一、“地”和“接地”的概念 

1．地 

　?。?）電氣地　大地是一個(gè)電阻非常低、電容量非常大的物體，擁有吸收無限電荷的能力，而且在吸收大量電荷后仍能保持電位不變，因此適合作為電氣系統(tǒng)中的參考電位體。這種“地”是“電氣地”，并不等干“地理地”，但卻包含在“地理地”之中。“電氣地”的范圍隨著大地結(jié)構(gòu)的組成和大地與帶電體接觸的情況而定。 

 

　　（2）地電位　與大地緊密接觸并形成電氣接觸的一個(gè)或一組導(dǎo)電體稱為接地極，通常采用圓鋼或角鋼，也可采用銅棒或銅板。圖 1示出圓鋼接地極。當(dāng)流入地中的電流I通過接地極向大地作半球形散開時(shí)，由于這半球形的球面，在距接地極越近的地方越小，越遠(yuǎn)的地方越大，所以在距接地極越近的地方電阻越大，而在距接地極越遠(yuǎn)的地方電阻越小。試驗(yàn)證明：在距單根接地極或碰地處 20m 以外的地方，呈半球形的球面已經(jīng)很大，實(shí)際已沒有什么電阻存在，不再有什么電壓降。換句話說，該處的電位已近于零。這電位等于零的“電氣地”稱為”地電位”。若接地極不是單根而為多根組成時(shí)，屏蔽系數(shù)增大，上述 20m 的距離可能會(huì)增大。圖 1中的流散區(qū)是指電流通過接地極向大地流散時(shí)產(chǎn)生明顯電位梯度的土壤范圍。地電位是指流散區(qū)以外的土壤區(qū)域。在接地極分布很密的地方，很難存在電位等于零的電氣地。 

（3）邏輯地　電子設(shè)備中各級(jí)電路電流的傳輸、信息轉(zhuǎn)換要求有一個(gè)參考的電位，這個(gè)電位還可防止外界電磁場(chǎng)信號(hào)的侵入，常稱這個(gè)電位為“邏輯地”。這個(gè)“地”不一定是“地理地”，可能是電子設(shè)備的金屬機(jī)殼、底座、印刷電路板上的地線或建筑物內(nèi)的總接地端子、接地干線等；邏輯地可與大地接觸，也可不接觸，而“電氣地”必須與大地接觸。 

　　2．接地 

　　將電力系統(tǒng)或電氣裝置的某一部分經(jīng)接地線連接到接地極稱為“接地”。“電氣裝置”是一定空間中若干相互連接的電氣設(shè)備的組合。“電氣設(shè)備”是發(fā)電、變電、輸電、配電或用電的任何設(shè)備，例如電機(jī)、變壓器、電器、測(cè)量?jī)x表、保護(hù)裝置、布線材料等。電力系統(tǒng)中接地的一點(diǎn)一般是中性點(diǎn)，也可能是相線上某一點(diǎn)。電氣裝置的接地部分則為外露導(dǎo)電部分。“外露導(dǎo)電部分”為電氣裝置中能被觸及的導(dǎo)電部分，它在正常時(shí)不帶電，但在故障情況下可能帶電，一般指金屬外殼。有時(shí)為了安全保護(hù)的需要，將裝置外導(dǎo)電部分與接地線相連進(jìn)行接地。“裝置外導(dǎo)電部分”也可稱為外部導(dǎo)電部分，不屬于電氣裝置，一般是水、暖、煤氣、空調(diào)的金屬管道以及建筑物的金屬結(jié)構(gòu)。外部導(dǎo)電部分可能引入電位，一般是地電位。接地線是連接到接地極的導(dǎo)線。接地裝置是接地極與接地線的總稱。 

　　超過額定電流的任何電流稱為過電流。在正常情況下的不同電位點(diǎn)間，由于阻抗可忽略不計(jì)的故障產(chǎn)生的過電流稱為短路電流，例如相線和中性線間產(chǎn)生金屬性短路所產(chǎn)生的電流稱為單相短路電流。由絕緣損壞而產(chǎn)生的電流稱為故障電流，流入大地的故障電流稱為接地故障電流。當(dāng)電氣設(shè)備的外殼接地，且其絕緣損壞，相線與金屬外殼接觸時(shí)稱為“碰殼”，所產(chǎn)生的電流稱為“碰殼電流”。 

