高土壤電阻率區(qū)域地網(wǎng)設(shè)計制作與測試試驗

劉 波, 曾 勇, 吳仕軍, 吳安坤, 張淑霞

(貴州省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心, 貴州 貴陽 550002)

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高土壤電阻率區(qū)域地網(wǎng)設(shè)計制作與測試試驗

劉 波, 曾 勇, 吳仕軍, 吳安坤, 張淑霞

(貴州省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心, 貴州 貴陽 550002)

結(jié)合機場自動氣象觀測場實例,介紹了高土壤電阻率區(qū)域采用離子接地極深井埋設(shè)和傳統(tǒng)接地相結(jié)合的地網(wǎng)設(shè)計,詳細(xì)分析了地網(wǎng)施工步驟及注意問題。在地網(wǎng)施工過程中,進(jìn)行了離子接地極數(shù)量與地網(wǎng)接地電阻之間關(guān)系的測試試驗,將實測接地電阻值與廠家宣稱的理論計算電阻值進(jìn)行了比較,并采用最小二乘法中添加趨勢線的方法對試驗曲線進(jìn)行擬合,得到接地電阻值與離子接地極關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式,同時對結(jié)果存在的問題進(jìn)行了分析,可為其他高土壤電阻率區(qū)域的地網(wǎng)設(shè)計制作提供參考。

高土壤電阻率區(qū)域; 地網(wǎng)設(shè)計; 離子接地極; 熱熔焊接; 擬合分析

0 引 言

貴陽龍洞堡機場于1997年5月28日正式投入運營,跑道長為3 200 m,寬為45 m。在機場建設(shè)中,大面積采用開山大石塊填料,且其填筑厚度約為50 m。大塊石填筑地基的顆粒大小和級配情況,與填筑粒料的大小和級配有關(guān)。為了使填筑粒料達(dá)到良好的級配和分層填筑厚度所控制的最大粒徑,在進(jìn)行爆破施工設(shè)計時結(jié)合采石料場山體的巖性及巖體的層理構(gòu)造,按小于1/3倍強夯夯粒直徑(2 300～2 400 mm)控制粒料最大粒徑,顆粒大小組成的級配特征值以不均勻系數(shù)>5、曲率系數(shù)>1作為填料的級配要求,現(xiàn)場的土壤電阻率測試儀測量其平均土壤電阻率為3 000 Ω·m[1]。

該機場南、中、北三個自動氣象觀測場原來均已有地網(wǎng),但接地電阻達(dá)不到要求,現(xiàn)需要在與其跑道平行,且距跑道平均水平距離約50 m的三個自動氣象觀測場再制作輔助地網(wǎng),接地電阻要求達(dá)到8 Ω及以下。因機場極高的土壤電阻率,如采用傳統(tǒng)的水平接地極(扁鋼)和垂直接地極(角鋼)組成的綜合地網(wǎng),接地電阻要達(dá)到8 Ω以下非常困難,甚至有可能達(dá)不到。本文結(jié)合該機場南面自動氣象觀測場,介紹了地網(wǎng)設(shè)計制作過程及測試試驗。

1 傳統(tǒng)地網(wǎng)

傳統(tǒng)地網(wǎng)一般采用鍍鋅鋼材制作,常用-40 mm×4 mm的鍍鋅扁鋼作為水平接地極,∠50 mm×5 mm的鍍鋅角鋼作為垂直接地極,兩者聯(lián)合使用。根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 621—1997《交流電氣裝置的接地》,接地電阻值為

(1)

式中: S——制作的地網(wǎng)面積;ρ——土壤電阻率。

該機場的氣象自動觀測站土質(zhì)差,土層薄,實測的土層厚度僅為80 cm,而土壤電阻率高達(dá)3 000 Ω·m以上,地網(wǎng)的接地面積有限。要達(dá)到機場的接地電阻要求(接地電阻≤8 Ω),采用傳統(tǒng)的地網(wǎng)制作,按式(1)計算,地網(wǎng)面積高達(dá)35 156 m2。故單獨采用傳統(tǒng)的地網(wǎng)制作方法不可行。

