高土壤電阻率地域降阻工程的若干問題探析

李軍正 鄭金達 陸力源 張 璽

(1.臺州市氣象局，浙江 椒江318000;2.臺州市椒江區(qū)氣象局，浙江 椒江318000)

0 引言

接地的作用是保護建筑物自身安全及建筑物內(nèi)人身安全和各系統(tǒng)設(shè)備安全，按其作用可分為防雷接地、保護接地、工作接地、屏蔽接地、防靜電接地等。接地電阻由接地體及其連接線的自身電阻、接地體表面與土壤之間的接觸電阻、電流由接地極向土壤中流散時經(jīng)過路徑的散流電阻3個方面組成，是表征接地裝置向大地泄放電流的一個基本物理量，在接地設(shè)計中占有重要的地位。其中，散流電阻和接觸電阻與土壤電阻率有著直接聯(lián)系并起著決定作用。

現(xiàn)行設(shè)計理念中，基本上是要求采用共用接地方式，接地電阻值也是以各個接地系統(tǒng)中要求最小的接地電阻值為依據(jù)，甚至要求不大于1Ω。但在高土壤電阻率環(huán)境，設(shè)計要求接地電阻值不大于10Ω實施時可能都不易實現(xiàn)。以山地高土壤電阻率環(huán)境的接地裝置改造工程為實例，對影響接地電阻的各種因素及各項降阻措施的利弊特點等若干問題進行探討和分析。

1 改造項目基本概況

某單位位于臺州黃巖西部山區(qū)的一幢長39.6 m、寬15.1 m、高16.8 m 的新建辦公大樓，防雷類別被劃定二類，接地裝置利用大樓的基礎(chǔ)地網(wǎng)?？⒐ず髮俚胤览籽b置檢測人員利用4102接地電阻測試儀檢測結(jié)果為56Ω。經(jīng)現(xiàn)場勘測，該地域為山間盆地，雖然周邊農(nóng)田上種植著各種農(nóng)作物，但地表上其實只有一層厚度30 cm左右的泥土，下面為砂土和礫石結(jié)構(gòu)，經(jīng)測試，土壤電阻率在2500Ω·m左右。根據(jù)實際情況，業(yè)主方和檢測單位提出了盡量將接地電阻改造到10Ω以下，若能達到4Ω則為最佳。

2 接地改造的設(shè)計思路及實施方案

根據(jù)規(guī)范及相關(guān)經(jīng)驗，高土壤電阻率地域降低接地電阻的常規(guī)方法有以下幾種:采用多支線外引接地裝置、接地體埋于較深的低電阻率土壤中、更換土壤、對土壤進行化學(xué)處理(采用降阻材料)等。據(jù)此，對上述項目實施了如下改造方案，示意圖如圖1。

1)利用大型挖機在大樓周邊挖出8個深度為4 m的大坑(圖中標(biāo)注為A—H)，在每個坑內(nèi)預(yù)埋一根長為3 m的10 cm(DN80)鍍鋅鋼管作為垂直接地極，并灌注定量的降阻劑，利用50 mm×5 mm的鍍鋅扁鋼將各個坑內(nèi)的垂直金屬鋼管連接，扁鋼埋深1 m，并在其上面覆蓋一層降阻劑。

2)在大樓東面和南面的圍墻外深為1 m的溝內(nèi)每隔2.5 m放置一塊降阻模塊，用50 mm×5 mm的鍍鋅扁鋼將各個降阻模塊連通。

3)用50×5 mm鍍鋅扁鋼將人工接地裝置與基礎(chǔ)地網(wǎng)在大樓的四角位置進行可靠連接。

工程改造后，施工單位和檢測機構(gòu)利用各自的4102測試儀進行檢測，結(jié)果均為16Ω左右。

圖1 實際工程改造方案示意圖

3 影響接地電阻的因素探討與分析

3.1 土壤結(jié)構(gòu)對接地電阻值的影響

本案例工程的土壤特點是呈顯著的水平多層分層結(jié)構(gòu)，表層為薄薄的泥土，往下就是明顯的砂土結(jié)構(gòu)，然后就是以礫石為主。這與在均勻的、低電阻率土壤地域的情況不同，也就造成了改造工程的實際效果與預(yù)估時有較大差別。

