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接地系统的冲击接地阻抗
高才德
一
概述
近年来，随着微电子技术的发展和高频通讯接地技术，防雷接地技术、军事防电磁脉冲接地技术等的需要，国内外的学者和实际工作者，对接地系统的“冲击接地阻抗”都进行了深入的研究、理论分析和实际的测量。国内外的标准，对如何测量冲击接地阻抗，也有明确的规定。
目前国内市场主要使用50Hz频率接地电阻测试仪。严格地说这种仪器非常适应电力系统或直流系统的接地工程要求。但对高频通讯、防雷、电磁脉冲等接地工程就不太合适。现在人们把为特定领域设计的地阻仪，广泛用于所有的接地工程领域，是否合理有待商量。本文对冲击接地电阻的有关问题进行探讨。
2
冲击接地阻抗TGR（Transient Grounding Resistance）
2.1、
有关冲击接地阻抗的论述
“近几年来，K.Tanabe(2000)用时域有限差分（FDTD）法，对高压输电线的铁塔在雷电泄流的情况下的TGR进行了计算，取得了与实测数据一致的结果，并分析了塔深及土壤电导率对TGR的影响”。
“TGR定义为瞬时的冲击电压Vt与冲击电流It之比Rt=Vt/It”
[1]
“如果取冲击电压和冲击电流瞬时值之比，则可定义为冲击接地阻抗”。“用大地作归路的接地电极，其冲击阻抗同样具有对偶性”。“1978年‘高层建筑通信大楼雷击试验’小组提出了雷云半径为r2,接地电极半径为r1时，对雷电流频率为f
的分量所呈现出的冲击接地阻抗为：
当
>>2πｆε时，λ>>2πr1,
λ－雷电流频率为f的分量所对应的波长。
Z（f）＝
（7）
式（7）表明了用于防雷的接地电极，其冲击接地阻抗和雷云的面积大小有关，计入了返回雷云的位移电流在地面上的磁场的作用。”
“因此，用大地作归路测量出来的冲击接地阻抗，只能近似地用于防雷接地。”
[2]
“但在接地工程中，不可能都进行接地电极的原型测量，需要有替代的方法”
[2]。这话说得既实际又中肯。
由以上的论述看出，2000年以来，国内外的学者对冲击接地阻抗的概念都有精确的论述和计算。现在，是如何解决测量冲击接地阻抗的问题。
2.2
冲击接地阻抗的标准
国标GB/T17949.1-2000,接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则第一部分，常规测量中：第10章部分内容是：
“10.
冲击接地阻抗
10.1 接地系统的冲击接地阻抗
10.1.1 通则
……瞬时阻抗通常是同一瞬间测得的所加瞬时电压和瞬时电流之商。这可以说有标准可查的“冲击接地阻抗”定义。
10.1.2
接地系统冲击接地阻抗的测量
……雷电流取1～100kA之间，典型接地阻抗为10Ω数量级。
10.1.3
测量电路”
[4]
2.3
标准测量电路组成
（1－高压冲击电流发生器
2－待测接地极
3－高压分压器
4－分流器
5－双线脉冲示波器
6－高压冲击电流发生器接地极）
标准说通常用双线脉冲示波器和冲击电流发生器同步联动来实现，同时记录电压和电流的冲击波（有时还要把波形拍照）。按图所示用两条等长同轴电缆连接起来。按电压和电流示波图连续时间间隔，逐点计算该二暂态量的商，即可得出冲击接地阻抗值。
2.4
冲击阻抗测试仪
上述这种测量方法很好，但仍是原型测量方法。正如前面所说：在接地工程中，不可能都进行接地电极原型测量，需要有一种替代方法。在标准图1的启示下，人们把上面图中的高压电流发生器、分压器、分流器、计算器和数字显示器……组合在一体，开发制造出一种新的冲击阻抗测试仪。
2.5
冲击阻抗测试仪用途和性能
用途：
用于测试如雷电冲击波产生的冲击阻抗。
能够测量传输线铁塔（塔顶部与避雷线是电气连接）、通讯天线的塔根、避雷器、避雷针等冲击接地阻抗（Transient
Grounding Resistance），还可以测量电缆、电工设备的冲击阻抗。
主要性能:
供电方式直流。1号电池8节，12V。发生器能产生单级性脉冲电压5KV。电流波形为0.5μｓ/200μｓ。测量范围1～199Ω分为两档。数字显示为三位半。重量约为6kg。便于携带，使用方便。辅助接地点对称分布在被测接地体左右两侧同一直线上；长度由10米、30米……90米、120米供选用。
3
测量冲击接地阻抗的必要性和可能性
3.1 必要性
根据技术发展的需要，接地装置大体为两种，即低频接地和高频接地。两种接地设计思想要求不一样。
（1）低频段
这里说的低频，主要指50Hz的工频（或说直流）。通常说的接地“电阻”确切地说应该是接地阻抗[4]。
由电路理论知：阻抗是复数阻抗
Z＝R+jX
[7]。
复数阻抗的模为：
Z＝
＝
＝
由上述公式和图2曲线可以看出，阻抗是频率的函数。
X＝XL-XC
XL＝ωL＝2πfL
XC＝1/2πfc
当X＝0时,阻抗等于电阻，即Z＝
＝ｒ
频率很低时（或直流）也可以看成Z＝ｒ，即阻抗值等于电阻值。也就是说频率为50Hz时，可以忽略频率效应。实际上也是可以不计的，例如一根长61m的水平接地体在50Hz时，它的感抗是：