2 降低接地電阻的方法

2.1 外引接地

外引接地在土質(zhì)好、土壤電阻率低、面積大的地方制作接地電阻符合要求的地網(wǎng),再采用接地連接線將該地網(wǎng)與需要接地的設(shè)備、裝置連接起來[2]。經(jīng)實測,該機場自動氣象觀測場四周均為巖石,在離其約為2 000 m、高度差為200 m的山下為農(nóng)田,土壤較好,土壤電阻率較低。因需外引接地的連接線過長,接地連接線本身的電阻會很大,從而影響接地電阻值,所以外引接地的方法不易實現(xiàn)。

2.2 換土法

換土法采用低電阻率的土壤代替高電阻率的砂石,從而降低接地電阻[3]。這種方法的施工量很大,施工成本很高,且機場觀測場80 cm土層以下均為堅硬的砂石夯實、填充,不可能換土。另外,跑道離觀測場平均距離為50 m,換軟土可能引起地面塌陷,危及飛行安全。故該方法不可行。

2.3 深井接地法

通過鉆井,將接地極放入深井中,從而增大接地體的半徑,使接地極與深層土壤中的水分接觸,降低接地電阻[4]。該機場自動氣象觀測場可以采用該方法。

2.4 離子接地極

離子接地極占地面積小,降阻效果持久、穩(wěn)定,是一種新型的接地材料[5-6],采用管式結(jié)構(gòu),內(nèi)外加有填充劑,外填充劑采用低電阻、高滲透擴展的高能回填料,內(nèi)填充劑具有很強的離子釋放性能,并且具備吸水保濕、電離導(dǎo)電、長效緩釋等功能。

2.5 使用降阻劑

降阻劑一般含有細(xì)石墨、固化劑、膨脹土、導(dǎo)電水泥、潤滑劑等,是一種良好的導(dǎo)電體,能增大接地體與土壤的接觸面積,增加電流流通面,具備良好的滲透性能,能向周圍土壤、巖石縫滲透形成樹根網(wǎng)狀,在接地電極周圍形成變化平穩(wěn)的低電阻降區(qū)域。目前許多降阻劑都具有較強的腐蝕性和低的降阻穩(wěn)定性。該自動氣象觀測場可以采用無腐蝕、高穩(wěn)定性的降阻劑[7-8]。

3 地網(wǎng)設(shè)計制作

采用離子接地極、深井接地、傳統(tǒng)接地的聯(lián)合方式,制作該機場自動氣象觀測場的地網(wǎng)。

地網(wǎng)設(shè)計制作步驟如下:

(1) 挖槽。在氣象觀測場的周圍按照設(shè)備的走向挖設(shè)槽溝,主槽溝深80 cm,寬60 cm,槽溝總長約為150 m。

(2) 鉆井。采用機械鉆井的方式,在南面觀測場挖槽溝鉆井,井深為10 m,井徑為80 mm。因跑道離觀測場僅50 m左右,飛機的起降會造成槽溝鉆井中砂石在不同深度處發(fā)生堵塞,需不斷進(jìn)行清理,故最好是每鉆一個井,就放入離子接地極,避免井口堵塞,造成施工成本的增加。

南面氣象觀測場地網(wǎng)設(shè)計示意如圖1所示。

(3) 使用離子接地極。因離子接地極的主體結(jié)構(gòu)是銅棒(1.5 m長),將其放入10 m深的鉆井孔中時,需要與鍍鋅扁鋼進(jìn)行焊接,因兩者材質(zhì)、材性不同,不能電焊銅,而采用熱熔焊接。熱熔焊接是利用化學(xué)反應(yīng)(放熱反應(yīng))時產(chǎn)生超高熱來完成焊接的一種方法,其特點是化學(xué)反應(yīng)速度非?？?產(chǎn)生的熱量極高,可以有效地傳導(dǎo)至焊接部位,使其熔為一體,形成分子結(jié)合[9-10]。放熱熔接法為接地線路的最好方法,焊接點能經(jīng)受多次大電流的沖擊,穩(wěn)定不退化,焊接點過渡電阻低,其載流能力與所焊接導(dǎo)線的幾乎相同,且在焊接時無需外接電源或熱源,在不便于攜帶或者使用焊機的地方很實用[11-12]。需要說明的是,機場屬于防火等級要求很高的場所,在此施工過程中需準(zhǔn)備滅火器。

