降低高土壤電阻率地鐵車站接地電阻的技術(shù)措施

滕小芳

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西西安,710043）

0 引言

地鐵車站的綜合接地系統(tǒng)包括接地網(wǎng)、接地線、端子排等部分，是為滿足強(qiáng)、弱電專業(yè)及其他非電氣金屬管道的接地要求設(shè)置的。其設(shè)置原則應(yīng)保證人身安全、設(shè)備安全及正常運(yùn)營，兼顧雜散電流腐蝕防護(hù)的要求。為滿足變電所設(shè)備、弱電設(shè)備及其他需接地的車站設(shè)備對接地的要求，每個車站單獨(dú)設(shè)置1個接地網(wǎng)，接地網(wǎng)的接地電阻不大于0.5Ω。

目前，地鐵車站綜合接地網(wǎng)均采用人工接地網(wǎng)的形式，即在車站底板下敷設(shè)相連接的垂直、水平接地線，形成綜合接地網(wǎng)絡(luò)。地鐵車站接地網(wǎng)一般分段敷設(shè)，在階段性施工結(jié)束后，對完工部分接地網(wǎng)進(jìn)行接地電阻測量，以此推算出整體接地網(wǎng)的接地電阻值，如推算結(jié)果不能滿足設(shè)計(jì)要求，則在其余部分中采取補(bǔ)救措施。這種做法對于接地網(wǎng)所處土層土壤電阻率較低的車站來說，是可行的。對于土壤電阻率較高的地下車站，則需在設(shè)計(jì)時確定降低接地電阻的具體措施，以降低施工風(fēng)險，杜絕施工完畢后實(shí)測接地電阻值過高的問題。

本文以某城市地鐵車站為例，探討降低高土壤電阻率地鐵車站的技術(shù)措施。

1 工程概況

該車站為地下暗挖車站，車站埋深23m,車站長度200m,寬度19.2m,為典型地鐵車站。車站接地網(wǎng)處土層土壤電阻率ρ為275Ω·m。

2 車站接地電阻公式確定及分析

根據(jù)《工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊》，以水平接地網(wǎng)為主、邊緣閉合的復(fù)合接地網(wǎng)的接地電阻計(jì)算公式為：（1）

式中：

d ——水平接地體的直徑或等效直徑，m；

h ——水平接地體的埋設(shè)深度，m；

L ——水平接地體的總長度，m；

ρ——接地網(wǎng)所處土層土壤電阻率，Ω·m。

擬定該車站水平接地極采用Φ18鍍銅圓鋼，其等效直徑d=0.025434 m2；垂直接地極采用長度為2.5m的Φ17.2鍍銅接地棒，埋深h=0.8 m。該車站的人工接地網(wǎng)面積約為3350m2，人工接地體總長度為1035 m，外圈接地體長度446m，垂直接地體相隔10m左右設(shè)置，共50根。

代入上述計(jì)算公式，公式（1）的計(jì)算結(jié)果為2.375Ω，公式（2）的計(jì)算結(jié)果為2.405Ω，其誤差小于5%。

另通過對眾多車站數(shù)據(jù)代入計(jì)算，公式（1）和公式（2）結(jié)果誤差均小于5%，可認(rèn)為用公式（2）作為地鐵車站人工接地網(wǎng)接地電阻的計(jì)算公式是可行的。

由于接地電阻計(jì)算值為2.375Ω，遠(yuǎn)大于系統(tǒng)要求接地電阻值（0.5Ω），故該車站需采取降阻措施，以滿足接地系統(tǒng)阻值要求。

3 降低地鐵車站接地電阻方法分析

由公式（2）可知，人工接地網(wǎng)接地電阻僅與接地網(wǎng)包圍面積S及土壤電阻率ρ有關(guān)，增大接地網(wǎng)包圍面積或者降低土壤電阻率，均可降低土壤電阻率。因此，我們將降低車站電阻的著眼點(diǎn)置于這兩者之上。

