某高土壤電阻率的建筑群接地系統淺析

劉寅穎， 童躍光

(航天建筑設計研究院有限公司，北京 100071)

0 引言

目前，在大部分設計項目中，設計師經常在圖紙中注明“共用接地裝置的接地電阻不大于1歐姆，實測不滿足要求時，須增設人工接地極”。但高土壤電阻率地區的建筑物要實現低阻值要求，僅僅依靠建筑物的自然接地體很難達到，這就需要設計師根據項目具體情況，采用一種或者多種降阻措施來降低接地電阻，但投資成本也會隨之增多。如何選擇合適的降阻措施、接地電阻的測量是否準確、接地電阻阻值的選取是否合適等問題都值得設計師去思考。

本文即通過接地電阻的理論計算并結合實際工程的實測數據，分析降低高土壤電阻率建筑群接地電阻的各種有效措施，分析對接地電阻的影響因素，討論接地電阻測量方法的準確性以及接地電阻的取值對接地系統方案的影響。

1 接地電阻的概念

根據GB/T 50065-2011 《交流電氣裝置的接地設計規范》規定， 接地電阻是在給定頻率下，系統、裝置或設備的給定點與參考地之間的阻抗的實部。

常提到的接地電阻主要為工頻接地電阻和沖擊接地電阻。其中，GB/T 50065-2011 《交流電氣裝置的接地設計規范》規定，工頻接地電阻是根據通過接地極流入地中工頻交流電流求得的電阻；沖擊接地電阻是根據通過接地極流入地中沖擊電流求得的接地電阻(接地極上對地電壓的峰值與電流的峰值之比)。GB/T 21431-2015《建筑物防雷裝置檢測技術規范》規定，工頻電流流過接地裝置時，接地極與遠方大地之間的電阻，其數值等于接地裝置相對遠方大地的電壓與通過接地極流入地中電流的比值。

防直接雷需要對沖擊接地電阻的阻值有限定。設計師一般都會要求建筑物的防雷接地、系統的工作接地、保護接地、信號地、防靜電接地等共用接地裝置。GB 50057-2010《建筑物防雷設計規范》中提到，“共用接地裝置的接地電阻應按50Hz電氣裝置的接地電阻確定，不應大于按人身安全所確定的接地電阻值”。

2 項目接地系統的實施情況

2.1 項目概況

項目位于河北省某縣工業園區內。園區內分多期工程建設，目前一期工程已建成，本項目為該園區的二期工程，共有四棟建筑(1#、2#、3#、4#廠房)，項目基本情況參見表1。

各單體工程概況 表1

根據項目地勘報告內容，本項目建設地點為山地，地質結構以巖石(白云巖)為主。其中3#廠房附近土質較其他幾個廠房稍好，1#、2#、4#廠房都是爆破開山做的地基。地塊整體地質土壤電阻率為 3 300Ω·m。建筑物附近回填后，局部表層土壤電阻率為1 500～2 800Ω·m，經計算綜合土壤電阻率為 2 960Ω·m，屬較高電阻率區。該地區平均雷暴日為30.7d/a，屬中雷區。

2.2 項目接地系統方案

本項目根據工藝要求，確定接地電阻值≤1Ω。各廠房之間存在信號電纜和電力電纜的互連。

項目施工圖階段，初步確定接地方案為4棟建筑物利用各自基礎作為自然接地體，在各建筑物周圍設置一圈人工接地極(水平接地體采用50×5的熱鍍鋅扁鋼，垂直接地極采用長度為2.5m的50×50×5熱鍍鋅角鋼)，并采用50×5的熱鍍鋅扁鋼將4棟單體建筑物的接地裝置相互連接起來，形成一個網狀接地裝置，接地網格為20m×20m。待上述接地裝置具體實施過程中，監測接地電阻值，調整接地方案，根據具體情況補充其他降阻方式(如井式接地極和降阻劑法等)。

項目實施初期，設計方希望最終將一、二期接地網相連，最大可能地利用能用的接地裝置，但業主擔心一、二期相連后會有干擾，故初步設定先測量二期接地電阻，待阻值測量后再確定是否連接。