圖1 南面氣象觀測場地網(wǎng)設(shè)計示意

(4) 熱熔焊接步驟:① 將模具清理干凈,放平;② 將需要焊接的銅帶與扁鋼水平放入模具兩側(cè);③ 在模具中放入熔焊劑,并將引燃粉放在表層及?？?蓋上模具頂蓋;④ 點燃引燃粉,約0.5 min后開啟模具,清除殘渣,焊接完成。離子接地極的連接銅帶與扁鋼的熱熔焊接如圖2所示。

圖2 離子接地極的連接銅帶與扁鋼的熱熔焊接

4 接地電阻試驗

4.1 試驗概述

廠家宣稱使用其生產(chǎn)的離子接地極,可以很好地降低接地電阻,則所需接地電極的數(shù)量為

n≈(0.014 2ρ/R)-0.4

(2)

如果土壤電阻率特別高(1 000 Ω·m以上),可以將上述計算結(jié)果再乘以調(diào)整系數(shù)K(取值1.2～1.5)。土壤電阻率越高,K取值越大。

自動氣象觀測場多點測試的土壤電阻率平均值為3 000 Ω·m。在驗證式(2)時,K取最大值1.5,則R=0.021 3ρ/(n+0.6)。

4.2 試驗說明

為了驗證上述公式,每放下1根離子接地極進(jìn)入接地井后,嚴(yán)格按照接地電阻的直線測試法(0.618法)進(jìn)行多次測試,取其平均值。第1根獨立測試完后,再將第2根與其用扁鋼連接在一起,多次測試接地電阻,取其平均值。依此方法,最后測得12根離子接地極連在一起的接地電阻值,即所制作地網(wǎng)的接地電阻。

需要說明的是,接地電阻的測試是在離子接地極放入接地井一周后進(jìn)行的,測試時天氣多云,測試前一天沒有下大雨。這是因為離子接地極的填充料需要一定的時間來發(fā)揮其作用,接地極剛放入接地井就測試會帶來測試結(jié)果偏大,與真實值間的誤差較大,而不選擇在雨后或雨中測量,也是為了測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

4.3 測試結(jié)果及分析

接地電阻值的實測值與計算值比較如表1所示。

表1 接地電阻值的實測值與計算值比較

nR/Ω計算值實測值139．959．8224．645．6317．835．4413．929．0511．425．269．720．478．417．287．414．896．712．4106．010．0115．58．8125．17．6

接地電阻值比較如圖3所示。

圖3 接地電阻值比較

從表1、圖3可以看出,實際測得的接地網(wǎng)接地電阻與廠家宣稱的接地電阻存在差異。如果需要接地電阻值達(dá)到10.0 Ω,按照式(2),只需要6根離子接地極即可,而實際上需要的是10根,兩者相差較大。

4.4 最小二乘法擬合分析

為了得到實測的離子接地極數(shù)量n與接地電阻值R的關(guān)系式,給其他相似土質(zhì)條件下地網(wǎng)的設(shè)計與施工提供經(jīng)驗,采用最小二乘法中添加趨勢線的方式對圖3進(jìn)行擬合分析,擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4 擬合結(jié)果

相關(guān)系數(shù)A值是趨勢線擬合程度的指標(biāo),可以反映趨勢線的估計值與對應(yīng)的實際數(shù)據(jù)之間的擬合程度,擬合程度越高,趨勢線的可靠性就越高。當(dāng)A=±1時,相關(guān)性最好,兩者完全相關(guān)。

線性趨勢線擬合得到的公式為y=-4.197 9x+51.136,A=0.935 8;多項式趨勢線擬合得到的公式為y=0.482 7x2-10.473x+67.777,A=0.991 7。