為了便于說明水平分層的土壤結(jié)構(gòu)對接地電阻的影響，現(xiàn)以圖2所示的水平雙層土壤結(jié)構(gòu)為例，其它水平多層土壤結(jié)構(gòu)對接地電阻影響的分析方法與此相同。假設(shè)上層土壤電阻率為ρ1，下層土壤電阻率為ρ2，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗和資料，有以下幾方面特點。

圖2 水平分層的土壤結(jié)構(gòu)圖

1)當(dāng)ρ2小于ρ1時，可充分利用下層低電阻率土壤來降低接地電阻。也就是說采用垂直接地體的方式進行降阻是非常合適的，如果是高土壤電阻率地區(qū)，還非常適合采用深井式接地，會使接地電阻得到較大改善。

2)當(dāng)ρ1、ρ2相同，即所處地域為均勻土壤結(jié)構(gòu)時，也是非常適合實施垂直接地體降阻措施，使電流向垂直和水平兩個方向擴散，并充分利用垂直方向擴散分量，將較大的電流引入地層深處。但不宜采用深井式接地，主要考慮投入的成本與取得效果之間的性價比問題。

3)當(dāng)ρ2大于ρ1時，隨著ρ2值逐漸增大，電流在深層土壤的散流難度也逐漸增大，通過垂直接地體散流的電流比例也在不斷減小;當(dāng)ρ2遠大于ρ1時，垂直接地體的降阻效果會變得越來越小。在此條件下，不適合采用深井式接地，而增加水平接地網(wǎng)面積是最適合的降阻方法。

3.2 地下水含量及電解質(zhì)對接地電阻值的影響

據(jù)相關(guān)資料，土壤含水量增加時電阻率會下降，但是當(dāng)含水量增加到20% ～25%時，土壤電阻率會保持在相對穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)含水量達到75%時，達到完全飽和狀態(tài)。而且土壤電阻率還與土壤的結(jié)構(gòu)、土質(zhì)的緊密度、溫度以及土壤中可溶性電解質(zhì)化合物(如:酸、堿、鹽等)的含量有關(guān)。也就是說，水的純度越高，可溶性電解質(zhì)含量越低，土壤電阻率越大。

本案例工程中所處地域的地下水類型為山丘區(qū)孔隙潛水，含水層主要為河谷沖積砂礫石層，水質(zhì)為Ⅱ類，也就是說水中或土壤中沒有更多的礦物質(zhì)和無機電解質(zhì)可形成電子電導(dǎo)和離子電導(dǎo)使土壤電阻率得到有效下降。這或許也是即使安裝垂直接地體的大坑中已經(jīng)冒出地下泉水仍不能使接地電阻下降到預(yù)期4Ω以下的原因之一。

3.3 接地體之間的屏蔽效應(yīng)對接地電阻值的影響

在有多根接地體排列的接地裝置中，由于每根接地體均向土壤中泄放相同極性的電荷流之間將會相互排斥，如圖3所示;所以相鄰兩接地體之間的土壤就得不到充分的散流，從而使散流阻力增大，這種作用稱為接地體之間的屏蔽效應(yīng)。屏蔽效應(yīng)將使得每一接地體的接地電阻比各自單獨存在時增大，也使整個總接地電阻大于它們各個接地體的并聯(lián)電阻。接地體之間距離越近、垂直接地體根數(shù)越多，屏蔽效應(yīng)就越嚴(yán)重。

圖3 接地體之間散流時的屏蔽效應(yīng)

