高山臺站接地降阻技術的研究及應用

楊薇

（廣西南寧聯(lián)盾電氣有限公司，廣西 南寧 530000）

1 高山臺站工程特點

高山臺站一般都建設在地勢較高的山坡或山頂上，遠離干擾區(qū)域，提高信號覆蓋率，是設備工作性質和服務社會的需要，也是一項重要的民生工程。隨著科技不斷進步，高山臺站電子設備精密度和自動化程度越來越高，電子信息系統(tǒng)更新?lián)Q代很快，設備安全運行要求隨之提高，特別是廣播電視轉播臺、通信基站已經實現(xiàn)部分臺站無人值守。

高山臺站建設地勢較高是雷電極易選擇區(qū)，雷電對電子信息設備危害很大，其中設備各種接地處理以及接地電阻是否符合設備要求，很大程度也影響著設備的安全運行。建設場地狹小，地質結構土壤電阻率較高，是高山臺站地理環(huán)境特性，因此，敷設接地裝置的接地電阻受占地面積和地質土壤結構很大的制約，解決接地降阻一直是老大難題。

2 接地降阻目的和意義

接地技術主要指將一些具有威脅性的強而過大電流，通過接地裝置瞬間引向大地，并將大地當作導體中的一部分，接地裝置與大地整體兼容同時并具有獨特性，電阻整體相對較低，對應的電容相對較大，可以充分確保過大過強的電流泄放過程，不會遭受各方面阻抗因素的影響而降低泄放效能，造成設備損壞等雷電安全問題。接地系統(tǒng)電阻是該接地裝置將電流引入大地的阻抗值，這個阻值越小，對設備和人身來說就越安全，反之，這個阻值變大，就會致使應該導入大地的過電流散泄不良，造成設備和人員的傷害。

3 高山臺站機房設備接地要求

高山臺站設備機房內大都屬于電子信息系統(tǒng)設備，機房設備接地及建筑物防雷接地應實現(xiàn)等電位連接和共用接地系統(tǒng)設計。如果防雷接地，和交流工作接地、安全保護接地，以及直流工作接地，在工作的過程中，共同使用同一組接地裝置，則要將接地裝置的電阻值，設置為設備中規(guī)定的最小值。接地裝置應首選該建筑物的自然接地體，當自然接地體的接地電阻達不到要求時，應增加室外人工接地體。高山臺站機房弱電設備較多，信號線路工作電壓一般較低，信號設備相關工作接地、安全保護接地的電阻要求也相應較低。國家現(xiàn)行的防雷規(guī)范各種安全接地電阻要求如下。

（1）交流工作地。這里指通信系統(tǒng)使用的交流工作地。交流工作地實質上是中性點接地，要求接地電阻≤4Ω。

（2）直流工作地。通信系統(tǒng)的邏輯參考地，同時又是系統(tǒng)中數(shù)字電路的等電位地，其接地電阻按系統(tǒng)具體要求確定。

（3）安全保護地。電子設備在某種故障狀態(tài)下，其金屬外殼可能會帶電或者短時帶電，為防止這種電壓危及人身和設備安全而設的接地，要求接地電阻≤4Ω。

（4）防雷接地。包括建筑物防雷裝置接地和電氣電涌保護器的接地，其接地電阻≤4Ω。

（5）屏蔽體接地。電子設備運作過程中，為了避免外來電磁場和對應的電器回路之間，發(fā)生直接電磁耦合現(xiàn)象，主要選用屏蔽接地，有效降低了存在于回路中串流造成的影響。如機房各方面進行屏蔽網(wǎng)接地，將電子設備屏蔽殼體以及電子設備內、外的屏蔽線接地均為屏蔽接地。屏蔽接地電阻也應≤4Ω。

（6）防靜電接地。關鍵是為了避免靜電，對電子設備運行造成干擾，而設置的一種接地系統(tǒng)。經典接地電阻通常情況下，不超過100Ω。

（7）功率接地。就是將交直流造成的干擾泄入大地的接地，電源回路相對電子回路來說是強功率，所以稱為功率接地。當然，電子設備中安裝的交直流濾波器，就是消除強功率電路造成的干擾，濾波器的接地也屬于功率接地，其接地電阻的大小依信息系統(tǒng)的要求來確定。

高山臺站電子信息系統(tǒng)的各類接地應采取共用接地網(wǎng)，等電位聯(lián)結的方式，盡可能實現(xiàn)機房設備間等電位接地連接，降低電位差，保障設備及人身的安全。但土壤電阻率較高的臺站，考慮到經濟成本與其重要性，可適當放寬接地電阻值的要求，多數(shù)情況滿足4歐以下即可。

4 實施高山臺接地裝置的分析

假設在某高山臺站上均勻土壤，接地規(guī)格型材以及埋設深度都符合有關技術規(guī)范要求，敷設一組復合式人工接地網(wǎng)，工頻接地電阻滿足4Ω，通過簡易計算，采用公式：

式中，S 為大于100m2的閉合接地網(wǎng)的面積；r 為與接地網(wǎng)面積S 等值的圓的半徑，即等效半徑（m）；ρ 為取值對照GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規(guī)范》附錄J 土壤和水的電阻率參考值，土質類別“上層紅色風化黏土、下層紅色頁巖”電阻率近似值ρ=500Ω.m（30%濕度），巖石類別“多巖山地”電阻率近似值ρ=5000Ω.m，作為計算參考值。