3.1 增大人工接地網(wǎng)面積

該地鐵車站埋深23m,車站輪廓線確定了土建施工開挖范圍，接地網(wǎng)包圍面積S（m2）基本按車站外輪廓面計(jì)算，已為可實(shí)施范圍的最大值，且車站圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)較深（較接地網(wǎng)深5m左右），增大人工接地網(wǎng)面積的可能性不大。

3.2 降低土壤電阻率

常用的通過降低土壤電阻率來降低接地電阻的方法有外引接地極、深打接地極、換土、使用降阻劑、使用離子接地極等。

換土法是在水平接地體周圍1～2m范圍內(nèi)，將原來土壤電阻率較高的土層置換成土壤電阻率較低的土層，施工難度較小。該城市周邊有土壤電阻率較低的黏土，電阻率為30Ω·m，可以考慮用換土法降低接地網(wǎng)所在地層土壤電阻率，從而降低接地電阻。

降阻劑是一種良好的導(dǎo)電體，將它使用于接地體和土壤之間，一方面能夠與金屬接地體緊密接觸，形成足夠大的電流流通面，另一方面它能向周圍土壤滲透，降低周圍土壤電阻率，在接地體周圍形成一個變化平緩的低電阻區(qū)域。降阻劑的填充范圍不大，土方開挖量小，施工方便，造價經(jīng)濟(jì)。

離子接地極由緩釋接地極（內(nèi)含可逆性緩釋填充劑）、引發(fā)劑和增效電解離子填充劑組成。接地導(dǎo)體外部的填充劑以具有強(qiáng)吸水力、強(qiáng)吸附力和陽離子交換性能高的材料為主體，主要用于解決接地導(dǎo)體周圍的濕度、離子生成含量、防腐保護(hù)等問題，使導(dǎo)體與大地緊密結(jié)合，從而降低電極與土壤的接觸電阻，改善周邊土壤的電阻率。離子接地極效果顯著，但目前市場上的離子接地極產(chǎn)品壽命為30年左右（受制于離子接地極內(nèi)含可逆性緩釋填充劑的釋放時間），不滿足地鐵車站使用壽命。雖然廠家采用了緩釋填充劑補(bǔ)充措施，使用年限有所延長。但鑒于地鐵項(xiàng)目后期補(bǔ)充緩釋填充劑難度很大，需要重新開挖垂直接地極敷設(shè)的土層，對埋深23m的車站來說十分困難。

3.3 換土法

局部置換地鐵車站接地網(wǎng)所在地層的土壤，施工是可行的。

假設(shè)該車站換土法開挖地溝的梯形斷面如圖所示（一般情況下，L1約1.6m，L2約0.8m,H1一般為1.1～1.3m）：

圖1 換土法示意

可推算得：

在課堂中的學(xué)習(xí)大多數(shù)都是理論知識的方面，教師通常在課堂中以授課為主，而學(xué)生在其中的參與很少，只是單純進(jìn)行聽講，因此教師很難保證學(xué)生在課堂當(dāng)中的聽課效率，也很容易讓學(xué)生的實(shí)踐與理論知識不能夠很好結(jié)合，使學(xué)習(xí)得到鞏固。因此，在開展一般的課堂之外，教師也要做到應(yīng)用與學(xué)習(xí)相結(jié)合，通過開展相應(yīng)的語文課外學(xué)習(xí)或者活動，來幫助教師彌補(bǔ)在課堂當(dāng)中存在的缺陷，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和認(rèn)識水平，讓課堂學(xué)習(xí)變得更加有滋有味。

式中：

R1——人工接地溝的接地電阻，Ω；

d——水平接地體的直徑或等效直徑，m；

D——人工接地溝梯形斷面的內(nèi)切圓直徑，m；

L ——水平接地體總長度，m；

根據(jù)分析，公式（3）在工程假設(shè)范圍內(nèi)，滿足計(jì)算要求。

該車站原地層土壤電阻率為275Ω·m，擬置換土壤為周圍地區(qū)土壤電阻率為30Ω·m的黏土，水平接地體的總長度1035 m，假設(shè)D=0.8m,即開挖深度為1.2m，L2=0.8m，將以上數(shù)據(jù)代入公式（3）。