在實際工程中，為了減小相鄰接地體間的屏蔽作用，接地體的間距一般要大于5 m，垂直接地體的長度宜為2.5 m左右，此時相應(yīng)的利用系數(shù)ηC可達到較大值0.75～0.85之間。對于深井式接地體，其間距仍然是宜為井深的2～3倍。理論上只有離接地體大于20 m處可看作是零電位點，也就是說同一地網(wǎng)內(nèi)兩個接地體間的距離要大于40 m時，才可不計相互屏蔽影響。

由于屏蔽作用，在大型地網(wǎng)中為了降低接地電阻而增加垂直地體時，應(yīng)將其布置在水平接地網(wǎng)的邊緣，使其與水平地網(wǎng)間的屏蔽作用達到最小，這樣更有利于散流、降阻。

本案例工程中，圍墻內(nèi)增設(shè)的接地體與大樓基礎(chǔ)地網(wǎng)、增設(shè)的垂直接地體之間均保持了相當(dāng)大的距離，這一方案即增大了地網(wǎng)的面積又減少了接地體間的屏蔽效果，特別是在西面位置為增設(shè)的接地體開了“大口子”，其目的就是盡可能減少接地體的屏蔽效應(yīng)。另外，圍墻外面增設(shè)的水平接地體對圍墻內(nèi)增設(shè)的接地體會產(chǎn)生一定的屏蔽效應(yīng)，但由于距離較大，因此其屏蔽效應(yīng)應(yīng)是有限的。

3.4 測試方法、測試設(shè)備對接地電阻值的偏差

接地電阻值是通過接地電阻測試儀取得的一個測試值，而其真實值不同于實驗室易于精確獲得。但是不同的接地電阻測試設(shè)備的工作原理是不盡相同，因此得到的測試值也會有所不同，甚至?xí)霈F(xiàn)較大的差別。在本案例工程改造前后，施工單位和檢測機結(jié)構(gòu)還利用各自的搖表ZC－8進行測試，結(jié)果為改造前26Ω左右，改造后8Ω左右，這與表4102所得到的56 Ω和16Ω的測試結(jié)果均有較大出入。

現(xiàn)行的接地電阻測試設(shè)備大部分是采用電流表—電壓表法，其中電壓表與電位極P是串聯(lián)關(guān)系，電流極的接地電阻與測量電源是串聯(lián)關(guān)系。因此在測試時，接地電阻越大，注入電流越小;接地電阻越小，注入電流越大，但具體的測試原理卻不盡相同。例如電阻測試儀4102(A)、4105(A)、1026(B)均采用電位下降法原理，以額定電流變極器(又稱恒流轉(zhuǎn)換器)產(chǎn)生的恒流源作為測量電源，產(chǎn)生的測量電流約為2 mA。其中測試儀4102A的說明書中指出了測量電流與接地電阻的關(guān)系為:1Ω－3 mA、10Ω－2 mA、100Ω－1 mA。搖表ZC－8是采用補償法原理，通過轉(zhuǎn)速為120轉(zhuǎn)/min的手搖發(fā)電機產(chǎn)生電壓源作為測量電源，其最高能產(chǎn)生上百伏的電壓，輸出的測量電流可達10－1A級。

事實上，在進行接地電阻測試時，測試設(shè)備提供的測量電流越大，其測量準(zhǔn)確度越高。因此在高土壤電阻率地區(qū)進行接地電阻測試時，盡量選用能產(chǎn)生安培級以上工作電流的接地電阻測試儀，比如大型地網(wǎng)測試儀SKY－2011的輸出的測量電流不僅可以人為設(shè)置，而且可達5 A，有些最大為30 A，并且適用于任何地網(wǎng)的測試。

4 各種降阻措施的利弊特點探討與分析

基于前述對影響接地裝置電阻值幾大因素的探討和分析，從而可以得出各種降阻措施在不同情形下的利弊特點。

1)外引接地裝置，包括增設(shè)水平接地體、垂直接地體。在工程中必須考慮接地體之間的屏蔽作用對降阻效果的影響，因此設(shè)計時要考慮接地體間的間距及垂直接地體的長度;在大型地網(wǎng)中，垂直接地體應(yīng)盡量設(shè)在地網(wǎng)外圍。若工程所在地區(qū)的土壤為垂直分層結(jié)構(gòu)，如圖4所示，則外引接地裝置可充分利用低電阻率處的土壤來取得明顯降阻效果。

