由於土壤是由不同的土壤顆粒和其間隙中存在的水和空氣組成，再則接地體的形狀、尺寸又不一
，所以接地電阻有著非常複雜的性質。

 

一、接地電阻的定義

 

接地電阻包括接地電極體本身的電阻
、接地電極體與土壤間的接觸電阻
、接地電極體附近的土壤電阻

、接地電極體至電氣設備間連接導線的電阻四者之和。

 

從定量的角度描述接地電阻的定義應該是“在某一電極上流入接地電流I（A），若接地電極的電位比周圍大地高出E（V）時
，其電位上升值與接地電流之比E/I（Ω）即為接地電阻”。如圖1所示。

 

圖1　接地電阻的定義

 

接地電阻的定義必須要附帶以下兩個條件。

 

①為(wei)了(le)使(shi)接(jie)地(di)電(dian)流(liu)流(liu)向(xiang)接(jie)地(di)電(dian)極(ji)，必(bi)須(xu)形(xing)成(cheng)閉(bi)合(he)回(hui)路(lu)，需(xu)要(yao)把(ba)兩(liang)根(gen)接(jie)地(di)電(dian)極(ji)打(da)入(ru)大(da)地(di)，並(bing)保(bao)持(chi)足(zu)夠(gou)的(de)間(jian)距(ju)。當(dang)接(jie)入(ru)電(dian)源(yuan)後(hou)，就(jiu)會(hui)在(zai)兩(liang)個(ge)電(dian)極(ji)之(zhi)間(jian)流(liu)過(guo)接(jie)地(di)電(dian)流(liu)，把(ba)其(qi)中(zhong)一(yi)根(gen)電(dian)極(ji)稱(cheng)為(wei)輔(fu)助(zhu)電(dian)極(ji)
，如(ru)圖(tu)2suoshi。zaidingyijiedidianzushi，fuzhudianjiyaoshezhizailizhujiedidianjishifenyuandedifang，shitaduizhujiedidianjidailaideyingxiangshenwei，erjiangqihulve。dangdianyuanquzhiliushi
，youzhiliudianliuchanshengdedianhuaxuexianxiangkebeihulve。

 

圖2　輔助電極

 

②jiedidianjidedianweishangshengshiyidadidewuxianyuanfangweijizhunceliangde。suoweiwuxianyuanfangshizhijishiyoujiedidianliu，dianweiyebubiandongdedidian

，jiyiweizheyutongdianqiandezhuangtaimeiyoubianhuadedidian，jianggaidianzuoweidianweijizhundian。keyicongdianweishangshengzhijijiedidianliuqiuchuzhenzhengdejiedidianzu，rutu3所示。如果把測定電位的基準點靠近接地電極，基準點的電位就會因接地電流而引起（ΔV）上升，這一增量給電位上升的測定帶來誤差
，進一步使接地電阻也形成誤差。

 

圖3　電位測定的基準點

 

二、接地電阻的一般性質

 

接地電阻由以下3個構成要素組成：

 

①接地線的電阻及接地電極自身的電阻；

②接地電極表麵及與其接觸的土壤之間的接觸電阻
；

③電極周圍大地的電阻。

 

如圖4所示
，這3個構成要素中①是導體，電阻非常小，不成問題。但是將鋼筋混凝土基礎樁等非金屬體作為代用電極時，必須考慮接地電極自身的電阻。②的接地電阻是電極與土壤的“適應”問wen題ti。接jie地di電dian極ji的de大da部bu分fen是shi金jin屬shu體ti，其qi表biao麵mian是shi光guang滑hua的de，而er土tu壤rang是shi微wei小xiao的de固gu體ti顆ke粒li，這zhe兩liang種zhong物wu質zhi實shi際ji是shi接jie近jin點dian接jie觸chu狀zhuang態tai，而er不bu是shi麵mian接jie觸chu，所suo以yi在zai界jie麵mian上shang有you接jie觸chu電dian阻zu。此ci外wai還hai有you靜jing電dian電dian容rong的de作zuo用yong，由you於yu打da入ru電dian極ji時shi電dian極ji的de振zhen動dong、埋設時加在電極上的壓力，還有土壤種類、接地施工的場所等影響
，無法用一兩句話說清楚。從接地電阻的本質來說，還是③的影響最大。③中土壤所具有的電阻是最重要的
，是電極包圍的大地的電阻，叫做大地電阻，是接地電阻的主要部分。

