建筑電氣接地裝置土壤電阻率的檢測探討

郭純瑜

（中外建工程設(shè)計(jì)與顧問有限公司山西分公司，山西太原 030000）

0 引言

接地是防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，而接地電阻阻值測量工作則是防雷系統(tǒng)運(yùn)行性能檢測的重要內(nèi)容，接地電阻測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確與否，不僅事關(guān)防雷系統(tǒng)的性能是否達(dá)到相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，而且是判斷防雷設(shè)施建設(shè)質(zhì)量是否合格的關(guān)鍵。由于接地電阻測量過程中，經(jīng)常受到人為因素、測量設(shè)備、季節(jié)等因素的影響，出現(xiàn)測量結(jié)果誤差過大的問題；所以，在開展防雷系統(tǒng)接地電阻測量工作時(shí)，在采用正確測量方法的同時(shí)，根據(jù)以往測量的經(jīng)驗(yàn)，分析導(dǎo)致防雷系統(tǒng)接地電阻測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差的內(nèi)外部因素，制定針對性的解決策略，才能確保接地電阻測量數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求。

1 接地電阻的定義

接地電阻是指在已知頻率下，系統(tǒng)、裝置或設(shè)備的指定點(diǎn)與參考地之間的電阻。它包含兩部分，一部分為接地導(dǎo)體及接地極的電阻；另一部分為接地極周圍土壤的散流電阻。通過測量得知，接地導(dǎo)體、接地極的電阻值很小，可忽略不計(jì)，所以接地電阻一般是指散流電阻。電氣接地系統(tǒng)中，通常情況下存在兩種類型的電流分別為工頻電流和沖擊電流（雷電流），前者在土壤中產(chǎn)生的電阻成為工頻電阻，后者為沖擊電阻。雷電流可以在接地極附近形成很強(qiáng)的電場，將土壤擊穿并產(chǎn)生火花，相當(dāng)于增加接地極截面，從而減少沖擊接地電阻；另外由于雷電流具有高頻特性，使得接地極本身電抗增大，電阻減小，沖擊接地電阻小于工頻接地電阻。工頻接地電阻和沖擊接地電阻均和土壤結(jié)構(gòu)類型密切相關(guān)，一般通過先計(jì)算工頻電阻，再通過數(shù)學(xué)模型，得到?jīng)_擊接地電阻。

2 防雷接地施工的常見問題

在前期進(jìn)行大型建筑電氣電線防雷用電接地系統(tǒng)施工的建設(shè)過程中，常常會遇到一些問題，這些問題是由于建筑施工人員及建筑相關(guān)工程專業(yè)技術(shù)人員對電氣防雷用電接地建設(shè)工程的認(rèn)識程度不足所導(dǎo)致的，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①連接避雷帶未發(fā)生重大變形或嚴(yán)重?fù)p壞，未及時(shí)預(yù)留出來連接地線的防雷外接線，導(dǎo)致接上引下連接點(diǎn)之間的連接距離過大；②防雷連接用的地下線、避雷帶及連接均壓環(huán)的連接長度不足，焊接處理不到位；③防雷接地裝置的整體掩埋度和深度設(shè)計(jì)不足，對建筑工程中的連接引下輸出線未進(jìn)行雨水防腐處理，導(dǎo)致連接引下輸出線被雨水腐蝕；④用于屋面的金屬件等物品未與電氣防雷接地系統(tǒng)內(nèi)部形成有效的無縫連接；⑤防雷插座未與地面導(dǎo)線有效焊接。

3 土壤電阻率的影響因素

①巖土體礦物組分及接觸關(guān)系巖土體礦物組分及接觸關(guān)系決定其電阻率大小，其中礦物顆粒的接觸關(guān)系起重要作用，礦物組分的導(dǎo)電性和含量大小起次要作用。巖土體的礦物顆粒的接觸關(guān)系主要表現(xiàn)為蜂窩形（包圍形）、鑲嵌形（彼此交叉接觸排列）、單粒形（被包圍形）三種類型，蜂窩形的礦物成分對巖土體的電阻率起主導(dǎo)作用，鑲嵌形的礦物成分按含量的多少及導(dǎo)電性的強(qiáng)弱成比例，而單粒形的礦物成分對巖土體的電阻率影響不大。②巖土體中的孔隙水巖土體中的孔隙水因含有某些鹽分（電解質(zhì)）而形成電解液，其電阻率都遠(yuǎn)小于巖土體礦物的電阻率（巖土體孔隙水的電阻率很少超過10010Ωm，通常在1～10Ωm，與水的總礦化度成反比關(guān)系）；根據(jù)在飽和條件下巖土體的電阻率ρ=ρ水·（3/ω-1）可知巖土體的電阻率與孔隙水含量成反比，與孔隙水的電阻率成正比；另外在孔隙水為弱結(jié)合水（薄膜水）轉(zhuǎn)變?yōu)槊?xì)水、自由水的過程中，隨著孔隙水含量增多巖土體的電阻率會急劇變小。