可以求得R1=0.38Ω，滿足接地電阻要求。

當(dāng)D為等腰梯形內(nèi)切圓直徑時，梯形面積最小，可算得梯形的最小面積為0.452 m2，據(jù)此推算出此法需換土方量為468m3。

3.4 使用降阻劑

根據(jù)市場實(shí)際調(diào)查和工程經(jīng)驗(yàn)，使用降阻劑，可使接地網(wǎng)的接地電阻降低30%～50%。根據(jù)接地電阻公式（2）計(jì)算結(jié)果可知，單純使用降阻劑只能使部分接地電阻不太高的車站滿足降阻要求。本文所舉例車站，由于土壤電阻率較高，單純使用降阻劑并不能使該車站接地網(wǎng)的接地電阻滿足不大于0.5Ω的要求，需配合其他降阻方法使用。

降阻劑的施放示意圖如下：

（1）垂直接地體：開挖溝槽并用鉆孔機(jī)鉆出孔徑約為Φ150毫米的洞孔（深度等同垂直接地體長度，為2.5m），用深井泵或底部帶有活門的管筒抽干孔洞內(nèi)積水（防止?jié){料稀釋），放入垂直接地體并與水平接地體焊接，最后將漿料充滿整個降阻劑填充區(qū)。

（2）水平接地體：僅對接地網(wǎng)周邊水平接地體施放降阻劑。首先開挖溝槽（0.12m*0.12m），抽干內(nèi)部積水。其次敷設(shè)水平接地體并按要求與相鄰接地體連接。最后向降阻劑填充區(qū)灌注降阻劑。

根據(jù)開挖水平溝槽及垂直鉆孔尺寸（垂直鉆孔數(shù)量同垂直接地體數(shù)量，該站為50處），可以算得使用降阻劑的劑量為17.11 m3。根據(jù)降阻劑密度（約1.3噸/ m3），折算為22噸降阻劑。

降阻劑的使用，除滿足電阻率低、不易流失、性能穩(wěn)定、易于吸收和保持水分、施工簡便、經(jīng)濟(jì)合理等基本條件外，還應(yīng)考慮其環(huán)保性能，禁止采用化學(xué)降阻劑，可采用由石墨、膨潤土、導(dǎo)電水泥等成分組成的物理降阻劑。降阻劑的生產(chǎn)流程、工藝等應(yīng)滿足國家檢測標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)過程無污染，產(chǎn)品不含鉛、砷等有毒元素，對使用環(huán)境無污染。

3.5 換土法和降阻劑合用

由于該車站單純使用降阻劑不能滿足降阻要求，故可考慮采用換土法和降阻劑合用的方法來降低接地電阻。經(jīng)計(jì)算，使用降阻劑22噸后，再采取換土法，需換土263 m3。

以該站為例，單獨(dú)采用換土法時，土建接地系統(tǒng)所增加工程費(fèi)用額與換土法和施放物理降阻劑合用所增加的工程費(fèi)用額相差不大。

4 結(jié)語

采用換土法或者施放降阻劑的方法都可降低地下車站接地網(wǎng)的接地電阻。對于單獨(dú)使用降阻劑即可滿足接地電阻值的地鐵車站，可采用施放物理降阻劑的方法降低接地電阻。經(jīng)理論計(jì)算，使用降阻劑不能滿足降阻要求的車站，應(yīng)附加換土措施。由于換土需大量的低電阻率土壤，實(shí)際工程時，應(yīng)核算開挖、運(yùn)輸土壤的工程造價，因地制宜地選擇降阻措施。

[1]戴瑜興，黃鐵兵，梁志超.民用建筑電氣設(shè)計(jì)手冊（第二版）.中國建筑工業(yè)出版社,2007

[2]中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院等.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊.中國電力出版社,2005

[3]民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范，JGJ 16-2008.中國建筑工業(yè)出版社,2008

[4]地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范，GB50157-2003.中國計(jì)劃出版社,2003

[5]陳家斌.接地技術(shù)與接地裝置.中國電力出版社,2002