高土壤電阻率地區接地問題分析及處理

劉慶國

摘要 本文介紹了高土壤電阻率地區降低電氣設備接地電阻的方法，提出了現有方法存在的問題和要采取的措施，分析了土壤電阻率不變的情況下深埋垂直接地體降阻的原因，探討了提高接地電阻值的允許條件。

關鍵詞 接地電阻；土壤電阻率；外引；降阻率；置換

中圖分類號TM7 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2011）43-0116-03

0引言

眾所周知，接地的目的是保證人身安全和電氣設備的安全。為使接地電流迅速引向大地，要求接地電阻盡可能達到較低的數值。為此《鐵路電力設計規范》規定了鐵路電氣設備接地裝置接地電阻的最大允許值, 這在土壤電阻率較低的地方是不難做到的，但在高土壤電阻率地區（ρ>500Ω·m）特別是以巖石為主的山區卻很難達到要求。

多年來，在鐵路電力工程中，有關高土壤電阻率地區電氣設備的接地問題還沒有得到足夠的重視，設計時往往只對接地電阻提出要求，而無具體的施工方法，降阻方法，致使按常規方法施工，接地電阻達不到要求，造成返工和經濟損失。或施工中采取了某種降阻方法，接地電阻達到了要求，而接地方法又存在一定的問題。因此，對高土壤電阻率地區電氣設備如何接地、如何降阻、施工中應注意些什么，很有必要提出來探討，以便對今后施工提供參考。

1高土壤電阻率地區的接地問題

經驗表明，當土壤電阻率高于500Ω·m時，用常規方法，接地電阻是很難達到要求的，即使增加垂直接地體根數或加大水平接地網面積也很難滿足，從理論上講也是如此。

例如：當土壤電阻率為500Ω·m時，某變壓器的接地，規定其接地電阻不能大于4Ω。

根據單根垂直接地體接地電阻簡易計算公式R=0.3ρ可知，當其依次使用1根、2根、

直至32根垂直接地體時，理論上其接地電阻仍達不到4Ω（見表1所示），而且實際施工時工程量大，很不經濟，甚至有時不可能做到。

再如某變電所水平接地網，當土壤電阻率為500Ω·m時，要使其接地電阻達到4Ω。根據水平網接地電阻簡易計算公式R=0.5ρ/ 可知，其接地網面積S要達到4 969m2才能滿足要求，且不說地形受限制，這種通過擴大地網面積實現降阻的方法在工程中很不現實。因此，在高土壤電阻率地區，要降低接地電阻，必須采取有效的措施。

2高土壤電阻率地區的接地問題處理

2.1施工前必須對土壤電阻率進行判定

所謂土壤電阻率，就是1m3土壤電阻值，從表2人工接地體工頻接地電阻的簡易計算公式可知，接地電阻的大小在接地方式一定的條件下，主要與土壤電阻率有關，土壤電阻率越低，接地電阻越小，土壤電阻率越高，接地電阻越大。

在鐵路工程中，由于電氣設備、電力線路的設置受鐵路線的制約，電氣設備及電力線路所處位置地質條件千差萬別，即使在同一車站土壤電阻率也各不相同（如宜萬鐵路、京九鐵路麻九段，金溫鐵路等）。因此，施工前，要知道接地電阻能否達到要求，就必須對土壤電阻率進行判定，以便選擇合適的降阻方法和避免不必要的返工。

