况 3 浸入水中的情况,此时皮肤电阻、环境介质的电阻可忽略不计。
  在各种状况下的安全电压值,各国规定不尽相同,如表 1所示。


  表1 为交流电流的安全电压,IEC 规定直流(无纹波)的安全电压为:在状况 1,不大于 120V;在状况 2,不大于 60V。安全电压包括接地系统的相对地或极对地电压,或不接地和非有效接地的相间及极间电压。


  

2.电击效应

  (1)交流电流的电击效应 IEC 经过多年的试验研究,认为心室纤维性颤动是电击致死的主要原因。一个心动周期如图 5所示,由产生兴奋期 P、兴奋扩展期 R 和兴奋复原期T所组成。图5中的数字表示兴奋传播的顺序。在兴奋复原期内有一个相对较小的部份称为易损期,在易损期内,心肌纤维处于兴奋的不均匀状态,如果受到足够幅度电流的刺激,心室纤维发生颤动,如图 6中 X 点受电流刺激.对心电图和血压的影响,如图 6中曲线所示。此时发生心室纤维性颤动和血压降低,如电流足够大将导致死亡。

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