 

圖4　構成接地電阻的要素

 

由you於yu通tong過guo大da地di電dian傳chuan導dao的de截jie麵mian積ji非fei常chang大da，因yin此ci可ke以yi認ren為wei其qi電dian阻zu小xiao到dao可ke以yi忽hu略lve不bu計ji。當dang離li接jie地di電dian極ji相xiang當dang遠yuan時shi，電dian流liu通tong路lu的de截jie麵mian積ji變bian得de非fei常chang大da，即ji使shi土tu壤rang的de導dao電dian性xing不bu良liang，電dian阻zu仍reng然ran很hen小xiao。但dan是shi在zai接jie地di電dian阻zu附fu近jin

，由you表biao麵mian積ji並bing不bu太tai大da的de接jie地di電dian極ji流liu出chu電dian流liu，電dian流liu通tong路lu的de截jie麵mian積ji被bei束shu縛fu，接jie地di電dian阻zu呈cheng現xian一yi定ding的de電dian阻zu值zhi。如ru圖tu5所示
，接地電流從接地電極以放射形式流出，隨著遠離電極，電流通路的截麵積會增大。

 

圖5　電流通路的截麵積與電阻關係

 

當確定了某一接地電極的形狀和尺寸
，該電極的接地電阻表達式為

 

R=ρf　　（1）

 

式中　R——接地電阻


，Ω
；

 

ρ——大地電阻率，Ω·m；

 

f——電極的形狀與尺寸有關的函數。

 

由式（1）可知
，接地電阻與大地電阻率成正比，對同一形狀

、同一尺寸的接地電極，大地電阻率場合不同，其接地電阻值就不同。

 

另外
，函數f在電極的形狀不清楚時不能確定。在電極的形狀一定、大小如圖5所示作相似變化的場合，接地電阻可表示為

 

 

式中　k——由電極形狀確定的係數；

 

ρ——大地電阻率，Ω·m；

 

l——電極模型的特征尺寸。

 

l在如圖6suoshishibanqiuzhuangdianjidebanjing

，daibiaodianjibianyuanmoxingdechangdu。youci，zaidadidianzulvyidingdechanghe，ruoxingzhuangbianhua，jiedidianzuhuisuizhibiandabianxiao。zhezaijiedidianjishejishangshishifenzhongyaode
，yeshiyoumoxingdianjilaiduijiedidianzutuisuanzhijiqizhipeizuoyongdeyuanli。

 

圖6　接地電極形狀一定而大小做相似變化的場合

 

三
、大地電阻率

 

jiedidianjidejiedidianzuyushigongdidiandedadidianzulvchengyidingbili。dadidianzulvdidedidian
，yidedaodidejiedidianzu
，yiner，zaijiedidianjishejiheshigongshi
，zhidaoshigongdidiandedadidianzulvshifeichangzhongyaodeshi。

 

①土壤水分的影響　幾乎所有的土地都會含有水分，土壤因水分的多少改變其電阻率。一般情況含水分多的土壤電阻率低，圖7表示了各種物質電阻率的排列圖。相對於金屬導體來說，土壤的電阻率還是比它們高得很多。

 

