高電阻地區接地技術研究

高電阻地區接地技術研究

陳剛 / 潘彬 (中國航天建設集團有限公司， 北京 100071)

摘要通過對高山巖石地區地質的分析研究，給出高電阻地區幾種接地設計方式，并結合工程實踐，對幾種接地方式進行優缺點分析，希望能夠對環境惡劣地區的接地設計起到一定的參考作用。

關鍵詞高電阻地區 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，這種地區一般屬于巖石性的高電阻地區，使用常規方法施工要達到較低電阻值很困難。國防系統的工程一般要求聯合接地阻值小于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，本文結合某航天工程來闡述高電阻地區接地方案。

1工程案例情況介紹

該工程接地系統主要包括三種：

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)聯合接地：本項目為普通防雷接地、弱電系統接地、設備保護接地等聯合接地系統，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，由數棟建筑物接地電阻測試結果來看，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，不滿足設計要求。分析其主要原因是所在地區基本為巖石地區，土壤電阻率太高所致。根據該工程巖土工程勘察報告顯示：根據區域地質資料和鉆探成果，大致為第四系上更新統殘坡積層、沖洪積層黃土狀粘質粉土、粉質粘土、重粉質粘土。

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

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

第3層：第四系上更新統殘坡積黃土狀粉質粘土、重粉質粘土，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現第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：強風化白云巖。

第5層：中風化白云巖。

第6層：微風化白云巖。

參照地質勘察報告及總平面圖分析發現很多建筑物所在區域電阻率較高，電阻率為500～1 500Ω·m。

結合地質勘察報告以及接地電阻測試數據，設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

常見的傳統降低接地電阻方案有如下幾種：

1)外引接地

當接地裝置附近不遠處有導電性能良好、電阻率低的土壤或者水源時，可以采用敷設外引接地極的方式。在附近電阻率低的土壤中敷設接地極或者在水下敷設接地網，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，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，采用此種方案效果較好；但在巖石地區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(對土壤進行化學處理)

這種方法主要是利用化學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物質，提高接地體周圍土壤的導電性，這些常用的化學物質主要有煤渣、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物質的融化流失，土壤電阻率又會變大，采用這種方式一般經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接地網的狹窄區域等場合。這些場合采用傳統方法很難找到埋設接地極的適當位置，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以內的表面層，土壤深處電阻系數較低，接地極深埋到土壤深處可以提高導電性，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域內深層土壤進行實測，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

當地下較深處電阻率較低時，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，并向鋼管內和井內灌注泥漿。針對本項目環境實際情況，根據實測地下較深土壤電阻率較低，結合本工程接地的需求，針對深井接地方式做出如下設計方案：

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

第一層理區深度(h1=6m)：

平均土壤電阻率：

取季節系數為1.4時：

ρ1=1.4×762.5=1 067.5Ω·m。

第二層理區深度(h2=34m)：

取季節系數為1.4時：

ρ2=1.4×1 450=2 030Ω·m。

第三層理區深度(h3=2m)：

取季節系數為1.4時：

ρ3=1.4×955=1 337Ω·m。

第四層理區深度(h4=8m)：

取季節系數為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：

該層狀結構巖土的平均電阻率：

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，當接地井設計深度為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，當接地井設計深度為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，對接地網工頻接地電阻的影響以及深井不同深度情況進行對比，當井深為50m時，性價比較高，此時深水井可穿透地下潛水層，有效降低接地網工頻接地電阻。每口接地井內采用3根離子接地極，該接地極具有接地降阻效果好、使用壽命長等優點，接地極間連線采用95mm2裸銅線連接，整個井內采用長效物理降阻劑高壓灌注，降阻劑用量為40kg/m，當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，需在井口設置檢查井。接地深井的布置間距應大于兩倍深井長度，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

針對本項目環境實際情況，結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計分析：

首先根據接敷設接地體的土壤電阻率，確定低電阻接地模塊的數量，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為模塊調整系數，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，本次扁鋼取0.89。

水平接地極形狀系數參見表1。

表1水平接地極的形狀系數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為并聯后接地模塊整體個數；η為模塊利用系數，可在0.2～0.85取值。

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

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

(2)聯合地網ρ取300Ω·m(換土加降阻劑后)，如實現聯合地網接地電阻達到1Ω的要求，共需并聯后接地模塊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結論

高電阻地區接地方式較多，本文只是結合具體工程談論了部分適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容采用不同方式。筆者結合此次工程建設有些經驗總結供大家參考。

1)在項目建設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，結合設計經驗對項目未來接地電阻值進行預估，從而判斷是否需要采用特殊處理方法以便達到設計阻值；確定要做特殊處理方法時，要綜合考慮地質情況，多個接地方案比選，擇優實施。

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

3)由于高電阻地區建設一套滿足要求的接地裝置費用較高，筆者建議數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，經現場反復測試，一般不宜超過200m。

4)要注意旱季缺水對接地電阻的影響，筆者建議設計室外接地裝置時位置選擇可與綠植灌溉適當結合起來，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