高電阻率地區地鐵工程接地網設計的探討

寧　譞

(中鐵西安勘察設計研究院有限責任公司，陜西西安　710054)

高電阻率地區地鐵工程接地網設計的探討

寧譞

(中鐵西安勘察設計研究院有限責任公司，陜西西安710054)

摘要:介紹了高電阻率地區地鐵工程接地網接地電阻值的要求及計算方法，分析了在接地網設計中選擇接地降阻的措施，并結合工程實例，驗證了利用建筑物內鋼筋形成的自然接地體與人工接地體相結合的接地網設計方式的合理性。

關鍵詞:高電阻率，地鐵工程，接地網

對于地鐵這樣包括了車站、車輛段、主變電所，涵蓋了地下、地上工程兼具有民用、工業及軌道交通特點的綜合性工程，接地系統設計是否可靠是關系到供電系統、低壓配電系統、弱電系統等多個系統穩定安全運行的重要一環。

一般來說地鐵的接地系統包括:電氣設備的工作接地、保護接地、通信信號設備接地、防雷接地等。對于多個用于不同目的的接地系統，如果分別設置接地裝置，各系統間必然存在的電位差將帶來接地安全性問題，不同系統的接地導體間的耦合影響又實難避免，彼此間存在的互相干擾對于接地系統的作用有著重大影響。因此地鐵工程都會采用聯合接地，其接地電阻值必須由接入系統中最小值確定。對于一個綜合接地網而言，當地的土壤電阻率對于接地電阻的影響是最為直接及重要的。

隨著國民經濟的穩步提高，地鐵工程在我國迎來了一個迅猛發展的時期，而我國作為一個具有多種地質條件的國家，地鐵工程常常需要在高土壤電阻率的地區施工，因此如何采取措施有效降低接地網在高土壤電阻率地區的接地電阻，同時又滿足經濟環保的要求，便成為值得探討的方向。

1　地鐵工程綜合接地網接地電阻值要求及計算

關于綜合接地網接地電阻值的要求，根據JGJ 16—2008民用建筑電氣設計規范中12.1.4條、GB 50157—2013地鐵設計規范中15.7.10條均規定綜合接地網接地電阻值必須由接入系統中最小值確定;據了解目前已建成運營或在建的城市中廣州、深圳、鄭州、西安、貴陽、東莞等地地鐵車站綜合接地網接地電阻值要求為不大于0.5 Ω。

參照DL/T 621—1997交流電氣裝置的接地中人工接地極工頻接地電阻的計算。對于地鐵工程中常采用綜合接地網適用于復合型接地網的計算方法，如表1所示。

表1　接地網接地電阻簡易計算公式［3］

通過表1中簡易計算公式可以看出，土壤電阻率和接地網面積的變化對于接地電阻值的影響最為顯著。因此在應對高電阻率地區的接地網設計問題時，如何降低土壤電阻率和增加接地網面積是實現滿足要求的接地電阻值的主要切入點。

2　關于增加接地網面積的方案探討

根據在JGJ 16—2008民用建筑電氣設計規范中第11.8.5條、GB 50169—2006電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范中第3.3.1條均明確規定:接地網的埋設深度不宜小于0.6 m。地鐵車站的綜合接地網一般敷設于車站底板下，距底板0.6 m，如圖1所示。

圖1　常用的地鐵車站接地網設計示意圖

地鐵車站選址常位于城市較繁華處，車站規模及形式受到不可遷改的市政管線、商業或民用建筑等多種因素的限制，因此在通常做法下地鐵車站的綜合接地網面積也受到限制，如遇到高電阻率的土壤環境時往往不能滿足接地電阻值不大于0.5 Ω的要求。為能夠在有限的空間內增加接地網面積，在車站頂板至地面間的土層加設一層綜合接地網，如圖2所示。

圖2　雙層接地網設計示意圖

如上層接地網所處土層與下層接地網所處土層土壤電阻率不同，其等效土壤電阻率可參照《工業與民用配電設計手冊》(下文中稱手冊)中非均勻土壤接地電阻的計算，當接地極埋設的土壤中上下層的土壤電阻率不同時:

其中，ρ12為等效接地電阻率;ρ1為上層土壤電阻率;ρ2為下層土壤電阻率; k為計算系數取值，參照《手冊》表14-24。也可采用等離子接地極或預裝可塑性接地模塊等新材料作為優化接地網的輔助措施。