圖7　各物質電阻率的排列圖

 

dangshejijiedidianjishi，dianjizishendedianzujihubuxuyaokaolv
，yinweijinshudedianzulvyuzhouweidadixiangbishifeichangdide。dadidedianzulvhuisuinituleixinghuozuchengnitudehuaxuechengfendebutongerbianhua。shatudedianzulvgaoyuniantu。nitushiduyueda，daodianxingyuehao；濕shi度du越yue小xiao，導dao電dian性xing越yue小xiao。接jie地di電dian極ji周zhou圍wei大da地di的de電dian阻zu率lv會hui隨sui著zhe一yi年nian四si季ji和he溫wen度du的de變bian化hua而er變bian化hua
，所suo以yi在zai非fei常chang幹gan燥zao的de地di區qu，可ke能neng要yao求qiu在zai接jie地di電dian極ji處chu采cai用yong增zeng加jia土tu壤rang濕shi度du或huo其qi他ta增zeng強qiang土tu壤rang導dao電dian性xing的de方fang法fa。

 

②土壤溫度的影響　對土壤電阻有很大影響的因素，除水分之外就是溫度。表1表示由溫度引起土壤電阻率的變化和變動的比率
，溫度從20～-15℃變化的場合由表中可看出
，同一土地中電阻率隨溫度可增加459倍
，這是因水（含冰）的電阻率會由溫度引起敏銳的變化。

 

表1　土壤的溫度和電阻率

 

自然界的土壤電阻率因含水率和溫度等各種各樣因素的支配，在不斷變化。如隨天氣、季節而相應變化
，一般是夏天低、冬天高。

對有關特定種類的土壤，要明確表示它的電阻率是有困難的
，如說不出“黏土有多少Ω·m的電阻率”。這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)相(xiang)同(tong)的(de)黏(nian)土(tu)，因(yin)地(di)點(dian)和(he)時(shi)間(jian)不(bu)同(tong)，電(dian)阻(zu)率(lv)是(shi)不(bu)同(tong)的(de)
，隻(zhi)有(you)實(shi)地(di)測(ce)量(liang)才(cai)是(shi)準(zhun)確(que)的(de)。把(ba)已(yi)知(zhi)長(chang)度(du)和(he)直(zhi)徑(jing)的(de)一(yi)根(gen)接(jie)地(di)棒(bang)打(da)入(ru)地(di)下(xia)，測(ce)量(liang)它(ta)的(de)接(jie)地(di)電(dian)阻(zu)，電(dian)阻(zu)率(lv)值(zhi)可(ke)按(an)接(jie)地(di)電(dian)阻(zu)公(gong)式(shi)進(jin)行(xing)逆(ni)運(yun)算(suan)得(de)出(chu)。

 

表2是大地按電阻率的分類
，大地電阻率超過1000Ω·m是高電阻率地帶，在這樣的場所接地施工是非常困難的。

 

表2 大地按電阻率分類

 

大地一般呈層狀結構，電阻率會因地層不同而大幅變化，因而大地電阻率多數隨深度變化。大地是非常不均質的。

 

四

、接地電阻與靜電電容的關係

 

接(jie)地(di)電(dian)阻(zu)與(yu)靜(jing)電(dian)電(dian)容(rong)間(jian)的(de)關(guan)係(xi)是(shi)兩(liang)者(zhe)的(de)相(xiang)似(si)性(xing)
，對(dui)某(mou)一(yi)已(yi)知(zhi)靜(jing)電(dian)電(dian)容(rong)的(de)電(dian)極(ji)
，如(ru)果(guo)把(ba)它(ta)看(kan)作(zuo)是(shi)接(jie)地(di)電(dian)極(ji)，即(ji)可(ke)得(de)出(chu)它(ta)的(de)接(jie)觸(chu)電(dian)阻(zu)，兩(liang)者(zhe)由(you)同(tong)一(yi)方(fang)程(cheng)式(shi)來(lai)支(zhi)配(pei)。

 