　　3．接觸電壓 

 

       防雷公司專家指出：當(dāng)電氣裝置M絕緣損壞碰殼短路時(shí)，流經(jīng)接地極的短路電流為 Id 。如接地極的接地電阻力 Rd ，則在接地極處產(chǎn)生的對(duì)地電壓 Ud = Id•Rd ，通常稱 Ud為故障電壓，相應(yīng)的電位分布曲線為圖 2 中的曲線 C 。一般情況下，接地線的阻抗可不計(jì)，則M上所呈現(xiàn)的電位即為 Ud 。當(dāng)人在流散區(qū)內(nèi)時(shí)，由曲線 C 可知人所處的地電位為 Uφ 。此時(shí)如人接觸M，由接觸所產(chǎn)生的故障電壓 Ut = Ud -Uφ 。人站立在地上，而一只腳的鞋、襪和地面電阻為 Rp，當(dāng)人接觸M時(shí)．兩只腳為并聯(lián)，其綜合電阻為 Rp／2 。在 Ut的作用下，Rp／2 與人體電阻RB串聯(lián)，則流經(jīng)人體的電流 IB = Uf／（RB+Rp／2），人體所承受的電壓 Ut = IB•RB = Uf •RB／（RB+Rp／2）。這種當(dāng)電氣裝置絕緣損壞時(shí)，觸及電氣裝置的手和觸及地面的雙腳之間所出現(xiàn)的接觸電壓Ut與M和接地極間的距離有關(guān)。由圖 2 可見，當(dāng) M 越靠近接地極，Uφ 越大，則 Uf 越小，相應(yīng)地 Ut 也越小。當(dāng)人在流散區(qū)范圍以外，則 Uφ = 0，此時(shí) Uf = Ud，Ut = Ud•RB／（RB+Rp ／2），Ut為最大值。由于在流散區(qū)內(nèi)人所站立的位置與 Uφ 有關(guān)，通常以站立在離電氣裝置水平方向 0.8m 和手接觸電氣裝置垂直方向 1.8m 的條件計(jì)算接觸電壓。如電氣裝置在流散區(qū)以外，計(jì)算接觸電壓 Ut 時(shí)就不必考慮上述水平和垂直距離。 

　　4．跨步電壓 

　　人行走在流散區(qū)內(nèi)，由圖 2 的曲線 C 可見，一只腳的電位為 Uφ1 ，另一只腳的電位為 Uφ2 ，則由于跨步所產(chǎn)生的故障電壓 Uk = Uφ1 - Uφ2 。在Uk 的作用下，人體電流 IB從人體的一只腳的電阻 Rp ，流過人體電阻 RB ，再流經(jīng)另一只腳的電阻 Rp ，則人體電流 IB = Uk／（RB十2Rp）。此時(shí)人體所承受的電壓 Ut = IB•RB = Uk•RB／（RB+2p） 。這種當(dāng)電氣裝置絕緣損壞時(shí)，在流散區(qū)內(nèi)跨步的條件下，人體所承受的電壓 Uk為跨步電壓。一般人的步距約為 0.8m，因此跨步電壓 Uk以地面上 0.8m 水平距離間的電位差為條件來計(jì)算。由圖 2 可見，當(dāng)人越靠近接地極，Uφ1 越大。當(dāng)一只腳在接地極上時(shí) Uφ1 = Ud ，此時(shí)跨步所產(chǎn)生的故障電壓 Uk為最大值，即圖 2 中的 Ukm，相應(yīng)地跨步電壓值也是最大值。反之，人越遠(yuǎn)離接地極，則跨步電壓越小。當(dāng)人在流散區(qū)以外時(shí)，Uφ1 和 U φ2 都等于零，則 Uk = 0 ，不再呈現(xiàn)跨步電壓。 

　　5．流散電阻、接地電阻和沖擊接地電阻 

接地極的對(duì)地電壓與經(jīng)接地極流入地中的接地電流之比，稱為流散電阻。 

　　電氣設(shè)備接地部分的對(duì)地電壓與接地電流之比，稱為接地裝置的接地電阻，即等于接地線的電阻與流散電阻之和。一般因?yàn)榻拥鼐€的電阻甚小，可以略去不計(jì)，因此，可認(rèn)為接地電阻等于流散電阻。 

