高電阻地區(qū)接地技術(shù)研究

陳剛 / 潘彬 (中國航天建設(shè)集團有限公司， 北京 100071)

摘要通過對高山巖石地區(qū)地質(zhì)的分析研究，給出高電阻地區(qū)幾種接地設(shè)計方式，并結(jié)合工程實踐，對幾種接地方式進行優(yōu)缺點分析，希望能夠?qū)Νh(huán)境惡劣地區(qū)的接地設(shè)計起到一定的參考作用。

關(guān)鍵詞高電阻地區(qū) 接地 接地裝置

AbstractThrough the analysis and research of the mountain rock area geology, several design methods for high resistance grounding area are put forward，and combined with engineering practice, the analysis on the advantages and disadvantages of several grounding ways is made to give reference to the grounding design in harsh areas.

Keywordshigh resistance region, grounding, earth-termination system

0引言

國防系統(tǒng)的各種建筑工程如試驗樓、測試樓、總裝廠、儲存庫等由于安全原因，往往選址在人煙稀少的山區(qū)，這種地區(qū)一般屬于巖石性的高電阻地區(qū)，使用常規(guī)方法施工要達到較低電阻值很困難。國防系統(tǒng)的工程一般要求聯(lián)合接地阻值小于1Ω，對部分測試類項目要求接地電阻小于0.5Ω，為了達到接地阻值要求必須采用特殊方法，本文結(jié)合某航天工程來闡述高電阻地區(qū)接地方案。

1工程案例情況介紹

該工程接地系統(tǒng)主要包括三種：

1)一類防雷建筑物防直擊雷接地：本項目部分建筑物為火工品庫，屬一類防雷建筑物，一類防雷建筑物采用架空避雷線塔的獨立接地裝置來防直擊雷，每一引下線沖擊接地電阻不大于10Ω。

2)工藝用測試接地：本項目設(shè)有工藝用測試接地，采用獨立接地裝置，接地電阻不大于0.5Ω。

3)聯(lián)合接地：本項目為普通防雷接地、弱電系統(tǒng)接地、設(shè)備保護接地等聯(lián)合接地系統(tǒng)，共用接地裝置，接地電阻要求不大于1Ω。

項目在實施過程中做了接地測試，由數(shù)棟建筑物接地電阻測試結(jié)果來看，接地效果不太理想，大部分建筑物接地電阻較高，一般為15～35Ω，不滿足設(shè)計要求。分析其主要原因是所在地區(qū)基本為巖石地區(qū)，土壤電阻率太高所致。根據(jù)該工程巖土工程勘察報告顯示：根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和鉆探成果，大致為第四系上更新統(tǒng)殘坡積層、沖洪積層黃土狀粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)粘土。

第1層：人工填土，以粘質(zhì)粉土為主，含植物根和有機質(zhì)，位于人工開墾的坡地之上，厚度一般為0.2～1.2m。

第2層：第四系上更新統(tǒng)殘坡積層、沖洪積層黃土狀粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土稍濕-濕，稍密-中密，空隙發(fā)育，含少量碎石及植物根。本層厚度為0.3～3.3m。

第3層：第四系上更新統(tǒng)殘坡積黃土狀粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)粘土，硬塑-堅硬，含有少量碎石。本層及亞層厚度介于0.2～5.1m。

本次勘察在局部地段發(fā)現(xiàn)第2層、第3層為濕陷性黃土。場地濕陷類型為非自重濕陷黃體場地。

第4層：強風(fēng)化白云巖。

第5層：中風(fēng)化白云巖。

第6層：微風(fēng)化白云巖。

參照地質(zhì)勘察報告及總平面圖分析發(fā)現(xiàn)很多建筑物所在區(qū)域電阻率較高，電阻率為500～1 500Ω·m。

結(jié)合地質(zhì)勘察報告以及接地電阻測試數(shù)據(jù)，設(shè)計師考慮需采用特殊措施來降低接地電阻。

2降低接地電阻方案

常見的傳統(tǒng)降低接地電阻方案有如下幾種：

1)外引接地

當(dāng)接地裝置附近不遠處有導(dǎo)電性能良好、電阻率低的土壤或者水源時，可以采用敷設(shè)外引接地極的方式。在附近電阻率低的土壤中敷設(shè)接地極或者在水下敷設(shè)接地網(wǎng)，然后再利用接地線(如扁鋼帶)引接過來作為外引式接地。

