了解降低接地电极电阻的方法
当土壤电阻率很高并且对地电阻超过要求值时，可以使用特定技术来降低它。本文评估了降低接地电极电阻的各种方法。
接地电极有多种类型，从非常简单到非常复杂，国家电气规范 (NEC) 要求使用特定的方法。
在本练习中，我们选择广泛使用的电极类型：单接地棒。它是一根长金属棒，通常是铜与钢、镀锌铁或不锈钢粘合。
接地棒的长度为 240 厘米（8 英尺）和 300 厘米（10 英尺），具有三种直径：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 要求棒电极和管电极的长度为 240 厘米（8 英尺）。住宅安装中的典型尺寸为 240 厘米，工业和商业电力系统中的典型尺寸为 300 厘米。一般来说，不要切割接地棒。
我们将选择 300 厘米的长度和三个直径。
为了计算理论接地电阻，我们将使用由美籍加拿大电气工程师赫伯特·布里斯托尔·德怀特 (Herbert Bristol Dwight) 开发的公式，该公式于 1936 年 12 月发表在 AIEE Transactions 上。
降低接地电阻的基本方法
如果接地棒的电阻不够低，可以采用多种方法进行改进。
增加杆直径
增加杆的长度
使用多根杆
处理土壤以降低其电阻率
为了计算一根杆的接地电阻，我们使用以下德怀特公式
R=?2πL(ln4La?1)
在哪里
R = 对地电阻
ρ = 土壤电阻率
L = 杆长
a = 杆半径
请注意，在以下段落中，虽然标准杆厚度是直径 (d)，但德怀特公式使用半径 (a = d/2)。
1.增加杆的厚度
假设我们将一根 L = 300 cm、d = 1.270 cm 的标准接地棒埋在 ρ = 10,000 Ω·cm 的土壤中。使用 Dwight 公式，计算出的电阻为 35 Ω。
当单根接地棒的接地电阻超过 25 Ω 时，NEC 需要使用辅助电极。因此，我们决定使用较大直径的棒来降低电阻，而不是粘合辅助电极。表 1 显示了三种标准直径的结果。
表1 杆径的影响
分析表1，得到的电阻为33Ω，需要辅助电极。
图 1 显示了三个棒的电阻值（以较窄棒的电阻的百分比表示）。
杆直径的影响
图 1. 杆直径的影响
如果土壤电阻率变化，接地电阻也会变化。百分比将保持不变。
我们从这个分析中得出结论，杆直径对接地电阻没有显着影响。选择较大直径的杆仅出于机械考虑，因为这些杆可能会使用手动锤和气动锤埋设。
2.增加杆的长度
接下来我们来看看增加接地棒长度的效果。接地棒可以堆叠并用专门设计的夹具连接，以将其延长到更深的地下。我们选择了较大直径的杆，以便它们更容易打入地下。
表 2 总结了打桩一根、两根、三根和四根杆的效果。正如预期的那样，将接地棒更深地插入地下会降低其电阻。
表2 杆长的影响
图 2 显示了延长接地棒的影响（以较短长度的电阻的百分比表示）。请注意，添加根杆时，阻力降低幅度。连接更多的杆会产生逐渐较小的阻力减少百分比。
杆长度的影响
图2 杆长度的影响
通过对表 2 和图 2 进行更深入的分析，我们可以建立一条经验法则：将杆的长度加倍，阻力会减少约 45%。
向下驱动 300 厘米的杆的电阻为 33 Ω，向下驱动 600 厘米的杆的电阻为 18 Ω。应用 45% 规则：
33 Ω ? 0.45 = 14.85 Ω 减少。
那么，33 Ω - 14.85 Ω ≈ 18 Ω。
另一个示例显示从 600 厘米移动到 1,200 厘米。
从表2可知，向下驱动600厘米的杆的电阻为18Ω，向下驱动1,200厘米的杆的电阻为10Ω。
18 Ω 0.45 = 8.1 Ω 减少。
那么，18 Ω - 8.1 Ω ≈ 10 Ω。
表 2 的一栏“减少百分比”不应与这条经验法则相混淆，因为这些百分比始终指的是短的杆。
德怀特公式假设土壤均质，即电阻率恒定。在现实生活中，这些土壤非常罕见。然后，当埋杆时，我们会发现几层电阻率不同的层。如果下层的电阻率低于地表电阻率，则接地电极的电阻结果将低于本练习中计算的电阻率。如果我们发现电阻率较高的地层，则会发生相反的情况。
较低的地层通常更潮湿，这意味着电阻率较小。但这并不是一个固定的规则。因此，在设计接地电极之前，有必要进行电阻率测量并建立土壤模型。
此外，在低温时期，上层会冻结，使电阻率达到无穷大。接地棒在冻结层中的部分增加了电极的电阻。
3. 多棒的使用
减少接地电阻的另一种方法是添加多个杆。在本练习中，我们将使用两根杆和德怀特方程 R=?4πL(ln4La?1)+?4πs(1?L23s2+2L45s4+...) 在哪里
s = 间距
杆尺寸：L = 300 cm，d = 1.588 cm。
NEC 要求间距为 180 厘米（6 英尺）。
表 3 总结了两根杆在五个间距值下的电阻，图 3 显示了仅一根杆的电阻的百分比。
表3 棒分离的影响
打入地下的两根杆提供平行路径，但两个电阻并联的规则不适用，即，所得电阻不是其中之一的二分之一。
杆间距的影响
图3 杆间距的影响
检查表 3 和图 3，我们发现电阻随着间距的增加而减小，从 41.61% 减小到 48.48%。值得注意的是，在个间距值处，电阻大幅下降，但进一步的下降要小得多。
这些结果表明，阻力随着间距的增加而减小，因此建议将杆的间距设置得比其浸没长度更远。
4. 处理土壤以降低其电阻率
当由于岩石或其他原因无法将接地棒打得更深，并且添加接地棒并不能降低接地电阻时，化学土壤处理是一个很好的选择。
化学处理方法改变了电极周围土壤的性质。它利用了这样一个事实：靠近电极的层占接地电阻的部分。因此，用一种或多种化学物质替换少量的原始土壤可以显着降低土壤的电阻。
如果我们使用单个接地棒的德怀特公式来计算作为土壤电阻率函数的电阻变化，并保持接地棒的长度和半径不变，则该公式可简化为R = k
ρ
因此，电阻与土壤电阻率成正比。这是一个重要的结果，因为它表明土壤电阻率强烈影响整体电阻。
表 4 和图 4 显示电阻随土壤电阻率降低而降低。
表4 土壤处理效果
处理土壤的效果
图4 土壤处理效果
一些产生离子的化学品包括：
硫酸镁（泻盐）
硫酸铜（蓝矾）
氯化钙
氯化钠（食盐）
硝酸钾（硝石）
