4   单根电缆作接地线

为了有助于对使用单极导线作接地线的工作状态的理解,从图1中对单相对地故障特性做一个简略的叙述。

图1  单根电缆接地示意图

从图中可以看出,接地线与供电系统接地的导线、建筑物的框架和该线路电源端的接地均进行连接。

对于单根接地线性能的试验,美国一文献中证实,设想有61m长的相线与建筑物的框架没有与任何其他接触,也符合绝缘要求和耐压要求,如果线路容量设为350A,温度为+25℃时,采用一根253.35mm2的导线作为相线，以及一根107.16mm2的导线作为接地线(铜的纯度按世界标准定)，这时设定在远端线对地故障电流为5500A，做了如下分析:

首先要认定三个数值,就是相线与接地线间的距离为2″(5lmm)、8″(203mm)和30″(762mm)。首先来看相线和接地线在工频情况下,它的阻抗值,长度为61m,单位为Ω,它的电阻(R)、电抗(X)、阻抗(Z)如表1、表2所示。

从表1、表2中不难看出,沿接地线的电压降(IQZG)在接地线的远端就会出现一个电压。
假设当接地故障电流IQ还为5500A时,对于上述三种间距产生的电击电压值为:间距51mm,100.1V;203mm,124.3V;762mm,151.3V。

从中不难看出,相、地间距的变化,也改变了相线的电抗值(相对于地线)。

相对应的相线电压降(在IQ保持5500A恒定时)为:间距51mm,52.8V;203mm,85.8V;762mm,118.3V。

从上述得知,接地线位置的变化将使相线的电抗值发生变化。这里引导出一个重要概念:虽然阻抗已将电阻和电抗表示为导线的特性,实际上电抗是围绕导线的空间电磁场的特性。对于导线的几何尺寸,依据电抗性电压降起因的磁场将呈现如图2所示的特性。

图2  导线的空间电磁场特性

两根导线间的整个空间宽度设为203mm和长为61m,相互间在工频的强磁场下,其激励磁势为5500安匝,这就形成了一个强大的电磁体。总的磁场中环绕接地线的那一部分被认为与接地线的电抗有关,而环绕相线的那一部分则被认为与相线的电抗有关。

在该磁场中一些部分磁通通过导电材料(如金属密封线槽、电线管子、钢结构框架、金属柜壳等)的环路,将在其主电力线环路里相应的一部分中感生出工频电压降,这里两个环路间没有实际的接触,相互耦合完全是磁性的,如果使电压相互耦合的环路闭合,那就不是一个电压而会出现一个循环电流,如图3所示。

图3  相线与地线的耦合关系

如果不是在场强最密集的地方,图3中所示沿接地线旁边有可能是一个环路,首先把这个环路看成是开路的,由于耦合,难免在其与接地线之间产生一个电压,当然间距越大,产生的电压也越高。如果把环路看成是一个闭合电路,通过这个环的磁链,该电压将会减少到接近于零伏。这又带来一个问题,此时的感应电流很可能还未减少,还是一个大值,即使把这根接地线穿入一根管子内,在带全负载时,电压降过大,导管也会发热,易于引发事故。如果组成一个短路的环路,将消除无用的电抗,避免钢导管发热,办法是要消除无用的电抗,采用金属螺旋导管穿在钢管内。接地线穿在金属螺旋管内,尽可能让它返回的距离缩短,然后让金屑螺旋管的两端本身也闭合。这样的安装方法,能使该线路电抗要比干线全程都处在空气中敷设时低(要全部消除全程的电抗,还有待探讨),同时循环电流在短路环路中流过时会产生一个小的附加电阻。当然金属螺旋管也可采用铜和其它低阻值的金属材料,不过造价将随之增加。

就上述单根独立导线作接地线(在空气中平行敷设),对于暴露的电压降而言,决定的关键因素如下:

(1)接地线的截面积;

(2)接地线的电阻率;

(3)接地线与相线之间的间距;

(4)接地故障的电流幅值与线路的长度。

5   绞合缆线

如果将一条线路的导线全部绞合或紧束在一起,这样就将相线和接地线之间的间距减小到绝缘体与绝缘体直接接触,但不能相互之间有压力,也不能松动。如图1的条件下所示。在工频时的电抗可减小到0.0053Ω,而相线可减至0.005Ω,但是发现接地线的阻抗改善较小,因为阻抗主要受限于电阻(标准设计接地线截面积小于相线)空间磁场已随之减小,对二次环行线路的磁耦合也相应减小。

相应的在三相四线和单相三线的电缆中，有效的电抗值能够进一步减小,并导致空间磁场强度相应减小。

6   全封闭的金属管槽

如果将接地线的金属护套做成管和槽的形状,在其中装设相线和中性线,效果又能得到明显的改善(就是用金属管槽作为接地线)。不难看出,回程接地故障电流本身就在整个封闭的金属管、槽范围内分布,从而达到最低的往返行程电压降(见图4)。

图4  封闭管槽用作接地线的示意图

这时当相对地故障时的电气效应如同同轴电缆的工作特性，除了管、槽内的电阻效应之外，全部电场和磁场都在管、槽内，外部空间磁场皆为零值。

通常的装设均用铁和钢来作为管和槽,对于此类材料作为护套,它都有较大的护套电阻(还与金属护套的几何形状有关),由于存在一个电阻性电压降,接地故障电流会沿着接地线产生一个电压梯度。是否可采用铝管和铝槽作为护套,或其它电阻低的材料作为护套,应当考虑到:一要保证它的刚性,二要电阻低,三要减少阻抗,四要考虑成本。

虽然钢的磁导率高,确实能形成较高的线对地故障阻抗的原因,理解起来似乎铝管槽外壁的电压降会增大,但上述文字谈到,依据磁性材料的效应是将回程电流主要限制在管道的内层,只是在铁磁材料形成磁饱和时才能穿透到外表面,故在选择管槽时,尽量选择壁厚的金属管槽(要看容量大小)。

在图1中列出的线路位置,是我国在早期有这一现象,这里是用来说明接地线故障带来的热效应的机理。从60年代初期开始科学技术迅速发展,电子信息技术的飞跃进步,至今接地各有论述,大家所从事的系统不一样,所处的经纬度不同,地下的各种化学成分也不同等等,各有不同的理念。作为一门科学是可以理解的,但具体到某一系统,如广电系统、电力、电气化铁路、不同地区的智能化大楼、城市建筑的密集程度等,就不同了。

从上述看出,用刚性强的钢管和铝管来做管与槽时,从承受压力而言。钢比铝好,但从接地线成为封闭相线的一个管槽而言,对于电击电压暴露值Ec,铝管可以降至硬钢管的一半左右。

封闭的管槽用作接地线，必须要考虑在短路时的载流容量和电气工作的连续性，这两点是要注意的。

作者简介

雷鸣文,男。原电子工业部第15研究所高级工程师。从事电子信息平台中电磁兼容技术研究工作44年,在国内第一个开发了“深井注入法”低接地电阻技术得到广泛应用。退休后被国家电子计算机质量监督检验中心、信息产业电子机房工程及设备检测验收中心聘为技术专家。曾主编财政部《金财工程》机房技术教材,参与编制广电部《广播电视工程工艺接地技术规范》等标准。 (未完待续)

（御风）