圖4 垂直分層的土壤結(jié)構(gòu)圖

2)接地體埋于較深的低電阻率土壤，就是使接地體離地面距離增加并利用深層低電阻率土壤，從而增大了接地體在土壤中的散流面積，起到減小接地電阻的作用。目前廣泛應(yīng)用的方法是采用銅鑄鋼或角鋼垂直接地技術(shù)、深井接地技術(shù)、爆破接地技術(shù)等。要注意的是，在下層土壤電阻率不大于上層的情況下，增設(shè)垂直接地體的效果是顯著適宜的;若下層土壤電阻率大于上層時，加裝垂直接地體則效果不明顯的。對于深井接地法，若地下深處的土壤電阻率大于或等于上層時，在實施工程前須進行技術(shù)經(jīng)濟比較，以免造成投入了巨資卻收不到好的降阻效果。

3)增大地網(wǎng)面積是降低接地電阻最為常用和較為有效的措施。但是隨著面積的增大，降阻的效果會逐漸減弱直至飽和;同時增大面積亦會大大增加投資，且受到可占地域面積的限制。

4)更換土壤對減小接觸電阻及散流電阻均有明顯的作用，但在實際工程中，由于低電阻率土壤的來源問題，以及需投入巨大的工程量和資金等因素，換土措施其實很難實現(xiàn)。

5)采用降阻材料，可在一定程度上降低土壤與接地體間的接觸電阻和散流電阻，但考慮到經(jīng)濟等方面原因，降阻材料不可能大面積使用，因此這一措施對地網(wǎng)的降阻作用是有一定局限性的。而且普通化學(xué)降阻劑在使用過程中如果包裹處理不到位會隨著雨水的作用而逐漸流失、在干燥時又起不到理想的作用，且具有一定的腐蝕性。因此在工程中可以選用一些具有長效(不易被雨水沖掉或流失)、穩(wěn)定(能與接地體緊密結(jié)合，并起到吸水保濕作用)和防腐特點的新型長效物理降阻劑。另外，針對降阻材料在腐蝕性方面帶來的副作用，接地體也可以選用新型的非金屬材料作為金屬接地體的替換產(chǎn)品，如以碳纖維、鋼纖維、石墨等為主要原料的導(dǎo)電混凝土。

常用的降阻材料有降阻劑和降阻模塊，不同廠家、不同型號的降阻材料由于配方和生產(chǎn)工藝不同，它們的降阻效果也會有所不同，下面歸納列出幾種常規(guī)降阻材料的性能比較，如表1所示。

表1 常規(guī)降阻材料的性能比較

5 結(jié)語

接地電阻主要由所在場所的土壤條件決定，改造工程不能脫離所在地的地質(zhì)條件。在高土壤電阻率地區(qū)，接地電阻應(yīng)綜合安裝費用和可能做到的電阻值來考慮，在滿足安全的前提下，允許提高接地電阻值，對符合條件的接地裝置可不計及沖擊接地電阻，事實上，接地裝置的布置和尺寸比接地電阻值更重要。當(dāng)無法達到一定的接地電阻值時，應(yīng)采取均壓、隔離等措施，使跨步電壓限制在人身安全和設(shè)備安全允許值范圍內(nèi)。同時也可以采用提高跨步電壓允許值保證安全，最有效的辦法就是增大地表的土壤電阻率，如采用碎石或瀝青混凝土地面等。

因此在高土壤電阻率地區(qū)實施接地裝置改造工程前，一定要收集和重視土壤在水平方向和垂直方向的變化情況，探測周邊土壤電阻率的分布情況;要根據(jù)區(qū)域的特點，采取不同的降阻措施，以最高性價比來設(shè)計接地系統(tǒng)。

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