冲击接地电阻值和工频接地电阻值的区别

接地电阻是指在工频电流或直流电流流过时的电阻，通常称为工频（或直流）接地电阻。而对于防雷接地中雷电冲击电流流过时的电阻，则称为冲击接地电阻。

冲击接地电阻可理解为：
冲击电流流过接地装置时，接地装置对地电位峰值与流入地中的电流峰值（冲击电流峰值）之比。

一、冲击接地与工频接地的区别

从物理过程来看，防雷接地与工频接地主要有两点不同：

1. 雷电流幅值大

雷电流幅值很大，会使地中电流密度增大，从而提高地中的电场强度，尤其在接地体表面附近更为明显。
当地电场强度超过土壤击穿场强时，会发生局部火花放电，使土壤电导增大。

试验表明，当土壤电阻率为 50 Ω·m、预放电时间为 3～5 μs 时，土壤的击穿场强约为 6～12 kV/cm。

因此，同一接地装置在幅值很高的雷电冲击电流作用下，其接地电阻通常小于工频电流下的数值。
这一过程称为火花效应。

2. 雷电流等值频率高

雷电流的等值频率很高，会使接地体本身呈现明显的电感作用，阻碍电流向接地体远端流通。
对于长度较大的接地体，这种影响更显著。结果是接地体得不到充分利用，接地电阻值可能大于工频接地电阻。
这一现象称为电感影响。

二、冲击系数

由于上述原因，同一接地装置具有不同的冲击接地电阻值和工频接地电阻值，两者之比称为冲击系数，记为 $a$。

$a=\frac{R_f}{R_i}$

其中：

• $R_f$：工频接地电阻

• $R_i$：冲击接地电阻

这里所说的冲击接地电阻，是指接地体上的冲击电压幅值与冲击电流幅值之比。
严格来说，它实际上应是接地阻抗，但工程上习惯仍称为冲击接地电阻。

冲击系数 $a$ 与接地体的几何尺寸、雷电流的幅值和波形、土壤电阻率等因素有关，通常需要通过实验确定。

一般情况下，由于火花效应大于电感影响，所以通常有：

$a<1$

但在电感影响明显的情况下，也可能出现：

$a\ge 1$

工程上，冲击接地电阻一般要求小于 10 Ω。

三、冲击接地电阻的定义

冲击电流或雷电流通过接地体流向大地时，接地体所呈现的电阻称为冲击接地电阻。

冲击接地电阻与工频接地电阻不同，主要原因是：

1. 冲击电流幅值可能很大，会引起土壤放电；

2. 冲击电流的等效频率比工频高得多。

当冲击电流进入接地体时，会引起一系列复杂的过渡过程。
在每一瞬间，接地体呈现的有效电阻值都可能不同，而且接地体上最大电压出现的时刻，也不一定就是电流最大的时刻。

为使冲击接地电阻 $R_{ch}$ 有明确的定义，通常规定：

$R_{ch}=\frac{U_m}{I_m}$

其中：

• $U_m$：接地体上的最大电压

• $I_m$：冲击电流峰值

由于 $U_m$ 和 $I_m$ 出现的时刻可能不同，所以 $R_{ch}$ 并不完全具有严格的物理意义。
但在工程上这种定义非常方便，因为我们更关心在一定 $I_m$ 下，接地体上的最大电压 $U_m$ 是多少，而在已知 $R_{ch}$ 的条件下可直接计算。

四、特殊情况下的取值说明

在某些情况下，为了进行数字处理，也会把雷电流波头时刻（如 $t=2.6\mu s$）接地体呈现的电阻作为冲击接地电阻。
对于某一特定“值”的冲击接地电阻，应结合具体定义加以说明。

对于单一的集中接地体，由于尺寸不大（相对于冲击波波头长度而言），通常不必考虑明显的波过程。
即在讨论其冲击接地电阻时，可以不考虑电感和电容的影响，认为其冲击接地电阻与冲击波频率无关。

此时，使冲击接地电阻与工频接地电阻不同的主要因素是：

• 强大的冲击电流流入土壤后形成很强的电场；

• 使土壤发生强烈的局部放电现象。

一般土壤由于是不均匀介质，其耐压强度约为 8.5 kV/cm。
在土壤电阻率 $\rho =100\mathrm{\Omega }\cdot m$ 时，使土壤放电的电流密度可按下式估算：

一般土壤由于是不均匀媒质，所以其耐压强度只有 8.5 kV/cm 左右。
在 $\rho =100\mathrm{\Omega }\cdot m$ 时，使土壤放电的电流密度为：

$J=\frac{E}{\rho }=\frac{8.5\text{ kV/cm}}{100\mathrm{\Omega }\cdot m}=0.85{\text{A/cm}}^2$

如果接地极长 3 m、直径 4 cm，则其表面面积为：

$S=\pi dl=\pi \times 4\times 300\approx 3770{\text{cm}}^2$

所以当电流达到：

$I=J\cdot S=0.85imes3770\approx 3200\text{ A}\approx 3.2\text{ kA}$

时，其周围土壤即已发生放电现象。

五、冲击放电的工程现象

如果接地极长 3 m、直径 4 cm，则其表面积为：

$3\times \pi \times 4=3770{\text{cm}}^2$

所以在约 3.2 kA 时，其周围土壤即已可能发生放电现象。
实际上，由于电流场不均匀，在更小的雷电流下就可能在土中发生放电。

实验表明：当单根水平接地体的电位为 1000 kV 时，火花放电区域的直径可达 70 cm。

实际中常遇到的雷电流总在 10 kA 或数十千安以上，这时在土中形成的强烈放电可使土壤的等值电阻率 ${\rho }_d$ 大为减小；也可以理解为保持 ${\rho }_d$ 不变，但接地体的等值直径大为增加。
因此，此时接地体的冲击接地电阻将比工频接地电阻小。

上述结论显然适用于尺寸不大的复合集中接地体，例如：

• 由 3～5 根 2.5 m 长的直接地极组成；

• 或由 3～5 根 10 m 长的水平接地极组成的复合接地装置。

六、由多根接地体组成的复合接地体

由 $n$ 根接地体并联形成的复合接地体，其冲击接地电阻可由各个接地体的冲击参数综合求得。

七、冲击电流通过接地体散流的特性

冲击电流通过接地体向大地散流时，情况较为复杂，归纳起来具有以下特性：

（1）电阻、电导、电感和电容共同起作用

由于冲击电流相当于高频电流，因此除接地体的电阻和电导外，接地体的电感和电容也会对冲击阻抗产生影响。
其作用大小取决于：

• 接地体的形状；

• 冲击电流的波形和幅值；

• 土壤的电气参数 $\rho$ 和 ${\epsilon }_r$。

（2）火花放电使等效直径增大

当接地体表面的电流密度达到一定数值时，会产生火花放电现象。
其结果相当于接地体的直径增大了一些，从而改变其冲击接地特性。