長距離電纜隧道接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 旭

(中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063)

隨著城市化發(fā)展，電力電纜采用隧道敷設(shè)方式，既避免了占用城市地面空間，又充分利用地下空間，得到越來越廣泛的推行。電纜隧道接地系統(tǒng)作為電纜隧道中重要的人身設(shè)備安全措施，需著重考慮。常規(guī)電纜隧道接地系統(tǒng)分為盾構(gòu)接地系統(tǒng)與人工接地系統(tǒng)[1]2種方式。盾構(gòu)接地系統(tǒng)由隧道外表面外露的鋼筋作為接地體，所有的外露鋼筋相連組成一個(gè)接地網(wǎng)；人工接地在隧道工作井及附近敷設(shè)接地體，所有的接地體互連組成的一個(gè)接地網(wǎng)。盾構(gòu)接地系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn)，但組成隧道的混凝土管片需預(yù)制外露鋼筋，對管片工藝制作要求較高；人工接地系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)靈活，對管片工藝無要求的優(yōu)點(diǎn)，但需選擇合適的接地體材質(zhì)及接地體布置方案，從而達(dá)到接地電阻的設(shè)計(jì)要求。

某電纜隧道工程長度為7 km，12個(gè)隧道工作井沿線均勻布置，要求采用人工接地系統(tǒng)。以下以該電纜隧道工程為例，根據(jù)工程實(shí)際條件，闡述如何選用最優(yōu)的方案來設(shè)計(jì)人工接地系統(tǒng)。

1 接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要素

接地系統(tǒng)作為保護(hù)人身與設(shè)備安全的措施，主要包含接地電阻值Rn選取，跨步電壓Us和接觸電壓Ut的選擇[2]，由外部要素和內(nèi)部要素共同決定。外部要素分為:所處的土壤性質(zhì)及土壤電阻率p；流過的短路電流Ig。內(nèi)部要素分為:接地體的材質(zhì)；接地網(wǎng)的面積S。設(shè)計(jì)中需要考慮這兩方面因素，才能做出符合要求的接地系統(tǒng)。

1.1 外部因素對接地系統(tǒng)的影響

接地網(wǎng)所處的土壤酸堿性對接地體金屬有腐蝕作用，因此對接地系統(tǒng)內(nèi)部要素有較大影響。金屬腐蝕主要分為化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和微生物腐蝕[3]。電化學(xué)腐蝕是接地體腐蝕的主要原因，分為電偶腐蝕、雜散電流腐蝕。電偶腐蝕即為埋入地下的接地金屬體與土壤中的其他金屬體形成電位差，組成腐蝕電池。電子從電位低的金屬流向電位高的金屬，電位低的金屬陽離子溶解于土壤地下水中，形成了腐蝕。雜散電流腐蝕即為連接到接地體的電氣設(shè)備，有泄漏電流流入大地，泄露電流流過接地金屬會(huì)有電解發(fā)生，從而腐蝕接地體[4]。酸性土壤對銅材質(zhì)接地體腐蝕較大，堿性土壤對鋼材質(zhì)接地體腐蝕較大。常規(guī)接地體材質(zhì)分為鋼、銅和銅覆鋼。故酸性土壤中接地體材質(zhì)適宜選用鋼，堿性土壤中接地體材質(zhì)適宜選用銅、銅覆鋼。

土壤電阻率對接地系統(tǒng)電阻值的取值有較大的影響。根據(jù)接地電阻值、跨步電壓和接觸電壓的計(jì)算公式，在其他條件相同的情況下，土壤電阻率越大，接地電阻值、跨步電壓和接觸電壓也越大。良好的接地系統(tǒng)，上述3個(gè)取值在符合要求的情況下越小越好。

流過的短路電流決定了接地系統(tǒng)中接地電阻值的限值。在電力系統(tǒng)中，短路保護(hù)開關(guān)可承受的短路容量有一個(gè)最大限制。根據(jù)短路容量和流過的短路電流，可以計(jì)算出接地電阻最大限值。若接地系統(tǒng)的接地電阻值大于最大限值，則在電網(wǎng)短路情況發(fā)生后，接地保護(hù)開關(guān)需承受的短路容量可能會(huì)超過最大限值，輕者會(huì)導(dǎo)致保護(hù)斷路器不能跳閘，失去作用，重者會(huì)導(dǎo)致開關(guān)燒毀，造成更大的設(shè)備和人員傷亡。