4 土壤電阻率的檢測

針對接地系統(tǒng)土壤電阻率的檢測不僅需要在接地裝置地網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前進(jìn)行取樣測量，為設(shè)計(jì)地網(wǎng)電阻提供重要的參考依據(jù)，也應(yīng)在項(xiàng)目接地裝置驗(yàn)收過程中對其進(jìn)行檢測，以判斷接地電阻的可靠性。土壤電阻率檢測是否準(zhǔn)確是受土質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同的影響，不同形式的土壤其導(dǎo)電性是不同。準(zhǔn)確測量確定土壤電阻率對建筑物及電氣設(shè)備的接地設(shè)計(jì)有重要意義。到目前為止，探索出以下幾種方法可以測量土壤電阻率：①土壤試樣法；②三點(diǎn)法（深度變化法）；③兩點(diǎn)法（西坡土壤電阻率測定法）；④四點(diǎn)法；⑤大電流法；⑥變頻法等。

5 土壤電阻率對接地電阻影響

因?yàn)榘肭蛐谓拥貥O組成的接地裝置是研究接地的基礎(chǔ)，所以我們實(shí)驗(yàn)中可以將半球形電極埋設(shè)在地面土壤下作為樣點(diǎn)，選取參考鏡面為地面，使半球形電極通過鏡像法構(gòu)成全空間球形電極，通過這種方法驅(qū)使接地電流流出面積擴(kuò)大1倍，可以將接地電阻減半。假設(shè)鏡像全空間球形電極處于靜電場中，相對電容率為ε，球體半徑為r（m），則球體電容依據(jù)公式計(jì)算：C=4επr在靜電場中，導(dǎo)體間的電容為C=UQ，而兩電極間的電導(dǎo)為Z=UI，I和U分指兩電極間電流和兩極間電壓，Q指電荷量。在靜電場中運(yùn)用比擬原理，通過C和Z的可比性關(guān)系，RE=Cρε，當(dāng)球狀接地導(dǎo)體處于電阻率為ρ的均勻?qū)щ娊橘|(zhì)中，其接地電阻R可按公式計(jì)算而半球狀導(dǎo)體電極的接地電阻正好是上述RE的一半，其他類型接地裝置比如單一接地體，復(fù)合接地體接地電阻值都可換算得到。現(xiàn)在一些項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員并沒有根據(jù)項(xiàng)目具體情況進(jìn)行實(shí)際計(jì)算，統(tǒng)一按聯(lián)合接地要求對電氣系統(tǒng)接地電阻值提出要求，雖然這種項(xiàng)目實(shí)施后大都符合標(biāo)準(zhǔn)或者不合格也可以通過簡單整改措施完成要求，但從規(guī)范性與經(jīng)濟(jì)性上來說，前期進(jìn)行一定的接地系統(tǒng)接地電阻設(shè)計(jì)是必要的。

6 土壤電阻率測試方法選擇

6.1 變電站工程場地電阻率測試方法選取

①非巖溶、土洞區(qū)或基礎(chǔ)影響范圍無溶洞、土洞、孤石分布的場地：山區(qū)、丘陵等比四周地形明顯高出的地段，地下水位埋深一般較大，場地范圍內(nèi)地形起伏不大的宜優(yōu)先考慮電測深法，地形起伏大或設(shè)計(jì)場地標(biāo)高與現(xiàn)狀場地標(biāo)高相差較大的宜在場地平整后采用電測深法進(jìn)行土壤電阻率測量；個(gè)別地下水較淺或孔內(nèi)水位及泥漿水位保持時(shí)間滿足測量需要時(shí)宜采用電測井法。對于盆地、山坳等比四周地形低或山前沖積、洪積平原等平緩地段，地下水位埋深較淺，優(yōu)先考慮電測井法，當(dāng)測量所需水位不滿足測試要求或地起伏不大時(shí)可選用電測深法；②基礎(chǔ)影響范圍有溶洞、土洞、孤石分布的場地：一般需要開展一定的物探工作，以結(jié)合鉆探資料證實(shí)巖土分布特征，因此開展土壤電阻率測試可優(yōu)先選用高密度電法，既可提供準(zhǔn)確的土壤電阻率資料，又能通過剖面電阻率異常結(jié)合鉆孔資料準(zhǔn)確反映場地的巖土分布特征，保證了巖土勘察成果質(zhì)量同時(shí)又減少了物探工作量。該類場地鉆探時(shí)多有漏水或下套管成孔，難以采用電測井法進(jìn)行土壤電阻率測試，且有套管影響時(shí)測量結(jié)果不準(zhǔn)確，因此不宜采取電測井法。