3　關于降低土壤電阻率的方案探討

在工程實踐工作中采用較多的方法主要有外引接地、井式或深鉆式接地極、換土法、降阻劑法，以下逐一進行分析。

12月4日，國家發改委等38個部門聯合印發《關于對知識產權 （專利） 領域嚴重失信主體開展聯合懲戒的合作備忘錄》。《備忘錄》 指出，聯合懲戒對象為知識產權（專利）領域嚴重失信行為的主體實施者。跨部門聯合懲戒措施則包括：限制政府性資金支持，對政府性資金申請從嚴審核，或降低支持力度；限制補貼性資金和社會保障資金支持；依法限制其作為供應商參與政府采購活動等33條。

3.1外引接地

當車站變電所、車輛段變電所或主變電所所在2 000 m范圍內有較低電阻率的土壤時，可敷設外引接地網。這一方式在地鐵工程應用中有較大的局限性，因地鐵車站選址一般為城區，周邊環境復雜很難有利用其他建筑物接地網來實現外引接地或在異地設置新的接地網，因此地鐵車站實際上并不具備采用外引接地的條件。

而對于車輛段變電所或主變電所而言外引接地不失為一種有效的手段，特別是當變電所選址在石質地層時，外引接地至土壤電阻率較低的地方，在條件允許的情況下外引接地網也可以充分利用室外水池等水體來實現降低接地電阻的目的。

3.2換土法、降阻劑法

在所有旨在降低工程施工范圍內土壤電阻率的方法中，換土法、降阻劑法是最為直接的兩種方法。

換土法一般做法在接地體周圍1 m～4 m范圍內，換填素土、粘土、泥炭、黑土等，必要時也可采用焦炭粉和碎木炭。在地鐵工程中以換填素土最為常見，這一方法因其土壤電阻率受外界壓力和溫度的影響變化較大，在地下水位高、水分滲入多的地區使用效果最為理想，但在石質地層則難以取得滿意的效果［1］。因此在設計文件中應對換填土壤的土壤電阻率做出明確的要求，在進行接地電阻值理論計算時須為周邊環境變化引起的土壤電阻率變化提供一定的包容性。

降阻劑法目前常用的降阻劑一般有物理性降阻劑和化學性降阻劑。

常用化學降阻劑一般分為高分子樹脂類和無機化合物類兩種，通過大量工程實踐的應用，使用降阻劑效果可使接地電阻降低至未處理前的0.3倍～0.5倍。雖然在實踐中化學降阻劑應用廣泛、效果好，特別是長效降阻劑具有高導電性，降阻效果長效保持、耗鋼材少、便于施工、占地面積小等優點［1］，但其對環境的影響并不能因此而被忽視。隨著環保思想在我國日漸深入人心，特別是以提倡“綠色出行”為核心理念的地鐵工程中，化學降阻劑并不應該成為設計工作中的首選。

3.3井式或深鉆式接地極

井式接地極是采用鉆機鉆孔，把鋼管接地極打入井孔內并向鋼管內和井內灌滿泥漿。深鉆式接地極則是當地下深層土壤或水的電阻率較低時，可采用深鉆式接地極來降低接地電阻值［1］。

采用深鉆式接地極的理想目標根據可靠的地質勘測報告變電所選址處深層土壤電阻率有明顯降低時方才具有可實施性，如果地勘報告所顯示的地質情況不滿足這一條件，采用以上做法成本高但收效小。

相比于深鉆式接地極，井式接地極的優勢在于:一是可以利用已有的地質勘探鉆孔作為深井，是對施工現場已有條件做充分的利用;二是在深井中灌滿泥漿，其出發點是與換土法類似的，而選用鋼管接地極并在其中也灌滿泥漿則起到了改善接地材料導電性的作用。

4　案例分析

旗峰公園主變電所(以下簡稱主所)為東莞R2線工程主變電所之一，下面以此工程為例分析幾種降阻措施在實際工程中的取舍及應用。

主所為地上2層，地下1層建筑，總建筑面積3 287.87 m2，最高建筑高度7.95 m，總占地面積4 993.08 m2。

根據GB 50057—2010建筑物防雷設計規范中建筑物年平均雷擊次數計算方法，主所的年平均雷擊次數約為0.119次/年，按照規范中對于不同建筑物防雷等級劃分的規定，且根據防雷報建意見書中所述主所位于東莞市的重點防雷區域，故按照二類防雷建筑標準進行設計。