此種方式主要對附近有水源的地區(qū)比較適用，但采用這種方式有一些需要注意的事項，首先外引接地裝置要避開有人通行的道路，以防產(chǎn)生跨步電壓觸電；且必須考慮到外引接地極主干線自身電阻所帶來的影響，此種方式實用效果較好，但限制條件較多，利用率不高。

2)更換土壤(換土法)

這種方法主要是在接地體1～4m范圍內(nèi)，將原有較高電阻率的土壤更換為電阻率較低的土壤，可以采用粘土、泥炭、黑土及砂質(zhì)粘土，也可以采用焦炭粉和碎木炭。

但這種方式有一個明顯的缺點，由于土壤的電阻率容易受到外界壓力和溫度的影響，如沙石、沙礫等地區(qū)，采用此種方案效果較好；但在巖石地區(qū)采用該種方案施工難度很大，而且也難以達到比較理想的效果。

3)人工處理土壤(對土壤進行化學(xué)處理)

這種方法主要是利用化學(xué)處理方式改變接地體周圍土壤的電阻率。主要方式是通過對接地體周圍土壤加入一些化學(xué)物質(zhì)，提高接地體周圍土壤的導(dǎo)電性，這些常用的化學(xué)物質(zhì)主要有煤渣、木炭、爐灰、氮肥渣、電石渣及石灰等，如將氯化鈣、食鹽、硫酸銅或硫酸鐵等溶液浸漬接地極周圍的土壤，對提高土壤導(dǎo)電率更為有利。

這種方式工程造價低、施工簡單、占地面積小且降阻效果較好，尤其當(dāng)接地體為扁鋼、圓鋼等平行接地體時，采用這種方法接地效果更好。但這種方法也存在著弊端，首先這種方式對于巖石及含石較多的土壤效果不大，另外這種方式會降低接地體的穩(wěn)定性、加速接地體的腐蝕、減少接地體的使用年限，并且隨著加入的化學(xué)物質(zhì)的融化流失，土壤電阻率又會變大，采用這種方式一般經(jīng)過兩年后需要再進行土壤處理。

4)深埋接地極(深埋法)

這種方式主要是將長度較長的接地極深埋至土壤深處。這種方法比較適用于建筑物擁擠或敷設(shè)接地網(wǎng)的狹窄區(qū)域等場合。這些場合采用傳統(tǒng)方法很難找到埋設(shè)接地極的適當(dāng)位置，且安全距離無法保證。

這種方式對含砂土壤最為有效，因為含砂土壤含砂層大都處在3m以內(nèi)的表面層，土壤深處電阻系數(shù)較低，接地極深埋到土壤深處可以提高導(dǎo)電性，而且由于接地極深埋地下，使跨步電壓顯著減小，這對保障人身安全很有利，這種方法成本不高且效果顯著。但該方法施工難度較大，采用人工深埋接地極幾乎不可能，必須采用機械打孔深埋方法。而且采用這種方式需要事先對區(qū)域內(nèi)深層土壤進行實測，如果深層土壤電阻率也無法達到要求，則無法采用此種方式。

5)采取深井接地

當(dāng)?shù)叵螺^深處電阻率較低時，可以采用鉆機鉆孔(也可利用勘探鉆孔)，把鋼管接地極打入井孔內(nèi)，并向鋼管內(nèi)和井內(nèi)灌注泥漿。針對本項目環(huán)境實際情況，根據(jù)實測地下較深土壤電阻率較低，結(jié)合本工程接地的需求，針對深井接地方式做出如下設(shè)計方案：

以井深50m為例，根據(jù)巖土工程勘察報告，場區(qū)及附近第一層(0～1m)為人工填土，土壤電阻率分布為350～600Ω·m；第二層(1～6m)為黃土狀粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)粘土，含少量沙石，土壤電阻率分布為800～1 300Ω·m；第三層(6～40m)多為強風(fēng)化白巖層、中風(fēng)化白巖層，土壤電阻率分布為1 600～2 100Ω·m；第四層(40～42m)為水位，土壤電阻率分布為50～70Ω·m；第五層(42～50m)為微風(fēng)化白巖層，土壤電阻率分布為2 400～2 800Ω·m。