　　為了降低接地電阻，往往用多根的單一接地極以金屬體并聯(lián)連接而組成復(fù)合接地極或接地極組。由于各處單一接地極埋置的距離往往等于單一接地極長(zhǎng)度而遠(yuǎn)小于40m，此時(shí)，電流流入各單一接地極時(shí)，將受到相互的限制，而妨礙電流的流散。換句話說，即等于增加各單一接地極的電阻。這種影響電流流散的現(xiàn)象，稱為屏蔽作用，如圖 3所示。 

 

　　由于屏蔽作用，接地極組的流散電阻，并不等于各單一接地極流散電阻的并聯(lián)值。此時(shí)，接地極組的流散電阻 

Rd = Rd1／(n•η)　　?。?） 

式中：Rd1──單一接地極的流散電阻 

　　　n ──單一接地極的根數(shù) 

　　 η ──接地極的利用系數(shù)，它與接地極的形狀、單一接地極的根數(shù)和位置有關(guān) 

以上所談的接地電阻，系指在低頻、電流密度不大的情況下測(cè)得的，或用穩(wěn)態(tài)公式計(jì)算得出的電阻值。這與雷擊時(shí)引入雷電流用的接地裝置的工作狀態(tài)是大不相同的。由于雷電流是個(gè)非常強(qiáng)大的沖擊波，其幅度往往大到幾萬甚至幾十萬安的數(shù)值。這樣，使流過接地裝置的電流密度增大，并受到由于電流沖擊特性而產(chǎn)生電感的影響，此時(shí)接地電阻稱為沖擊接地電阻，也可簡(jiǎn)稱沖擊電阻.　　由于流過接地裝置電流密度的增大，以致土壤中的氣隙、接地極與土壤間的氣層等處發(fā)生火花放電現(xiàn)象，這就使土壤的電阻率變小和土壤與接地極間的接觸面積增大。結(jié)果，相當(dāng)于加大接地極的尺寸，降低了沖擊電阻值。 

　　長(zhǎng)度較長(zhǎng)的帶形接地裝置，由干電感的作用，當(dāng)超過一定長(zhǎng)度時(shí)，沖擊電阻不再減少，這個(gè)極限長(zhǎng)度稱為有效長(zhǎng)度、土壤電阻率越小，雷電流波頭越短，則有效長(zhǎng)度越短。 

　　由于各種因素的影響，引入雷電流時(shí)接地裝置的沖擊電阻，乃是時(shí)間的函數(shù)。接地裝置中雷電流增長(zhǎng)至幅值IM的時(shí)間，是滯后于接地裝置的電位達(dá)到其最大值 UM 的時(shí)間的。但在工程中已知沖擊電流的幅值IM和沖擊電阻 Rds的條件下，計(jì)算沖擊電流通過接地極流散時(shí)的沖擊電壓幅值 UM = IM•Rds 。由于實(shí)際上電位與電流的最大值發(fā)生于不同時(shí)間，所以這樣計(jì)算的幅值常常比實(shí)際出現(xiàn)的幅值大一些，是偏于安全的，因此在實(shí)際中還是適用的。 

 

 

二、接地的作用 

 

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接地的作用主要是防止人身遭受電擊、設(shè)備和線路遭受損壞、預(yù)防火災(zāi)和防止雷擊、防止靜電損害和保障電力系統(tǒng)正常運(yùn)行?，F(xiàn)分別說明如下。 

（一）防止人身遭受電擊 

1．電擊機(jī)理 

電擊所產(chǎn)生的電擊電流通過人體或動(dòng)物軀體將產(chǎn)生病理性生理效應(yīng)，例如肌肉收縮、呼吸困難、血壓升高、形成心臟興奮波、心房纖維性顫動(dòng)及無心室纖維性顫動(dòng)的短暫心臟停跳、心室纖維性顫動(dòng)，直至死亡，所以必須采取防護(hù)措施。 

人或家畜觸及電氣設(shè)備的帶電部分，稱為直接接觸。人或家畜與故障下帶電的金屬外殼接觸，稱為間接接觸。直接接觸及間接接觸所造成的電擊稱為直接電擊和間接電擊。為了防止電擊，必須先了解電擊機(jī)理，然后對(duì)直接電擊、間接電擊以及兼有該兩者電擊采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，以保證人、畜及設(shè)備的安全。 