接地體型式 簡易計算公式 備注

垂直式 R=0.3ρ 長度3m左右的接地體

單根水平式 R=0.3ρ 長度60m左右的接地體

復合式（接地網） R=0.5ρ/ S-大于100m2的接地網面積

ρ-土壤電阻率

實測的方法是將一根長1m，直徑為25mm的園鋼打入地下，先測得接地電阻R，然后根據以下公式計算土壤電阻率：

ρ=2πLR/Ln4L/d

式中 ：ρ-土壤電阻率（Ω·m）；

L-圓鋼的埋入長度（m）；

d-圓鋼的直徑（m）；

R-測得的電阻值（Ω）。

由于季節的不同，所測量計算出的土壤電阻率，并不一定是一年中的最高值，所以施工中還應按下式加以修正：

ρ1=Ψρ

式中 ：ρ1-施工所需土壤電阻率；

ρ-測量計算所得土壤電阻率；

Ψ為土壤電阻率季節系數，它與土壤性質、干濕條件有關，具體數據可從設計手冊查得。

當土壤電阻率被判定為高土壤電阻率時，就必須采取非常規的接地方式。

2.2采取外引接地法施工

即當電氣設備附近有電阻率較低的土壤時，用較長的接地線引至低電阻率土壤中再接地，或附近有河流、湖泊等水源，將接地線引至水中，敷設水下接地網。水下接地網須焊成閉合環并在水底加以固定，由于受季節影響小，接地電阻比較穩定，因此，水下接地網是一種良好的降阻方法。外引接地法的優點是經濟、簡單、施工方便，且能有效達到降阻的效果。但采用這種方法必須注意以下問題：

1）外引接地的距離（即引線的長度）是有一定的要求的，它決定于大地土壤電阻率和電性參數。例如，當電阻率相對不很高，接地線周圍的泄露電導相對較低，如接地線過長，其末端電位已很低，此時與接地線末端相連的外引接地裝置就不能起到降低接地沖擊電阻的作用，因此施工時外引接地線的最大長度Lmax應為[1]：

Lmax（0.0265-0.053）ρr

式中：ρ- 土壤電阻率；

εr- 地的相對介電系數，一般地區可取εr=9。

2）接地帶外引，必然導致高電位外引，當有接地電流通過接地線時，就會在接地線上產生較高電位，人若在這一地區行走，且跨步電壓大于允許跨步電壓，Vo=50+0.2ρb（ρb為人腳站立處地面的電阻率）時，就會使人發生觸電的危險。即使跨步電壓一時滿足了要求，但在雷雨時，由于地表電阻率一時降低，最大允許跨步電壓降低，也可能發生人體觸電。因此，在人經常行走的地方敷設外引接地線時，應鋪設礫石、瀝青等高電阻率物質。

3）由于水中含有多種腐蝕物質及水的污染越來越嚴重，敷設在水中的接地體勢必造成嚴重腐蝕，減少使用壽命，因而敷設在水中的接地體，必須進行熱鍍鋅或加大鋼材尺寸。

2.3使用降阻劑降阻施工

即對接地坑內的土壤進行化學處理，降低土壤電阻率，使接地電阻達到規定值，其施工方法如圖1所示。

近年來，隨著科技的發展，各種品牌的降阻劑應運而生，由于其具有吸水性、保水性、滲透性，使用后對降低阻值起到了一定的作用，但施工時必須考慮以下問題：

1） 由于生產和技術條件的限制，降阻劑性能目前還不穩定，有效率能達到多少，有效期究竟有多長，還沒得到驗證[1]，勢必造成接地電阻不穩定而要進行維修，且工作量大，如用在變（配）電所接地網中，更換工作量將更大，而且大多變（配）電所接地網所處地面是硬化的。

2）使用降阻劑后，接地電阻滿足了要求，但接地體的腐蝕又成為新的問題，我們知道，降阻劑主要化學成分PH值不能完全保證中性，因而會對接地體造成腐蝕，加上地中雜散電流、微生物腐蝕，勢必造成接地裝置運行壽命的縮短，表現為電氣設備運行良好，尚在擔負著供電任務，而接地裝置卻明顯腐蝕、損壞，致使電氣設備的安全運行受到威脅。

因而建議在選擇降阻方法時，由于使用降阻劑維修量大，費工費時，不應成為首選，如選擇使用，為了防腐，在施工中要加大接地體鋼材的尺寸或進行熱鍍鋅。從表4可以看出，熱鍍鋅的鋼材比不鍍鋅鋼材腐蝕速度降低了幾十倍。

其一，當附近沒有置換材料時，使用起來費用高，工程量大；

其二，這種方法事實上只是局部改善了土壤電阻率及降低了接地體與土壤間的接觸電阻，當氣溫升高、土壤干燥（象礫石地區，保濕性差），接地電阻值將升高，或冰凍時（永凍地區）接地電阻值將升高，因而其接地電阻不穩定。使用時必須考慮天氣季節的影響，而加以選擇。