2.3 接地電阻測量

項目實施階段，先后進行了4次接地電阻測量，并根據每次測量結果調整接地系統方案。

2.3.1 第一次接地電阻測量

2018年9月，項目處于施工階段，此時各建筑物基礎部分已經實施完畢，接地施工尚未完成，4個建筑物的接地裝置還沒有進行互連。經過某防雷公司對本項目進行了第一次接地電阻值測量，結果顯示，1#廠房基礎接地電阻值為5.66Ω；2#廠房基礎接地電阻值為6.11Ω；3#廠房基礎接地電阻值為5.94Ω；4#廠房基礎接地電阻值為14.21Ω。

根據接地電阻測量結果，筆者所在的設計方進行了接地電阻計算。由于建筑物屬相對獨立地網，采用公式(1)進行計算。

(1)

經計算得，R建筑=2.99Ω。

由結果可知，即使將4個建筑物的接地裝置連接在一起，也無法達到設計要求的阻值。根據公式(1)可推導出需要并聯人工接地網的接地阻值在1.3Ω以下。

根據復合式(接地網)計算公式(2)，R取1.2Ω，ρ取2 960Ω·m，計算出接地網面積S>1 521 111m2。

(2)

式中，R為工頻接地電阻，Ω；ρ為土壤電阻率，Ω·m；S為接地網的面積，m2。

根據計算可知，如果要滿足接地電阻≤1Ω的接地要求，則接地網鋪設面積不可小于1 521 111m2。建筑物周圍現有可施工面積有限，遠達不到上述面積要求。根據現場情況，準備采取立體地網的方式降低接地電阻，即采用鉆井的方式植入離子接地極與在接地溝槽內安裝非金屬接地模塊相結合的接地方式來達到設計要求，接地井內敷設2根離子接地極，并在井內敷設降阻劑。

接地井的接地電阻和接地模塊的接地電阻計算分別見公式(3)和公式(4)。

(3)

式中，ρ為土壤電阻率，Ω·m，取2 960；d為離子接地極直徑，m，取0.055；L為離子接地極長度，m，取6；Rv為多口6m接地井離子接地極接地電阻值，Ω；η1為多口6m 接地井離子接地極利用系數，取0.75；n為接地井數量。

(4)

式中，ρ為埋置地層的電阻率，Ω·m，取2 960；h 為接地模塊的埋置深度，m，1；a，b分別為Ⅰ型模塊的長、寬，m，分別取 0.5，0.4；M0為模塊調整系數，0.33；Rm為多模塊接地電阻值，Ω；n為接地模塊個數；η1為模塊利用系數，取0.4。

接地扁鋼接地電阻計算見公式(5)。根據地網平面布置圖及已知條件計算得知，50×5熱鍍鋅扁鋼共計為4 200m，其接地電阻值為1.96Ω。

(5)

式中，ρ 為埋置地層的電阻率Ω·m，取2 960；h 為扁鋼的埋置深度，m，1；d 為扁鋼的等效直徑，m,取0.05/2=0.025；Rs為扁鋼接地電阻值，Ω；L 為扁鋼的總長度，m，取4200；A為地網的形狀系數，取1.69。

根據計算，需要220塊接地模塊和118口井，每口接地井內敷設2根離子接地極。

由于各單體建筑物自身的接地裝置還未完成，尚未土方回填(土方回填會在一定程度上降低接地電阻值)，因此上述計算僅為一個參考預算，設計方要求待建筑物接地裝置建設完成后再進一步進行測量，待取得測量結果后再對上述計算結果進行校正。

由于項目所在場地的地下有電纜溝和很多金屬管道穿過，這些管道主要靠近3#廠房。在施工過程中，設計師要求施工單位將接地網和這些地下管道(不包括燃氣、燃油管道)進行連接。

2.3.2 第二次接地電阻測量

2018年12月，3#、4#廠房接地工程已完工，其中3#廠房的接地裝置和附近地下管道連接已完成。隨后，施工單位對3#、4#廠房進行了第二次接地電阻測量，測量結果顯示，3#廠房基礎接地電阻值為0.3Ω；4#廠房基礎接地電阻值為12Ω。對比第一、二次的接地電阻，可以看出，3#廠房的接地電阻從5.94Ω降到了0.3Ω，4#廠房的接地電阻從14.21Ω降到了12Ω。