1.2 內(nèi)部因素對接地系統(tǒng)的影響

接地體的材質(zhì)對接地系統(tǒng)中接地電阻有較大影響。因電流通過金屬后會(huì)產(chǎn)生一定熱量，金屬材質(zhì)的導(dǎo)體承受一定短路電流的熱作用而不發(fā)生熱損壞的能力，用熱穩(wěn)定性系數(shù)來表示。相同截面積條件下，接地體熱穩(wěn)定系數(shù)越低，所能流過的短路電流也越低，該接地系統(tǒng)中電阻值也相應(yīng)的越大。常規(guī)接地體的材質(zhì)中，銅材熱穩(wěn)定系數(shù)最高，銅覆鋼材熱穩(wěn)定系數(shù)居中，鋼材熱穩(wěn)定性系數(shù)最低。接地網(wǎng)面積也對接地系統(tǒng)中接地電阻有直接的影響。因短路電流通過接地系統(tǒng)后，需要經(jīng)接地體流入大地中，接地網(wǎng)的面積越大，接地體與大地的接地面積也越大，如多條接地體并聯(lián)接入大地，總的接地網(wǎng)電阻值也相應(yīng)越小。

2 電纜隧道接地系統(tǒng)中存在的問題及解決方法

在該電纜隧道工程某工作井底部的土壤電阻率為1 600Ω·m，根據(jù)上述可知，土壤電阻率越大，接地電阻也越大，經(jīng)計(jì)算，接地系統(tǒng)的電阻值達(dá)16Ω，遠(yuǎn)超過規(guī)程要求的接地電阻值1Ω[5]。為達(dá)到符合要求的接地電阻值，從影響接地系統(tǒng)內(nèi)外部因素出發(fā)設(shè)計(jì)以下2種方案:直接降低土壤電阻率；增加接地網(wǎng)的面積。

2.1 降低土壤電阻率方法

該方案分為更換導(dǎo)電率良好的粘土、增加降阻劑、增設(shè)離子接地體[2]，從現(xiàn)場條件和技術(shù)可行性兩方面來選用。該電纜隧道工作井地深度為離地18 m以上，工作井底部開挖難度較大，更換導(dǎo)電率良好的粘土工程量巨大，現(xiàn)場條件也不容易實(shí)現(xiàn)。采用填埋降阻劑、增設(shè)離子接地體措施，對高土壤電阻率地區(qū)，對降低土壤電阻率有極限，達(dá)到極限以后，增加類似的措施也不能有效降低土壤電阻率。根據(jù)降阻劑、離子接地體廠家資料，經(jīng)計(jì)算，接地電阻值最多能降低到4Ω左右，不能再進(jìn)一步降低到規(guī)程要求值內(nèi)。

2.2 增加接地網(wǎng)的面積方法

該方案分為擴(kuò)展隧道工作井底部面積為接地網(wǎng)面積、擴(kuò)展工作井頂部地面面積為接地網(wǎng)面積2種方案，同樣需從現(xiàn)場條件和技術(shù)可行性選用。隧道工作井深度較大，擴(kuò)大底部面積土方開挖等工程量大，現(xiàn)場條件不滿足，故不能增加工作井地下面積。增加工作井頂部地面面積方案可行，因隧道工作井頂部出口面積很小，表面其余區(qū)域覆蓋為深度不少于3 m的回填黏土，開挖也較容易，故選擇擴(kuò)展隧道工作井頂部區(qū)域作為接地網(wǎng)面積的方案。

經(jīng)計(jì)算，選用12個(gè)隧道工作井頂部地面面積作為接地網(wǎng)的一部分，與工作井底部接地網(wǎng)相連，組成的總的接地網(wǎng)面積達(dá)到4 060 m2，平均土壤電阻率為154Ω·m，計(jì)算得到接地電阻值為0.44 Ω，小于規(guī)定值1Ω，滿足規(guī)程要求。

3 隧道接地體材質(zhì)的選擇

接地體材質(zhì)需要根據(jù)土壤腐蝕性、熱穩(wěn)定系數(shù)、價(jià)格等要素來選擇，需要對3種要素進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較。