主變電所電氣設備接地裝置入地短路電流理論計算值約為6 000 A，根據DL/T 621—1997交流電氣裝置的接地中A類電氣裝置的接地電阻的內容歸納見表2。

表2　各種電氣裝置要求的接地電阻值

可以得出接地電阻值應小于0.5 Ω方可滿足各系統設備要求的接地電阻值。根據用地詳勘報告顯示用地范圍屬高電阻率地區，主所接地網敷設范圍內土壤電阻率約為121.37 Ω·m，且具有隨勘測深度加深土壤電阻率增大的特點，詳見表3。

表3　主所詳勘視電阻率測試統計表(部分)

因深層土壤電阻率并無降低，故放棄了采用深鉆式接地極的方法。而現場地勘鉆孔數量較少，不能明顯對接地網整體電阻值起到降低作用，故未采用井式接地極。

主所靠近東莞市旗峰公園，面對東莞大道西側，在旗峰新村西側，市委黨校南側，其周邊2 000 m范圍內均為東莞市重要市政道路及城區，因此基本也排除了外引接地的可能。

經過認真研究現場實際情況最終決定:

1)采用換土法改善現場土壤電阻率，在設計說明中明確要求采用小于50 Ω素土回填對接地網敷設的土層進行換填，并嚴禁使用建筑垃圾回填。

2)采用人工接地體與主變電所建筑物內鋼筋形成的自然接地體相結合的綜合接地網，并利用主變電所室外消防水池實現接地網與水體的聯接，如圖3，圖4所示。

圖3　主變電所接地裝置示意圖

3)采用銅包鋼代替建筑工程中常用的熱鍍鋅扁鋼作為主要接地材料。

圖4　局部室外接地網布置示意圖

經理論計算主變電所接地電阻值約為0.39 Ω，實測電阻值小于理論計算值。滿足設計要求綜合接地網不大于0.5 Ω。

5　結語

通過上述分析可以看出，不同的接地網形式和降阻措施并非可以公式化的在不同地質條件中進行套用，而要以地質勘測報告為依據分析具體情況，對采用何種降阻措施進行比選。在高電阻率地區的地鐵接地網設計中為達到滿足要求的接地電阻值，應該利用自然接地體、水體等條件，結合工程條件打破常規化的思維采用新的設計形式來增加接地網面積，不應盲目使用降阻劑或大面積換填土。

參考文獻:

［1］任元會.工業與民用配電設計手冊［M］.北京:中國電力出版社，2005:871-914.

［2］GB 50157—2013，地鐵設計規范［S］.

［3］GB 50065—2011，交流電氣裝置的接地設計規范［S］.

［4］JGJ 16—2008，民用建筑電氣設計規范［S］.

［5］GB 50169—2006，電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范［S］.

［6］DL/T 621—1997，交流電氣裝置的接地［S］.

［7］GB 50057—2010，建筑物防雷設計規范［S］.

［8］魏海洋.關于地鐵車站綜合接地網問題的探討［J］.城市軌道交通研究，2010( 12) :70-75.

［9］凌智敏.工頻、沖擊接地電阻及高頻低阻抗等電位聯結［J］.建筑電氣，2010( 8) :3-8.

The discussion of subway project grounding grid design in the high resistivity region

Ning Xuan
( Xi’an Survey and Design Institute，China Railway Engineering Group Co.，Ltd，Xi’an 710054，China)

Abstract:Introdues the requirement and calculation method of grounding resistance of subway project grounding grid in high resistivity region，analyze how to choose the grounding resistance reduction measures in the design of grounding gird，combined with an engineering example and verifying the rationality of using construction reinforcing bar as natural earthing electrodes in combination with artificial earthing electrodes in the design approach of the ground grid.

Key words:high resistivity，subway project，grounding grid

作者簡介:寧譞(1989-)，男，助理工程師

收稿日期:2015-11-25

文章編號:1009-6825( 2016) 04-0130-03

中圖分類號:U224.25

文獻標識碼:A