在接地理論中，常常遇到“全空間”與“半空間”的專業術語。如圖8所示的某種介質中，圖8（a）的狀態叫全空間，圖8（b）的狀態叫半空間。而接地的問題就是半空間問題。將半球電極擴大成全空間，把全空間看作同一介質的方法叫做鏡像法。假設如圖9（a）所示為半空間場合的半球狀電極，其接地電阻為R
，用鏡像法換成圖9（b）所示的全空間場合的接地電阻為R''''''''''''''''
，兩者的關係是R=2R''''''''''''''''。這說明半球變成全球時，接地電流的流出麵積是半球時的2倍

，所以接地電阻就是原來的一半。

 

圖8　全空間與半空間

 

圖9　鏡像法

 

靜電場中，在介電常數ε的介質中，半徑為r的球體的靜電電容表達式為：

 

C=4πεr　　

 

恒流場中，在電阻率為ρ的導電性介質中，半徑為r的全球接地電阻為R''''''''''''''''，在全空間內電容C與接地電阻R''''''''''''''''的關係式為：

 

 

其中R''''''''''''''''由下式得出：

 

 

又因半空間的接地電阻R與全空間的接地電阻R''''''''''''''''有R=2R''''''''''''''''的關係，所以半球狀電極的接地電阻R為：

 

 

即半空間場合的接地電阻與全空間場合的靜電電容之間有以下對應關係：

 

 

對於複雜形狀的接地電極
，隻要知道附加給它鏡像時的靜電電容，就可由上式計算出接地電阻。

 

五、接地電阻的理論式

 

半球狀電極在理論上比較容易處理，它是接地理論的基礎。

 

半球狀電極的接地電路模型如圖10所(suo)示(shi)。假(jia)設(she)輔(fu)助(zhu)電(dian)極(ji)位(wei)於(yu)主(zhu)接(jie)地(di)電(dian)極(ji)的(de)相(xiang)對(dui)無(wu)限(xian)遠(yuan)點(dian)，接(jie)地(di)電(dian)流(liu)從(cong)電(dian)極(ji)的(de)表(biao)麵(mian)向(xiang)周(zhou)圍(wei)大(da)地(di)呈(cheng)放(fang)射(she)狀(zhuang)流(liu)出(chu)。如(ru)果(guo)輔(fu)助(zhu)電(dian)極(ji)很(hen)近(jin)，電(dian)流(liu)的(de)分(fen)布(bu)就(jiu)不(bu)是(shi)放(fang)射(she)狀(zhuang)了(le)。

 

圖10　接地電極模型

 

從半球狀電極（半徑r）流出的接地電流是以許多同心圓球狀散射向大地的，如圖11所示。

 

圖11　半球狀接地電極

 

設圖中畫有斜線的部分與電極中心距離為x

，厚度dx部分的電阻是dR，大地的電阻率是ρ，則有

 

 

現在要求出的接地電阻是與上式所示的電阻體在從電極表麵到無限遠處串聯，所以從電極的表麵r到距離r1之間所包含的電阻
，用dR從r到r1的積分即可求得。設此電阻為R1，即

 

 

因為接地電阻是從電極到無限遠處的全部電阻，如果r1是無限大，1/r1近似等於零。設此時電阻為R，由上式可得出

 

 

這是半球狀電極的接地電阻的理論式，該理論式說明電流通路的截麵積，從圖11可看出隨著電極半徑（r）的增大
，其接地電阻按1/r1成比例減少。即因截麵積（2πr^2）變大而使接地電阻收斂。

 

六、接地電阻的電阻區域

 

接地電阻的大部分是集中在接地電極的附近。假設從半球狀電極的表麵到距離r1之間的電阻為R1
，從表麵到無限遠點的全接地電阻為R時，則R1與R之比為α

 

 

由上式
，r1與α的關係如表3所示，r1用r的倍數表示。將該表圖形化如圖12所示。

 

表3　r1與α的關係

 

圖12　r1與α的關係

 