第一層理區(qū)深度(h1=6m)：

平均土壤電阻率：

取季節(jié)系數(shù)為1.4時：

ρ1=1.4×762.5=1 067.5Ω·m。

第二層理區(qū)深度(h2=34m)：

取季節(jié)系數(shù)為1.4時：

ρ2=1.4×1 450=2 030Ω·m。

第三層理區(qū)深度(h3=2m)：

取季節(jié)系數(shù)為1.4時：

ρ3=1.4×955=1 337Ω·m。

第四層理區(qū)深度(h4=8m)：

取季節(jié)系數(shù)為1.4時：

ρ4=1.4×1 330=1 862Ω·m。

水平層理方向的土壤電阻率：

垂直層理方向的土壤電阻率：

該層狀結(jié)構(gòu)巖土的平均電阻率：

單根垂直接地極接地電阻的計算公式：

式中，R為垂直接地極的接地電阻；ρ為土壤電阻率；L為垂直接地極的長度；d為接地極的等效直徑。

通過計算得出，當(dāng)接地井設(shè)計深度為50m時，土壤平均電阻率ρ=1 819Ω·m，每口接地井的接地電阻約為31.86Ω。另計算，當(dāng)接地井設(shè)計深度為10m時，土壤平均電阻率ρ=1 132Ω·m，每口接地井的接地電阻約為70.12Ω；當(dāng)接地井深為70m時,土壤平均電阻率ρ=1 632Ω·m，每口接地井的接地電阻約為24.17Ω。

綜合考慮地下水層的分布和深度，對接地網(wǎng)工頻接地電阻的影響以及深井不同深度情況進行對比，當(dāng)井深為50m時，性價比較高，此時深水井可穿透地下潛水層，有效降低接地網(wǎng)工頻接地電阻。每口接地井內(nèi)采用3根離子接地極，該接地極具有接地降阻效果好、使用壽命長等優(yōu)點，接地極間連線采用95mm2裸銅線連接，整個井內(nèi)采用長效物理降阻劑高壓灌注，降阻劑用量為40kg/m，當(dāng)深井接地極周圍加降阻劑后，可減少土壤平均電阻率，降阻率取0.25，代入R=R1×0.25,此時單根接地極接地電阻7.96Ω，若接地電阻為1Ω，則需接地井個數(shù)為7.96/(3×1)=3(取整)，每口井3根接地極，若接地電阻為0.5Ω,則需接地井個數(shù)為7.96/(3×0.5)=6(取整)，每口井3根接地極。

為方便對深井進行維護，需在井口設(shè)置檢查井。接地深井的布置間距應(yīng)大于兩倍深井長度，以減小屏蔽作用，充分提高垂直接地體的降阻效果。每個地網(wǎng)井與井之間用95mm2銅線連接，并用熱熔焊接，提高整體防腐效果，連接線周圍施加長效物理降阻劑。

采用該種方案后可達到接地阻值要求。

6)利用降阻劑及模塊化非金屬接地極降低接地電阻

針對本項目環(huán)境實際情況，結(jié)合本工程接地的需求，采用降阻劑及模塊化非金屬接地極降低接地電阻方式進行了設(shè)計分析：

首先根據(jù)接敷設(shè)接地體的土壤電阻率，確定低電阻接地模塊的數(shù)量，計算公式如下。

式中，ρ為埋置地層的電阻率，Ω·m；a、b為Ⅰ型模塊的長、寬，m；M0為模塊調(diào)整系數(shù)，KS-D-I型取0.38；Rj為單個模塊接地電阻值，Ω。

通過計算得出，土壤電阻率按換土、加降阻劑后為500Ω·m計算，單模塊的接地電阻約為93Ω；土壤電阻率按換土、加降阻劑后為300Ω·m計算，單模塊的接地電阻約為56Ω。

連接兩模塊的扁鋼可作為水平接地帶，其單根扁鋼(3 000×50×5)接地電阻計算公式為：

式中，R0為單根連接扁鋼接地電阻，Ω；ρ為埋置地層的電阻率，Ω·m；L為單根扁鋼長度，m，取3；h為扁鋼埋地深度，m，取1；d為1/2扁鋼寬度，m，取0.025；A為形狀系數(shù)，本次扁鋼取0.89。

