建筑結(jié)構(gòu)體的電氣特性及接地電阻的計算

在接地電極中，有人工接地極和自然接地極之分。將棒狀、線狀、板狀等接地極施工在大地的稱為人工接地極，利用水管等的屬于自然接地極。自然接地極并不是那種以接地為目的的施工物體，而是將與大地接觸的導電性物體來代替接地極使用。這種物體以前使用水管，但近幾年水管用PVC材質(zhì)制成，很多場合已經(jīng)不能作為代用接地電極。于是就利用建筑結(jié)構(gòu)體的地表下的部分。提出用建筑結(jié)構(gòu)體作為接地極想法的是美國的H.G.Ufer，“Ufer電極”的名稱由此而來。

1.何謂結(jié)構(gòu)體接地電極

建筑結(jié)構(gòu)體接地的必要條件是結(jié)構(gòu)體必須為鋼架，鋼筋混凝土制造，而不是磚、沙漿或木質(zhì)的。所謂接地電極就是安裝在大地上的構(gòu)件，起著電氣端子的作用。結(jié)構(gòu)體接地就是把接地線連接到作為結(jié)構(gòu)體一部分的鋼架或鋼筋上，使結(jié)構(gòu)體起到接地電極的作用，如圖1所示。由于鋼架或鋼筋本身具有很好的導電性，而且貫穿到整個建筑物并通過混凝土與大地接觸。只要混凝土不是絕對的絕緣物，從宏觀上就可以認為結(jié)構(gòu)體是一個接地電極。鋼筋混凝土制的基礎等也是一種接地電極。

圖1結(jié)構(gòu)體接地示意圖

如果這些建筑結(jié)構(gòu)體的接地電阻低，就可以認為它是良好的接地極。尤其是在建筑結(jié)構(gòu)體中的機電設備配置的機器或配管，已經(jīng)直接或借助其他物體與鋼架、鋼筋有無數(shù)點的接觸，存在著可靠的電氣連接，這種情況就不再需要實施人工接地，只需使用自然接連就可以了，如圖2所示。

圖2接地示意圖

2.建筑結(jié)構(gòu)體的電氣特性

在鋼架構(gòu)造、鋼筋混凝土構(gòu)造和鋼架-鋼筋混凝土構(gòu)造的建筑物中，本體結(jié)構(gòu)牢固，柱或梁等相互緊密結(jié)合。這種建筑結(jié)構(gòu)體在構(gòu)造上的一體化影響著結(jié)構(gòu)體的電氣特性。也就是說建筑結(jié)構(gòu)體的各個部分是以很低的電阻值相互連接著，即建筑結(jié)構(gòu)體是以導體構(gòu)成的“電籠（Cage）”。

鋼架構(gòu)造的廠房，因鋼架之間是用鉚釘或螺栓連接著，能得到良好導體構(gòu)成的“電籠（Cage）”狀態(tài)。鋼筋混凝土構(gòu)造的廠房，在混凝土中的鋼筋與鋼筋之間是分離的，但在鋼筋之間填滿了混凝土。從外觀看混凝土像是堅硬的石頭，但是它比一般的巖石吸水性大，因此濕潤狀態(tài)的混凝土的電阻率相當?shù)?。再加上軀體或柱還有很大的斷面積，所以即使是鋼筋混凝土構(gòu)造的廠房，結(jié)構(gòu)體的各部分也是以低電阻連接的，于是也可以將它看作是“電籠”。

在實際施工中，工程人員曾實測某鋼架構(gòu)造高層建筑結(jié)構(gòu)體電阻的結(jié)果，從屋頂?shù)降叵乱粚拥闹绷麟娮枋?0-3Ω。另外，利用雙電橋?qū)崪y鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的三層樓結(jié)構(gòu)體的電阻，直流電阻為10-2Ω左右。從這些實測結(jié)果可以知道建筑物結(jié)構(gòu)體是具有低電阻的良導體狀態(tài)。

