建筑结构体接地电极的电阻确定


在接地电极中,有人工接地极和自然接地极之分。将棒状、线状、板状等接地极施工在大地的称为人工接地极,利用水管等的属于自然接地极。自然接地极并不是那种以接地为目的的施工物体,而是将与大地接触的导电性物体来代替接地极使用。这种物体以前使用水管,但近几年水管用PVC材质制成,很多场合已经不能作为代用接地电极。于是就利用建筑结构体的地表下的部分。提出用建筑结构体作为接地极想法的是美国的H.G.Ufer,“Ufer电极”的名称由此而来。

1.何谓结构体接地电极

建筑结构体接地的必要条件是结构体必须为钢架,钢筋混凝土制造,而不是砖、沙浆或木质的。所谓接地电极就是安装在大地上的构件,起着电气端子的作用。结构体接地就是把接地线连接到作为结构体一部分的钢架或钢筋上,使结构体起到接地电极的作用,如图1所示。由于钢架或钢筋本身具有很好的导电性,而且贯穿到整个建筑物并通过混凝土与大地接触。只要混凝土不是绝对的绝缘物,从宏观上就可以认为结构体是一个接地电极。钢筋混凝土制的基础等也是一种接地电极。


建筑结构体接地电极的电阻确定

图1 结构体接地示意图

如果这些建筑结构体的接地电阻低,就可以认为它是良好的接地极。尤其是在建筑结构体中的机电设备配置的机器或配管,已经直接或借助其他物体与钢架、钢筋有无数点的接触,存在着可靠的电气连接,这种情况就不再需要实施人工接地,只需使用自然接连就可以了,如图2所示。


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图2 接地示意图

2.建筑结构体的电气特性

在钢架构造、钢筋混凝土构造和钢架-钢筋混凝土构造的建筑物中,本体结构牢固,柱或梁等相互紧密结合。这种建筑结构体在构造上的一体化影响着结构体的电气特性。也就是说建筑结构体的各个部分是以很低的电阻值相互连接着,即建筑结构体是以导体构成的“电笼(Cage)”。

钢架构造的厂房,因钢架之间是用铆钉或螺栓连接着,能得到良好导体构成的“电笼(Cage)”状态。钢筋混凝土构造的厂房,在混凝土中的钢筋与钢筋之间是分离的,但在钢筋之间填满了混凝土。从外观看混凝土像是坚硬的石头,但是它比一般的岩石吸水性大,因此湿润状态的混凝土的电阻率相当低。再加上躯体或柱还有很大的断面积,所以即使是钢筋混凝土构造的厂房,结构体的各部分也是以低电阻连接的,于是也可以将它看作是“电笼”。

在实际施工中,工程人员曾实测某钢架构造高层建筑结构体电阻的结果,从屋顶到地下一层的直流电阻是10-3Ω。另外,利用双电桥实测钢筋混凝土结构的三层楼结构体的电阻,直流电阻为10-2Ω左右。从这些实测结果可以知道建筑物结构体是具有低电阻的良导体状态。

从电气特性的观点来说,结构体可以看作是一种立体的电路网,如图3所示。


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图3 形同电路网的建筑结构体

另外,“电笼”一词,相当于是把建筑物中的钢架构或钢筋编织成用金属丝(良导体)制作的鸟笼子一样,如图4所示。


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图4 建筑结构体是“电笼”

3.建筑结构体的接地电阻

建筑结构体的地表以下部分称为地下部分,它与大地接触着。若将结构体接触大地部分的全表面积置换成半球状电极,如图5所示,就可以求出半球状电极的半径,从而计算出接地电阻。


建筑结构体接地电极的电阻确定

图5 置换为半球状电极

设结构体与大地的接触面积为A,半球状电极的半径为r,即表面积为2πr^2,等效半径建筑结构体接地电极的电阻确定

其接地电阻R=ρ/2πr^2,图6所示显示出增大半径r时接地电阻的变化情况。即半径增大时,结构体地下部分与大地的接触面积增大,接地电阻就会变小。


建筑结构体接地电极的电阻确定

图6 半球状电极接地电阻的变化

下面用实例说明各种结构体的实测接地电阻。如表1所示,这些结构体都是钢架、钢筋混凝土构造的,接地电阻非常低,远比人工接地时的电阻值要小,尤其在场地面积受到限制的场合,优先考虑结构体接地的有效性。测定这些结钩体的方法主要有电位降法。

表1 结构体接地的实测例


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在美国电气施工规程(NEC)中对混凝土包着的接地电极(Concrete Encased Electrode)的使用是认可的,如图7所示,是一种结构体的接地。但是,在混凝土底座中埋设长6m以上、截面积21mm^2以上的裸铜线。


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图7 混凝土包着接地电极

混凝土的配比与吸水率、电阻率如表2所示。

表2 混凝土配比与吸水率、电阻率


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接地电阻与接地电极的表面积成反比,表面积越大接地电阻越小。以表2的数据为基础验证特性的结果,如图8所示。曲线画在双对数坐标纸上,横轴是地下层的地面面积,纵轴是接地电阻。半球状电极也具有同样的形态。


建筑结构体接地电极的电阻确定

图8 结构体的地下层地面面积与接地电阻的关系(实测例)

4.建筑结构体接地电阻的间接推定

将建筑结构体地下部分的形状置换成半球状,就可以推定结构体的接地电阻。首先计算结构体与大地接触部分的全部表面积,如图9所示,计算结构体的底面积与侧面积的总和,但是基础桩等的表面积不计。


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图9 结构体地下部分的总表面积的计算构造图

现假设建筑结构体地下部分的总表面积为A(m^2),半径为r(m)的半球表面积2πr^2。用半球状置换结构体的地下部分,则有2πr^2=A,即


建筑结构体接地电极的电阻确定

式中,r是该结构体的等效半径。如果再假设施工地点的大地电阻率为ρ,由半球状电极的接地电阻公式可求得结构体的接地电阻R为:


建筑结构体接地电极的电阻确定

根据上式,从大地电阻率与结构体地下部分的总表面积可以间接得出接地电阻。以大地电阻率为参数,总表面积与接地电阻的关系如图10所示。


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图10 建筑结构体的接地电阻



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本文转自: 可靠性杂坛


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