2.5采取深埋垂直接地體施工

即在地下較低處，土壤電阻率較低時，深埋接地體，如圖3所示。或有條件時用鉆機鉆孔，把鋼管打入孔中，再將鋼管周圍灌滿電阻率較低的泥漿等，如圖4所示。

其優點是：

1）接地電阻值穩定。由于地層深處溫度一年四季變化不大，不會因季節變化、水分蒸發、土壤干裂、冰凍而影響接地電阻；

2）安全可靠。把高電位引入到了地下，無須考慮跨步電壓對人身的危害；

3）不受敷設范圍影響。

但施工前必須考慮以下問題：

1）必須掌握有關的地質結構資料和地下土壤電阻率分布，以保證深埋接地體能在所處位置上收到較好的效果。

2）當深埋接地體2根或者超過2根時，要考慮接地體間的屏蔽效應。這是因為當接地電流通過接地體向大地深處傳導時，還會受到其它接地體的散流影響。由于兩極互相影響，兩個接地體的電阻，并不等于它們本身電阻的并聯值，而是它們電阻并聯值的K倍（K為屏蔽系數，一般K=1~2），因此，施工時兩根接地體要相距適當距離，最少不應小于5m，以減少屏蔽的影響。

對于深埋降阻法，往往認為是地下土壤電阻率較低的緣故，事實上并非如此，近年來的施工實踐表明[3]，在上下土壤電阻率一樣時（如巖石），深埋接地體也能達到降阻的目的，這是因為隨著地層的深入，濕度越來越大，并且巖石的斷層不斷滲水，當接地體深入到地下水位，就相當于敷設在水中的接地體，由于水的電阻率為20Ω·m~100Ω·m，接地電阻值將大大下降。再者，由于接地體周圍灌滿了泥漿，降低了接地體與土壤的接觸電阻，也使得接地電阻值降低。

2.6提高接地電阻允許值時的施工

從以上分析可知，在高土壤電阻率地區，無論采用何種降阻措施，都存在著一定的局限和問題，有時甚至不可能，不但技術上有困難，而且經濟上不合理。從根本意義上講，限制接地電阻到一定數值，目的是保證人身和設備安全，可是，為了人身和設備的安全，卻不是僅僅依靠限制接地電阻值就能達到，還必須同時考慮跨步電壓和接觸電壓。

為此，《鐵路電力設計規范》根據電力部門的經驗，在高土壤電阻率地區，允許電力設備的接地電阻提高到30Ω，發、變、配電所的接地電阻提高到15Ω。但發、變、配電所和電力設備單相接地后，接地裝置的接觸電壓和跨步電壓不應大于下列數值：

VC=50+0.05ρb

VO=50+0.2ρb

式中：VC-接觸電壓；

VO-跨步電壓；

ρb-人體站立處地面的土壤電阻率（Ω·m）。

由以上可知，要使接地電阻值提高后，保證人身安全，必須提高人站立處地面的土壤電阻率，為此，在敷設接地裝置時，應在地面鋪設高電阻率的物質，以提高接觸電壓和跨步電壓允許值。

3結論

雖然本文介紹的方法，均存在著一定的局限和問題，但作為目前的降阻措施，仍十分有效，施工時必須注意以下幾點：

1）施工前對土壤電阻率必須進行判定，以便選擇正確的接地方法和避免不必要的返工；

2）對接地方法要根據現場情況進行選擇；

3）外引接地時，外引接地線必須滿足要求，不宜過長；

4）外引接地時必須考慮跨步電壓的影響。并在人可能行走觸電的地方鋪以礫石、瀝青等高阻率物質；

5）使用降阻劑和敷設水下接地裝置時要考慮防腐；

6）在土壤電阻率變化不大時，深埋接地體可降阻；

7）提高接地電阻允許值時，要提高接觸電壓和跨步電壓允許值。

參考文獻

[1]電力工程高壓送電線路手冊[M].水利電力出版社，1991，2.

[2]曹梅月.變電所地網技術的發展綜述[J].中國電力，1997，7.

[3]王周安，曹永林.立體地網的建立及應用[J].中國電力，1996，1.

注：“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請以PDF格式閱讀”