建筑结构体的电气特性及接地电阻的计算

在接地电极中，有人工接地极和自然接地极之分。将棒状、线状、板状等接地极施工在大地的称为人工接地极，利用水管等的属于自然接地极。自然接地极并不是那种以接地为目的的施工物体，而是将与大地接触的导电性物体来代替接地极使用。这种物体以前使用水管，但近几年水管用PVC材质制成，很多场合已经不能作为代用接地电极。于是就利用建筑结构体的地表下的部分。提出用建筑结构体作为接地极想法的是美国的H.G.Ufer，“Ufer电极”的名称由此而来。

1.何谓结构体接地电极

建筑结构体接地的必要条件是结构体必须为钢架，钢筋混凝土制造，而不是砖、沙浆或木质的。所谓接地电极就是安装在大地上的构件，起着电气端子的作用。结构体接地就是把接地线连接到作为结构体一部分的钢架或钢筋上，使结构体起到接地电极的作用，如图1所示。由于钢架或钢筋本身具有很好的导电性，而且贯穿到整个建筑物并通过混凝土与大地接触。只要混凝土不是绝对的绝缘物，从宏观上就可以认为结构体是一个接地电极。钢筋混凝土制的基础等也是一种接地电极。

图1　结构体接地示意图

如果这些建筑结构体的接地电阻低，就可以认为它是良好的接地极。尤其是在建筑结构体中的机电设备配置的机器或配管，已经直接或借助其他物体与钢架、钢筋有无数点的接触，存在着可靠的电气连接，这种情况就不再需要实施人工接地，只需使用自然接连就可以了，如图2所示。

图2　接地示意图

2.建筑结构体的电气特性

在钢架构造、钢筋混凝土构造和钢架-钢筋混凝土构造的建筑物中，本体结构牢固，柱或梁等相互紧密结合。这种建筑结构体在构造上的一体化影响着结构体的电气特性。也就是说建筑结构体的各个部分是以很低的电阻值相互连接着，即建筑结构体是以导体构成的“电笼（Cage）”。

钢架构造的厂房，因钢架之间是用铆钉或螺栓连接着，能得到良好导体构成的“电笼（Cage）”状态。钢筋混凝土构造的厂房，在混凝土中的钢筋与钢筋之间是分离的，但在钢筋之间填满了混凝土。从外观看混凝土像是坚硬的石头，但是它比一般的岩石吸水性大，因此湿润状态的混凝土的电阻率相当低。再加上躯体或柱还有很大的断面积，所以即使是钢筋混凝土构造的厂房，结构体的各部分也是以低电阻连接的，于是也可以将它看作是“电笼”。

在实际施工中，工程人员曾实测某钢架构造高层建筑结构体电阻的结果，从屋顶到地下一层的直流电阻是10-3Ω。另外，利用双电桥实测钢筋混凝土结构的三层楼结构体的电阻，直流电阻为10-2Ω左右。从这些实测结果可以知道建筑物结构体是具有低电阻的良导体状态。

从电气特性的观点来说，结构体可以看作是一种立体的电路网，如图3所示。

图3 形同电路网的建筑结构体

另外，“电笼”一词，相当于是把建筑物中的钢架构或钢筋编织成用金属丝（良导体）制作的鸟笼子一样，如图4所示。

图4 建筑结构体是“电笼”

3.建筑结构体的接地电阻

建筑结构体的地表以下部分称为地下部分，它与大地接触着。若将结构体接触大地部分的全表面积置换成半球状电极，如图5所示，就可以求出半球状电极的半径，从而计算出接地电阻。

图5　置换为半球状电极

设结构体与大地的接触面积为A，半球状电极的半径为r，即表面积为2πr^2，等效半径

其接地电阻R=ρ/2πr^2，图6所示显示出增大半径r时接地电阻的变化情况。即半径增大时，结构体地下部分与大地的接触面积增大，接地电阻就会变小。

图6　半球状电极接地电阻的变化

下面用实例说明各种结构体的实测接地电阻。如表1所示，这些结构体都是钢架、钢筋混凝土构造的，接地电阻非常低，远比人工接地时的电阻值要小，尤其在场地面积受到限制的场合，优先考虑结构体接地的有效性。测定这些结钩体的方法主要有电位降法。

表1　结构体接地的实测例

在美国电气施工规程（NEC）中对混凝土包着的接地电极（Concrete Encased Electrode）的使用是认可的，如图7所示，是一种结构体的接地。但是，在混凝土底座中埋设长6m以上、截面积21mm^2以上的裸铜线。

图7　混凝土包着接地电极

混凝土的配比与吸水率、电阻率如表2所示。

表2 混凝土配比与吸水率、电阻率

接地电阻与接地电极的表面积成反比，表面积越大接地电阻越小。以表2的数据为基础验证特性的结果，如图8所示。曲线画在双对数坐标纸上，横轴是地下层的地面面积，纵轴是接地电阻。半球状电极也具有同样的形态。

图8　结构体的地下层地面面积与接地电阻的关系（实测例）

4.建筑结构体接地电阻的间接推定

将建筑结构体地下部分的形状置换成半球状，就可以推定结构体的接地电阻。首先计算结构体与大地接触部分的全部表面积，如图9所示，计算结构体的底面积与侧面积的总和，但是基础桩等的表面积不计。

图9　结构体地下部分的总表面积的计算构造图

现假设建筑结构体地下部分的总表面积为A（m^2），半径为r（m）的半球表面积2πr^2。用半球状置换结构体的地下部分，则有2πr^2=A，即

式中，r是该结构体的等效半径。如果再假设施工地点的大地电阻率为ρ，由半球状电极的接地电阻公式可求得结构体的接地电阻R为：

根据上式，从大地电阻率与结构体地下部分的总表面积可以间接得出接地电阻。以大地电阻率为参数，总表面积与接地电阻的关系如图10所示。

图10　建筑结构体的接地电阻

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