3.1 技術(shù)角度選材

從技術(shù)上來考慮，土壤腐蝕性和熱穩(wěn)定系數(shù)這兩者確定了接地體材質(zhì)的選擇范圍。根據(jù)工程勘察報(bào)告，隧道工作井底部的土壤水p H值為6.99～7.08，具有弱腐蝕性。最大短路電流值Ig為33 k A。故根據(jù)前文論述，宜選用銅覆鋼圓線、純銅絞線。

3.2 經(jīng)濟(jì)角度選材

從經(jīng)濟(jì)上來考慮，不同材質(zhì)的接地體截面的選取均需滿足接地系統(tǒng)中的接地電阻值，跨步電壓和接觸電壓要求。

本工程總接地網(wǎng)面積S=4 060 m2；總接地網(wǎng)外邊緣線長度L0=1 337 m；總接地網(wǎng)水平接地體總長度L=2 561 m；短路電流的等效持續(xù)時(shí)間t=1 s；鍍鋅鋼的密度ρ1約為7.85 g/cm3，銅覆鋼的密度ρ2約為7.85 g/cm3，純銅的密度ρ3為8.9 g/cm3；鍍鋅扁鋼的市場價(jià)格K1約為4.15元/kg，銅覆鋼圓線的市場價(jià)格K2約為11.35元/kg，純銅絞線的市場價(jià)格約為48.00元/kg。

鍍銅扁鋼接地體的截面Sg1≥472 mm2，選用60×8 mm規(guī)格的熱鍍鋅扁鋼；接地電阻Rn1=0.446Ω＜1Ω，最大跨步電壓Usmax2=58.61 V＜741.05 V=Us，最大接觸電壓Utmax2=93.32 V＜366.28 V=Ut。

銅覆鋼圓線接地體的截面Sg2≥278 mm2，選用φ20 mm規(guī)格的銅覆鋼圓線；接地電阻Rn2=0.446Ω＜1Ω，最大跨步電壓Usmax2=58.61 V＜741.05 V=Us，最大接觸電壓Utmax2=93.32 V＜366.28 V=Ut。

純銅絞線接地體的截面Sg3≥133 mm2，選用150 mm2規(guī)格的純銅絞線；接地電阻Rn3=0.448 Ω＜1Ω，；最大跨步電壓Usmax3=56.84 V＜741.05 V=Us，最大接觸電壓Utmax3=97.43 V＜366.28 V=Ut。

3.3 接地材料選擇

不同材質(zhì)的接地體的選取在滿足技術(shù)條件和截面選定后進(jìn)行經(jīng)濟(jì)上比較。3種材質(zhì)的接地體材料總價(jià)如下:

對熱鍍鋅扁鋼，V1=P1L1=39 977.21元；其中P1=K1M1，M1=3.77 kg/m。

對銅覆鋼圓線，V2=P2L2=71 784.83元，其中P2=K2M2，M2=1.34 kg/m。

對純銅絞線，V3=P3L3=164 723.52元，其中P3=K3M3，M3=48.00 kg/m。

以鍍鋅扁鋼接地體為基準(zhǔn)，純銅絞線、銅覆鋼材質(zhì)的接地體材料總價(jià)分別為其4.12倍、1.8倍。

由技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較可知，該電纜隧道工程在所處土壤弱堿性情況下，銅覆鋼材質(zhì)的接地體在技術(shù)上能滿足要求，經(jīng)濟(jì)上適中，是最佳選擇。

4 結(jié)束語

電纜隧道人工接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用隧道工作井頂部地面作為接地網(wǎng)，利用技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選擇接地體材質(zhì)，在節(jié)省了接地系統(tǒng)的造價(jià)的同時(shí)，既解決了常規(guī)只在隧道工作井底部設(shè)置接地網(wǎng)面積不足問題，又充分利用了隧道工作井頂部的空閑地面空間。電纜隧道人工接地系統(tǒng)還需考慮擴(kuò)展的接地網(wǎng)避讓已有管線，同時(shí)結(jié)合電纜隧道周圍環(huán)境，跨接到電纜隧道周邊可利用的已有接地體上。