　?。?）人體阻抗的組成　電擊電流大小由接觸電壓和人體阻抗所決定。人體阻抗主要與電流路徑、皮膚潮濕程度、接觸電壓、電流持續(xù)時(shí)間、接觸面積、接觸壓力、溫度以及頻率等有關(guān)。人體阻抗的組成如圖 4所示。如將兩個(gè)電極接觸人體的兩個(gè)部分，并將電極下的皮膚去掉，則該兩電極問的阻抗為人體內(nèi)阻抗 Zi。皮膚上電極與皮膚下導(dǎo)電組織之間的阻抗即為皮膚阻抗 ZPl和 ZP2 。Zi、ZP1、ZP2的矢量和為人體總阻抗 ZT?，F(xiàn)將這些阻抗的特征說明如下： 

圖4　人體阻抗的組成 

①人體內(nèi)阻抗Zi　根據(jù)IEC測(cè)定的結(jié)果，Zi主要是電阻，只有少量電容，如圖 4虛線所示，其數(shù)值主要決定于電流路徑，一般與接觸面積關(guān)系不大，但當(dāng)接觸面積小到幾平方毫米數(shù)量級(jí)時(shí)，內(nèi)阻抗才增大。②皮膚阻抗 ZP1、ZP2　 ZP1、ZP2是由半絕緣層和小的導(dǎo)電元件（如毛孔構(gòu)成的電阻電容網(wǎng)絡(luò)）組成，見圖 4接觸電壓在 50V 及以下時(shí)，皮膚阻抗值隨表面接觸面積、溫度、呼吸等顯著變化；50～100V 時(shí)，皮膚阻抗降低很多；頻率增高時(shí)，皮膚阻抗也隨之降低；皮膚破損時(shí)，皮膚阻抗可忽略不計(jì).③人體總阻抗 ZT　ZT由電阻分量及電容分量組成。當(dāng)接觸電壓在 500V 及以下時(shí)，ZT值主要決定于皮膚阻抗值；接觸電壓越高，ZT與皮膚阻抗關(guān)系越少；當(dāng)皮膚破損后，ZT值接近于人體內(nèi)阻抗。④人體初始電阻 Ri　在接觸電壓出現(xiàn)的瞬間，人體的電容還未充電，皮膚阻抗可忽略不計(jì)，這時(shí)的電阻值稱為人體初始電阻。該值限制短時(shí)脈沖電流峰值。當(dāng)電流路徑從手到手或手到腳而且接觸面積較大時(shí)，5％ 分布秩（即 5％ 的人所呈現(xiàn)的最小初始電阻值）Z5％ 可認(rèn)為等于 500Ω. 

2）人體阻抗與接觸狀況的關(guān)系　通常劃分為以下三類： 

　?、?狀況 1　干燥或濕潤的區(qū)域、干燥的皮膚、高電阻的地面，此時(shí)人體阻抗值： 

　　　　Z1＝1000 ＋ 0.5Z5％　（Ω） 

式中：1000──鞋襪和地面兩者電阻的隨機(jī)值，Ω 

　　　 0.5──考慮了雙手至雙腳的雙重接觸情況 

　　　 Z5％──5％ 分布秩，即 5％ 的人呈現(xiàn)此最小阻抗值，Ω 

　?、?狀況 2　潮濕的區(qū)域、潮濕的皮膚、低電阻的地面，此時(shí)人體阻抗值： 

　　　　Z2 = 200 = 200 +0.55％　（Ω） 

式中；200──較低的地面電阻值，不計(jì)鞋襪的電阻，Ω 

　?、?狀況 3　浸入水中的情況，此時(shí)皮膚電阻、環(huán)境介質(zhì)的電阻可忽略不計(jì)。 

　　在各種狀況下的安全電壓值，各國規(guī)定不盡相同，如表 1所示。 

　　表1 為交流電流的安全電壓，IEC 規(guī)定直流（無紋波）的安全電壓為：在狀況 1，不大于 120V；在狀況 2，不大于 60V。安全電壓包括接地系統(tǒng)的相對(duì)地或極對(duì)地電壓，或不接地和非有效接地的相間及極間電壓。