根據此次測量結果，二期工程的4個建筑物接地裝置連起來后，總的接地電阻將小于0.3Ω，達到設計要求。但是由于業主和設計方對此結果都表示存疑，故決定待4個建筑物的接地裝置均施工完畢并連成接地網格后再進行測量。

2.3.3 第三次接地電阻測量

2019年4月，4棟建筑物各自的接地裝置已施工完畢，建筑物之間用接地扁鋼進行了簡單的連接。某防雷檢測中心進行第三次接地電阻測量，測量結果顯示，接地電阻值為2.7Ω。第一次測量后，4棟建筑物接地裝置連接后的理論計算值為2.99Ω。兩者比較接近。

通過設計方和業主方的充分溝通，建議將一、二期的接地網格進行連接后再測量一次。一期用地在二期用地的南側，兩者相距大約100m。一期用地的接地電阻經測量小于1Ω。

2.3.4 第四次接地電阻測量

2019年6月，一、二期接地網完成了連接工作。在隨后進行的第四次接地電阻測量中，測量結果為接地電阻值0.95Ω，達到了設計之初要求的接地電阻值。

2.4 接地電阻最終效果

從第四次測量所得的接地電阻，可以看出目前已經達到了業主的阻值要求。項目于2019年9月已投入使用。經過一個多月的實踐，業主無不良反饋，一、二期接地網相連后無干擾現象反饋。

最初接地方案(將二期建筑物連成接地網)的造價預計上百萬，最終實施方案(將一、二期接地網相連)的造價不到十萬元，節省了大量投資成本。因此，不可否認，接地方案的合理選擇會為業主方減少大量的投資。

3 項目接地系統需要思考的問題

3.1 降低高土壤電阻率地區接地電阻措施的選擇

目前，常用的降低高土壤電阻率地區接地電阻的措施有外引接地、井式或深鉆式接地極、換土法、降阻劑法、敷設水下接地網等。

換土法的使用受地質成分影響比較大。原理是在接地體周圍1～4m范圍內，換上比原來土壤電阻率小得多的土壤來降低接地電阻。但由于土壤電阻率受外界壓力和溫度的影響變化較大，這種方法在地下水位高、水分滲入多的地區使用效果較好，但在石質地層則難以取得滿意效果。本項目建在巖石層上，所以該方法不適合。

井式或深鉆式接地極是依靠鉆機鉆孔，將接地極深入到地下較深處，接觸到深處低電阻率的土壤達到降低接地電阻的方法。這種方法的應用要根據地勘報告，查看項目所在地地質情況，確定低電阻率土壤深度和分布情況，確定鉆井位置和深度。這種方法在外引接地方式不適合或不能滿足接地電阻需求時采用。井的位置和深度直接影響到接地系統的造價。

降阻劑有多種類型，針對不同地區、不同條件采用不同的降阻方法。一般降阻劑會結合上述幾種方法共同使用。

3.2 接地電阻的測量方法

接地電阻測量的準確性非常關鍵，直接影響了實施階段接地方案的制定。很多具體方案都是在施工過程中通過不斷測量接地電阻進行調整的。本項目中第二次測量結果就明顯有誤。第二次測量結果顯示，3#廠房的接地電阻達到了0.3Ω。如果真達到了這個阻值，那么建筑物接地裝置連接完成后應該低于這個阻值。

測量接地電阻的方法有很多種，目前最常用的測量方法為三極法，如圖1所示。IEC60364-6和GB/T 21431-2015《建筑物防雷裝置檢測技術規范》以及GB/T 17949.1-2000《接地電阻測量導則》中都提到了這種測量方法。本項目中的四次測量均采用的是這種方法。

注：G—被測接地裝置；P—測量用的電壓極；C—測量用的電流極；E—測量用的工頻電源；A—交流電流表；V—交流電壓表；D—被測接地裝置的最大對角線長度。圖1 三極法的接線原理圖