從電氣特性的觀點來說，結(jié)構(gòu)體可以看作是一種立體的電路網(wǎng)，如圖3所示。

圖3 形同電路網(wǎng)的建筑結(jié)構(gòu)體

另外，“電籠”一詞，相當于是把建筑物中的鋼架構(gòu)或鋼筋編織成用金屬絲（良導體）制作的鳥籠子一樣，如圖4所示。

圖4 建筑結(jié)構(gòu)體是“電籠”

3.建筑結(jié)構(gòu)體的接地電阻

建筑結(jié)構(gòu)體的地表以下部分稱為地下部分，它與大地接觸著。若將結(jié)構(gòu)體接觸大地部分的全表面積置換成半球狀電極，如圖5所示，就可以求出半球狀電極的半徑，從而計算出接地電阻。

圖5置換為半球狀電極

設結(jié)構(gòu)體與大地的接觸面積為A，半球狀電極的半徑為r，即表面積為2πr^2，等效半徑

其接地電阻R=ρ/2πr^2，圖6所示顯示出增大半徑r時接地電阻的變化情況。即半徑增大時，結(jié)構(gòu)體地下部分與大地的接觸面積增大，接地電阻就會變小。

圖6半球狀電極接地電阻的變化

下面用實例說明各種結(jié)構(gòu)體的實測接地電阻。如表1所示，這些結(jié)構(gòu)體都是鋼架、鋼筋混凝土構(gòu)造的，接地電阻非常低，遠比人工接地時的電阻值要小，尤其在場地面積受到限制的場合，優(yōu)先考慮結(jié)構(gòu)體接地的有效性。測定這些結(jié)鉤體的方法主要有電位降法。

表1結(jié)構(gòu)體接地的實測例

在美國電氣施工規(guī)程（NEC）中對混凝土包著的接地電極（Concrete Encased Electrode）的使用是認可的，如圖7所示，是一種結(jié)構(gòu)體的接地。但是，在混凝土底座中埋設長6m以上、截面積21mm^2以上的裸銅線。

圖7混凝土包著接地電極

混凝土的配比與吸水率、電阻率如表2所示。

表2 混凝土配比與吸水率、電阻率

接地電阻與接地電極的表面積成反比，表面積越大接地電阻越小。以表2的數(shù)據(jù)為基礎驗證特性的結(jié)果，如圖8所示。曲線畫在雙對數(shù)坐標紙上，橫軸是地下層的地面面積，縱軸是接地電阻。半球狀電極也具有同樣的形態(tài)。

圖8結(jié)構(gòu)體的地下層地面面積與接地電阻的關系（實測例）

4.建筑結(jié)構(gòu)體接地電阻的間接推定

將建筑結(jié)構(gòu)體地下部分的形狀置換成半球狀，就可以推定結(jié)構(gòu)體的接地電阻。首先計算結(jié)構(gòu)體與大地接觸部分的全部表面積，如圖9所示，計算結(jié)構(gòu)體的底面積與側(cè)面積的總和，但是基礎樁等的表面積不計。

圖9結(jié)構(gòu)體地下部分的總表面積的計算構(gòu)造圖

現(xiàn)假設建筑結(jié)構(gòu)體地下部分的總表面積為A（m^2），半徑為r（m）的半球表面積2πr^2。用半球狀置換結(jié)構(gòu)體的地下部分，則有2πr^2=A，即

式中，r是該結(jié)構(gòu)體的等效半徑。如果再假設施工地點的大地電阻率為ρ，由半球狀電極的接地電阻公式可求得結(jié)構(gòu)體的接地電阻R為：

根據(jù)上式，從大地電阻率與結(jié)構(gòu)體地下部分的總表面積可以間接得出接地電阻。以大地電阻率為參數(shù)，總表面積與接地電阻的關系如圖10所示。

圖10建筑結(jié)構(gòu)體的接地電阻

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