因此,圖4添加的兩條趨勢線對于試驗曲線的擬合相關(guān)系數(shù)都大于0.9,即相關(guān)程度都很好。比較兩者可知,添加的多項式趨勢線擬合程度最好,相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.991 7,說明離子接地極數(shù)量與試驗所測的接地電阻值的關(guān)系曲線與所選取的多項式趨勢線一致。

通過上述分析,在土壤電阻率為3 000 Ω·m時,公式y(tǒng)=0.482 7x2-10.473x+67.777能較好地表達(dá)此種離子接地極數(shù)量與接地電阻之間的關(guān)系,故推薦使用該公式。

4.5 試驗結(jié)果存在的問題

該試驗是在防雷工程的施工中進(jìn)行的,當(dāng)離子接地極的數(shù)量為12根時,測得的地網(wǎng)接地電阻已符合該機場自動氣象觀測場的要求,故沒有再增加離子接地極的數(shù)量,因此所得的結(jié)果在n取值為12及以下是準(zhǔn)確的。隨著n取值的增加,由于樣本數(shù)取得較小,試驗結(jié)果存在一定誤差。

另外,試驗結(jié)果是在土壤電阻率為3 000 Ω·m的條件下得到的,因此對于其他土質(zhì)情況下的關(guān)系不能很好地反映,試驗結(jié)論具有很大的局限性。

4.6 飛機起降對接地電阻影響的試驗

所制作的地網(wǎng)離飛機的跑道平均僅為50 m。為了驗證飛機起降時與跑道的摩擦是否會對地網(wǎng)的接地電阻值產(chǎn)生影響,故做此試驗。

選取地網(wǎng)不同的10個點,采取飛機在離地網(wǎng)直線距離最近時起飛和降落的瞬間進(jìn)行測試。經(jīng)測試,飛機在起降時地網(wǎng)的接地電阻值不變,所以飛機的起降對于地網(wǎng)的穩(wěn)定性沒有影響。

5 結(jié) 語

本文在比較幾種降低接地電阻方法的基礎(chǔ)上,針對貴陽龍洞堡機場自動氣象觀測場的實際勘察情況,采用了深井埋設(shè)離子接地極與傳統(tǒng)接地相結(jié)合的設(shè)計模式,并詳細(xì)介紹了施工步驟與注意問題。對施工中所用到的離子接地極數(shù)量與地網(wǎng)接地電阻值之間的關(guān)系進(jìn)行了測試試驗,根據(jù)試驗實測得到的數(shù)值,采取最小二乘法中添加趨勢線的方式進(jìn)行擬合分析。

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Grounding Grid Design and Test in Soil High-resistivity Area

LIU Bo, ZENG Yong, WU Shijun, WU Ankun, ZHANG Shuxia

(Guizhou Lighting Protection and Disaster Mitigation Center, Guiyang 550002, China)

Combining by the automatic meteorological phenomena observation field of Longdongbao Airport in Guiyang,this paper introduced the grounding grid design of soil high-resistivity area which adopted the deep buried ion grounding electrode in ground and the combination of traditional grounding methods.The grounding construction steps and problems in accordance with the design method were analyzed in detail.In the process of network construction,an testing experiment of the relationship was performed between the number of ion grounding electrode and grounding resistance.The results of actual measuring grounding resistance and the theoretical calculative grounding resistance which was alleged by the manufacturers,were analyzed.The experimental curves were fitted with the adding trend line of least square method.It comes to conclusion that the mathematical relation between the number of ion grounding electrode and grounding resistance,and the existing problems of the results are analyzed.It can provide references for the grounding grid design and test in other soil high-resistivity area.

soil high-resistivity area; grounding grid design; ion grounding electrode; heat melting welding; fitting analysis

劉 波(1985—),男,工程師,從事雷電防護(hù)方面的工作。

TU 856

B

1674-8417(2016)11-0020-05

10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.11.006

2016-05-13

曾 勇(1986—),男,從事雷電防護(hù)與接地技術(shù)方面的工作。

吳仕軍(1980—),男,工程師,從事防雷檢測等相關(guān)技術(shù)服務(wù)工作。