6.2 配電房工程場地電阻率測試方法選取

配電房多位于城鎮(zhèn)居民區(qū)，地形平坦，該類工程一般僅需場地淺層土壤電阻率成果，通常采用電測深法進(jìn)行土壤電阻率測量；若進(jìn)行了鉆探工作亦可采用電測井法且能準(zhǔn)確得到更大深度范圍的土壤電阻率成果。

7 常用降阻措施

7.1 接地電阻測量中的控制措施

①測量接地網(wǎng)接地電阻時(shí)，P點(diǎn)至G點(diǎn)的距離要大于10m，小于10m測量結(jié)果誤差較大；②在測量時(shí)，必須根據(jù)接地裝置安裝現(xiàn)場的詳細(xì)情況選擇C點(diǎn)，確保G點(diǎn)至C點(diǎn)所在直線延長線必須通過接地網(wǎng)中心點(diǎn)D，也就是CG連線垂直于接地網(wǎng)邊緣，才能保證接地電阻值測量的準(zhǔn)確性；③工作開始前，工作人員必須將接地電阻測量儀的測試線拉直，避免因?yàn)榻拥鼐€出現(xiàn)相互纏繞的情況，影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；④在測量大體積物體的接地電阻值時(shí)，必須采取加長G點(diǎn)測量線長度的方式，避免因?yàn)榻拥鼐€長度不足影響接地電阻測量的準(zhǔn)確性；⑤針對硬化水泥地面無法進(jìn)行打測量電極操作的情況，操作人員可以先將25cm2×25cm2鋼板放于水泥地面，然后澆上鹽水，用其代替測量電極，即可完成工作。

7.2 安全措施

在進(jìn)行高層建筑物的電氣管線防雷電網(wǎng)接地裝置施工安裝過程中，必須注意以下幾點(diǎn)安全防護(hù)措施：①當(dāng)安裝工程的施工人員進(jìn)入現(xiàn)場后，必須按照最新的國家安全管理規(guī)范和技術(shù)規(guī)定進(jìn)行安裝施工。在進(jìn)行施工時(shí)，一定要及時(shí)安排專人負(fù)責(zé)，進(jìn)行一對一的安全監(jiān)督。另外，還要及時(shí)加強(qiáng)對安裝施工人員的安全意識教育，增強(qiáng)安裝施工人員的職業(yè)安全意識；②安裝施工現(xiàn)場的各種工具及材料必須及時(shí)指定專門的施工人員進(jìn)行安裝管理，并嚴(yán)格看管好各個(gè)點(diǎn)的帶電接地開關(guān)，避免可能發(fā)生防雷漏電起火現(xiàn)象，危及安裝施工人員的安全；③在進(jìn)行電氣防雷帶電接地裝置的日常安裝時(shí)，有時(shí)還要進(jìn)行高空防雷作業(yè)，這就要求安裝施工人員必須隨身系好防雷安全帶并攜帶好防雷滅火器，防止防雷焊接施工過程中可能發(fā)生的重大火災(zāi)；④在電氣防雷帶電接地裝置日常安裝工作完成后，應(yīng)做好安裝施工現(xiàn)場的日常清理與維護(hù)工作。

8 結(jié)語

電氣設(shè)備安裝過程中的漏電防雷及接地保護(hù)工作一直是各類建筑施工過程中的重要工序，防雷保護(hù)工作不容忽視。本文主要介紹影響建筑電氣工程接地裝置電氣安全的關(guān)鍵——土壤電阻率的檢測，得出建設(shè)項(xiàng)目接地裝置土壤電阻率檢測受到多種因素影響，并且土壤電阻率對項(xiàng)目前期接地系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及后期電氣裝置接地的效率與質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。由上述分析可知，在建筑電氣工程整個(gè)建設(shè)周期內(nèi)以及后期運(yùn)行過程中，需要關(guān)注接地系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。在設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮項(xiàng)目所在地的地質(zhì)情況及土壤的電阻率變化情況，通過合理化設(shè)計(jì)擬定接地方案，配套后期接地裝置檢測驗(yàn)收來保證接地系統(tǒng)達(dá)標(biāo)。