隨著與接地電極的距離r1增大，在全接地電阻R中
，到r1所包含的R1也逐漸增大。電阻的增大趨勢開始是急劇變化，到了2倍電極半徑的距離（r1=2r）就(jiu)已(yi)包(bao)含(han)全(quan)電(dian)阻(zu)的(de)一(yi)半(ban)
，然(ran)後(hou)電(dian)阻(zu)的(de)增(zeng)大(da)趨(qu)勢(shi)變(bian)得(de)緩(huan)慢(man)。嚴(yan)格(ge)地(di)說(shuo)

，即(ji)使(shi)距(ju)離(li)到(dao)無(wu)限(xian)遠(yuan)還(hai)是(shi)存(cun)在(zai)電(dian)阻(zu)。包(bao)含(han)電(dian)阻(zu)部(bu)分(fen)的(de)地(di)表(biao)麵(mian)叫(jiao)做(zuo)電(dian)阻(zu)區(qu)域(yu)。如(ru)果(guo)全(quan)電(dian)阻(zu)的(de)50％包含在電阻區域內，到2r就是電阻區域
；如果全電阻的90％包含在電阻區域內，到10r就是電阻區域。

 

七、接地電阻理論有待提升

 

從接地電阻定量的定義來看，定義中存在著兩個值得思考的問題。

 

①電阻的最初概念是來自歐姆定律，即R=U/I。歐姆定律的適用範圍是金屬導體
，而土壤並不是金屬導體。所以用歐姆定律來定義接地電阻是不適宜的。

 

②歐姆定律隻用於電路，而土壤層不是“路”


，而應該是“場”。

 

人們又發現
，在接地係統本身，也存在著許多電磁幹擾，它可以通過各種耦合途徑去影響電子係統的正常工作。於是就想到“浮地”，讓(rang)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)的(de)地(di)線(xian)在(zai)電(dian)氣(qi)上(shang)與(yu)建(jian)築(zhu)物(wu)的(de)接(jie)地(di)保(bao)持(chi)絕(jue)緣(yuan)，這(zhe)樣(yang)，建(jian)築(zhu)物(wu)接(jie)地(di)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)不(bu)會(hui)傳(chuan)遞(di)到(dao)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)上(shang)去(qu)，地(di)電(dian)位(wei)的(de)浮(fu)動(dong)對(dui)設(she)備(bei)也(ye)沒(mei)有(you)影(ying)響(xiang)。但(dan)是(shi)浮(fu)地(di)又(you)帶(dai)來(lai)新(xin)問(wen)題(ti)
，如(ru)容(rong)易(yi)產(chan)生(sheng)靜(jing)電(dian)積(ji)累(lei)。當(dang)雷(lei)電(dian)感(gan)應(ying)較(jiao)強(qiang)時(shi)，外(wai)殼(ke)和(he)其(qi)內(nei)部(bu)電(dian)子(zi)電(dian)路(lu)間(jian)可(ke)能(neng)會(hui)出(chu)現(xian)很(hen)高(gao)的(de)電(dian)壓(ya)，將(jiang)兩(liang)者(zhe)之(zhi)間(jian)的(de)絕(jue)緣(yuan)擊(ji)穿(chuan)
，造(zao)成(cheng)電(dian)子(zi)電(dian)路(lu)的(de)損(sun)壞(huai)。

 

因此，減少幹擾的關鍵不僅是減小接地電阻值，更重要的是設法減小係統漏向接地係統中去的電流。許多DCS

、PLC產品，對接地電阻值大小的要求相差甚遠。要求高的如1Ω
，要求低的隻要100Ω即可，其原因就在係統的絕緣性能和漏電流上的差異。

 

任何一種設備中的電子部分，包括控製係統在內，對正常工作條件（包括自然環境條件、電氣工作條件以及機械工作條件）的要求越高，意味著產品本身的性能和可信性越差。

 

 

推薦閱讀：