水平接地極形狀系數(shù)參見表1。

表1水平接地極的形狀系數(shù)A

通過計算得出，土壤電阻率按換土、加降阻劑后為500Ω·m計算，單根扁鋼的接地電阻為162Ω；土壤電阻率按換土、加降阻劑后為300Ω·m計算，單根扁鋼的接地電阻為97Ω。

綜合考慮單個非金屬接地模塊與單根連接扁鋼組合后，其單模塊整體接地電阻可按下式計算：

式中，R為單個模塊與單根扁鋼組合后，其單模塊整體接地電阻值；Rj為單模塊接地電阻；R0為單根連接扁鋼接地電阻。

通過計算可得，單個非金屬接地模塊與單根連接扁鋼組合后，土壤電阻率按換土、加降阻劑后為500Ω·m計算，其單模塊整體接地電阻約為59Ω；土壤電阻率按換土、加降阻劑后為300Ω·m計算，其單模塊整體接地電阻約為36Ω。

由單個模塊與單根扁鋼組合后，單模塊整體并聯(lián)后的總接地電阻可按下式計算：

式中，R為單個模塊與單根扁鋼組合后，其單模塊整體接地電阻值；Rnj為要求接地電阻值；n為并聯(lián)后接地模塊整體個數(shù)；η為模塊利用系數(shù)，可在0.2～0.85取值。

由于此項目為大地網(wǎng)，土壤有很多不確定因素，按不同土壤電阻率分別計算，模塊利用系數(shù)取0.3。通過計算：

(1)如實現(xiàn)測試地網(wǎng)接地電阻達到0.5Ω的要求，共需并聯(lián)后接地模塊約240塊。

(2)聯(lián)合地網(wǎng)ρ取300Ω·m(換土加降阻劑后)，如實現(xiàn)聯(lián)合地網(wǎng)接地電阻達到1Ω的要求，共需并聯(lián)后接地模塊120塊。

上述6種方案均可以滿足接地阻值的要求，本工程考慮第五、六種接地方案后，認為第六種方案接地模塊占地面積較大，比較浪費土地資源，最終選用了第五種接地方案，該種方案占地面積小，易于施工，并且較易達到接地電阻要求。

3結(jié)論

高電阻地區(qū)接地方式較多，本文只是結(jié)合具體工程談?wù)摿瞬糠诌m用方式供大家參考指正，具體方案還需針對不同工程的具體內(nèi)容采用不同方式。筆者結(jié)合此次工程建設(shè)有些經(jīng)驗總結(jié)供大家參考。

1)在項目建設(shè)初期要認真梳理接地要求，確定接地種類及形式，確認接地電阻阻值；認真分析地勘報告，結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗對項目未來接地電阻值進行預(yù)估，從而判斷是否需要采用特殊處理方法以便達到設(shè)計阻值；確定要做特殊處理方法時，要綜合考慮地質(zhì)情況，多個接地方案比選，擇優(yōu)實施。

2)在高電阻巖石地區(qū)建設(shè)房屋時一般會爆破開挖基坑，筆者建議爆破開挖時可適當(dāng)放大開挖面積，開挖后用較好土質(zhì)回填，一則后期敷設(shè)接地極較易施工，接地電阻也會比較低，容易達到設(shè)計值；二則便于后期敷設(shè)室外管線。

3)由于高電阻地區(qū)建設(shè)一套滿足要求的接地裝置費用較高，筆者建議數(shù)棟建筑物可共用一套接地裝置，但建筑物距接地裝置不能太遠，經(jīng)現(xiàn)場反復(fù)測試，一般不宜超過200m。

4)要注意旱季缺水對接地電阻的影響，筆者建議設(shè)計室外接地裝置時位置選擇可與綠植灌溉適當(dāng)結(jié)合起來，旱季缺水時通過綠植灌溉同時可以降低接地電阻。

參考文獻

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Brief Review of Power Distribution and Grounding Practices in Outdoor Landscape Illumination

Liu Zhengzheng / Pang Chuangui