其中，GB/T 21431-2015《建筑物防雷裝置檢測技術規范》中給出了較為詳細的測量方法。本文不再詳述。

需要注意的是，文中提到的電流極C和電壓極P的設置位置。要求測量用的電流極C和電壓極P離被測接地裝置G邊緣的距離為dgc=(4～5)D和dgp=(0.5～0.6)dgc，點P可以認為是處在實際的零電位區內。測量工頻接地電阻時，如dgc取(4～5)D值有困難，當接地裝置周圍的土壤電阻率較均勻時，dgc可以取2D值，而dgp取D值；當接地裝置周圍的土壤電阻率不均勻時，dgc可以取3D值，dgp取 1.7D 值。

造成接地電阻測量不準確的原因主要有：(1)埋地的金屬管道對測量結果有很大影響，靠近金屬體測得的電阻值會下降很多；(2)無法確定電壓極和電流極的合適位置，距離過近；(3)輔助接地極電阻過大。解決的方法是在地樁處潑水或使用降阻劑降低電流極的接觸電阻。

第二次測量時，施工單位P和C的設置位置分別距G點20m和40m，這個距離還在接地裝置的影響范圍內，所以測量結果不準確。此外，也可能離地下金屬管道太近，影響了測量結果。

對于大型接地網來說，測量接地電阻比較復雜。首先電流極和電壓極的位置距離很遠，其次地質情況比較復雜。這可能需要進行多次測量并繪制曲線，尋找曲線的水平部分，得到真實的接地電阻值。

3.3 接地電阻阻值的設定

本項目中共用接地裝置的接地阻值定為1Ω。在高土壤電阻率的地區達到1Ω非常困難，且是否需要達到1Ω的接地電阻值這個問題也值得思考。如果阻值要求降低到4Ω，那接地工程的投資將成倍下降。

項目接地電阻值設計為不大于1Ω，是因為業主方提出的測試設備的接地要求，即信號地的接地電阻要求不大于1Ω。信號地是為了給測試設備提供一個基準點位而設置的接地，是否需要如此低阻值仍值得商榷。筆者認為，很多業主方提出要求信號地單獨設置接地裝置并達到1Ω，更多擔心的是雷電流、地網上的雜散電流對信號地的影響。當雷電流或故障電流流過接地裝置時，兩地之間存在電位差，對人身和設備可能會造成傷害。

雖然最近幾年的規范和IEC標準中并未明確提出共用接地裝置的阻值標準，但GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規范》中，根據高壓側接地情況和低壓側接地型式，規定了各種類型下的接地電阻的計算方法。

目前建筑物均設計了保護性的總等電位聯結，作用是防止人身電擊；電子信息設備也采用高頻低阻抗的等電位聯結，均對接地電阻不做規定。根據實際需求，確定合理的電阻值可以減少工程造價。

3.4 影響接地電阻值的因素

根據公式(1)，可看出接地電阻值和土壤電阻率有直接關系。土壤電阻率不僅隨土壤的類型變化，且隨溫度、濕度、含鹽量和土壤的緊密程度而變化(參見圖2)。

圖2 土壤電阻率曲線

計算接地電阻時，應考慮季節變化對阻值的影響，通過乘以季節系數進行修正。具體季節系數參見《工業與民用供配電設計手冊》(第四版)中表14.6-14。當接地極埋深深度比較深時，受季節變化影響比較小。

4 結束語

綜合上述分析，得出以下結論。

(1)設計高土壤電阻率接地項目時，應充分收集項目所在地的地形地貌、地勘報告、地質電測部門提供的地層土壤電阻率分布資料，充分了解該地土壤的不均勻程度。

(2)根據前期資料，初步擬定接地方案。隨著施工的進展以及接地電阻的測量，采用合適的降阻措施，完善接地方案。

(3)對大型接地網的接地電阻進行測量時，尋找合適電流極和電壓極的位置，進行多次測量，測得真實的接地電阻值。

(4)對接地電阻需要進行季節系數的校驗，從而保證各時段都能達到設計所需的接地阻值。

(5)合理確定接地電阻值是非常必須的，尤其是高土壤電阻率接地項目，會減少大量投資。