XL＝2πfL＝2×3.14×50×4×10-6=0.0013Ω
电阻ｒ=1Ω,因ｒ>>XL
，阻抗就等于电阻。2C－XXXX型摇表测试的值就是此值，按厂商推荐的方法测量得到的值是负误差50％[6]
（2）
高频段
现代防雷包含：防直击雷（脉冲）、雷电电磁脉冲、有源干扰脉冲和信息电磁泄漏等，这些脉冲其频率是10KHz～几百兆Hz～几千兆Hz。这是实实在在的高频脉冲。防上述电脉冲的接地装置，要流过高频电流，在高频信号激励下接地阻抗大大增加。“现代电子系统绝大多数已数字化，其怕干扰的频率为数十乃至数百MHz。因此，上述所指出的接地阻抗和接地线感抗将会增至很大。所以说，功能性接地电阻要求很低的直流到工频接地电阻（如0.5-1Ω）是毫无意义的，而且浪费了人力和财力”
[7]。 只有测准“冲击接地阻抗”，且设法降低其值，才有实际使用意义。
以上述61m长接地体为例，在小于10KHz的频率下，阻抗约为6～7Ω左右，当频率增高到1MHz时，其阻抗值增大到52Ω左右。
图2为接地体的阻抗与频率的关系曲线
从图中可以看出，当频率再高时，阻抗将大大增加[7]。
综上所述，不同的频率信号作用于同一接地体时，呈现出不同的接地阻抗。在低频段，导体的电阻是主要贡献者，电抗或者感抗ΧL＝2πfL是可忽略不计的。而在高频段，感抗ΧL＝2πfL，是阻抗的主要贡献者，而电阻是可以忽略的（参考表1、表2的电阻值、电感值）
由此可见，测量接地装置冲击接地阻抗，是保证良好防雷效果不可或缺的手段。
3.2
可能性
关于接地系统“冲击接地阻抗”的概念，国际上在上世纪八十年代已列入标准[11]。根据标准推荐使用的冲击接地阻抗原型测量原理，国际、国内在80年代后期，已经开发研制出冲击接地阻抗测试仪。
从目前国内相关专业刊物报导看，当提到接地电阻测量仪器时，首先提到是ZC－XXXX型接地电阻测试仪（简称为摇表），或同类型的晶体管地阻仪和钳形表。
这些都是工频仪器。测得的值是接地电阻，而且测量误差很大。测不出阻抗值，更测不出冲击接地阻抗值。
总之，现在国内不仅有摇表、钳形表，也有与国际同步的“冲击接地阻抗”测试仪，因此可以说，测量接地工程中的冲击接地阻抗的可能性是存在的。
4
结束语
在现代防雷技术中，尤其是军用电子信息系统雷电与电磁防护中、对雷电电磁脉（LEMP）、核电磁脉冲（NEMP）、信息电磁泄漏（TEMPEST）、“微波炸弹”的防护中，不仅要有良好的接地，而且还要按需进行交直流接地、高频接地、防雷接地和安全接地等。应该说在这些接地中，高频接地、防雷接地应该测试冲击接地阻抗值。随着发展和需要人们一定会认识到测量冲击接地阻抗重要性。
参考资料
[1]
冲击接地阻抗的时域分析.中国防雷.2005
NO.4（总第22期）
[2]
接地电阻和电磁学.中国防雷.2005
NO.5（总第23期）
[3]
脉冲泄流时的冲击接地阻抗（TGR）分析.雷电防护与标准化.2003-2.43～46
[4]
接地系统土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则第一部分
常规测量.
GB/T17949.1-2000
[5]
交流电气装置的接地.
DL/T621-1997
[6]
通信局站接地电阻测试中的有关问题.中国防雷.
2005 NO.4 (总第23期)
[7]
防雷世界商情
2005.11.13-19
[8]
波道分流理论.雷电防护与标准化.
2002.1期.26
[9]
电子设备雷击试验方法.
GB3482-83
[10]
解广润.电力系统过电压.水利电力出版社
[11]
ANSI/IEEE 81、、83
Guide for measuring earth resistivty, ground impedance and
earth Surface Potentials of a ground System-Part 1:Normal
measuren-ts
[12]
K Tanabe “Calculation Results for Dynamic Behavior of
Grounding Conductors Obtained Using the FDTD Method”
25th international Conference
on Lingtning Protection ICLP 2000 P452-457 Rhodes-Greece 18-20
September 2000
[13]
雷电防护与标准化.2004.1期.49
[14]
IEC99-1 Third edition 1991-05
Surge
arresters Part 1
Non-linear
resistor type gapped surge arresters for a.c systems
[15]
中国电子商情防雷技术.2005.10月号.20-26
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