當土壤電阻率ρ=500Ω.m，滿足接地電阻4Ω，等效接地面積S ≈3906m2，其等效半徑r 約35m，直徑70m；根據(jù)既定土壤電阻率ρ=500Ω.m，接地體的有效長度為有效長度遠小于能實現(xiàn)接地電阻4Ω 的直徑長度。若以Le 作為復合式人工地網(wǎng)最長端線，即等效半徑r=D/2=Le/2=22.5m；將已知數(shù)值代入公式計算，敷設等效圓形閉合人工接地網(wǎng),工頻接地電阻值為6.2Ω；同樣計算方法，當土壤電阻率ρ=5000Ω.m，接地體有效長度為敷設等效圓形閉合人工接地網(wǎng),工頻接地電阻值約為20Ω。綜上所述計算數(shù)據(jù)，高山臺站在有限占地范圍內，參考比較理想地質結構條件（ρ=500Ω.m），采用常規(guī)接地體敷設復合式人工地網(wǎng)，工頻接地電阻基本不能滿足R ≤4Ω。以上計算僅為模擬計算值，設計和施工項目應以實地測試結果數(shù)值為依據(jù)。實踐證明，高山臺站地理條件比較復雜，地質層多樣化且土壤電阻率分布極不均勻，建臺征地范圍都相對狹小，特別是通信基站征地半徑絕大部分不超過20m，這樣特殊條件下敷設接地體實現(xiàn)低電阻值難度可想而知。當然，影響接地體接地電阻值還包含很多因素，但起主導作用還是接地體占地面積S 和所處土壤電阻率ρ。

5 高山臺站接地降阻的應用

如何降低接地電阻值，應評估實際土壤狀況因地制宜，結合科學技術和實用經驗實現(xiàn)接地目標。參考GB50169-2016《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范》4.4.1 條款，在高土壤電阻率地區(qū)，可采用下列措施降低接地電阻。

（1）在接地網(wǎng)周圍，若是存在相對較低的電阻率土壤，通常增加敷設外引接地網(wǎng)，或者是通過向外延伸，來實現(xiàn)接地體。

（2）如果地下較深處，土壤的電阻率相對較低，或者是地下的整體水資源相對豐富，并且水位相對較高，這個時候，可以通過深/斜井接地極，或者是深水井接地極。

（3）敷設水下接地網(wǎng)。特別是水利發(fā)電廠接地體統(tǒng)建設及運用，一般可以在多個區(qū)域敷設人工接地網(wǎng)，例如，水庫、下游河道，或者是附近水源中的最低水位以下區(qū)等。

（4）填充電阻率較低的物質。要對各種降阻材料及方法都進行深入研究，通常對于環(huán)境具有特定的要求，對于不同地域、不同的環(huán)境條件下，要采用適宜的降阻填充材料，才能提高降阻效率。除此以外，所有方法本質上并非孤立的，如果能做到彼此配合，將會進一步加強降阻效果。

針對高山臺站地質及環(huán)境特點，結合GB50169-2016《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規(guī)范》有關接地降阻措施理論指導，闡述如何因地制宜敷設地網(wǎng)有效降低電阻的實施。

高山地質土壤多樣化，不同地域山體泥土化發(fā)育程度有很大差別，有的是地表植被很少并裸露堅硬巖石山，有的是地表植被較多土層較厚深層巖石占比較高的土石山。高山臺站無論建設在哪類山體，地坪面積都較小，坡度大，水土流失嚴重，相對開闊平坦地區(qū)土壤電阻率較高。

采用具有電阻率較低土壤的山腳下敷設外引接地網(wǎng)或延伸接地體，結合填充電阻率較低物質的辦法，由于山體坡陡泥土層較淺，當遇到大雨，水土流失快，很容易造成坡度較大處引外接地體裸露于地面上，不僅施工難度大成本高，而且接地降阻效果并不理想。

采用埋設電解離子接地極及類似產品，利用金屬管內導電電解質溶液滲漏到地下泥土層或巖石縫，獲取增大接地導體與土壤接觸面積，從而降低接地電阻。但電解離子接地極金屬管內電解質容量畢竟有限，可導電溶液滲透范圍也是有限的，加上一定時間后大地各種電化學反應其效用能保持多久，須進一步考究和斟酌；何況目前市場上此類產品質量參差不齊，價格相對昂貴，用量過少，接地降阻效果不明顯，用量達到設計要求投資成本也很高。

采用深井式或深鉆式深埋接地極結合灌注低電阻率物質降阻措施，通常情況下，效果也是顯著的。深孔（井）降阻的意義是將接地系統(tǒng)從平面空間延伸到三維空間，使有效的泄放區(qū)域增加至多通道多深度多維度的立體空間，雷電的泄放能力明顯增加。另外，在采用深孔（井）技術的過程中，要對以下幾個方面予以充分重視：①要對地質情況以及地下土壤電阻率的分布情況充分掌握，盡可能地確保深孔（井）降阻發(fā)揮最大效能。②通過相關實驗能夠證明，如果敷設人工接地網(wǎng)的地坪受限，深井接地極的數(shù)量和深度的設計是有嚴謹要求的。如果兩深孔（井）的間距小于其長度，可能會形成屏蔽作用，因此，深井數(shù)量和深度與降阻效率不成正比，確切地說，面積受限的情況下，只采用深孔（井）一種降阻措施未必是最佳的選擇，且投入成本較高。③對于相對完整的堅硬巖石區(qū)域，可考慮深孔爆破，灌注電阻率較低物質，能在一定程度上改善接地電阻。深孔爆破施工技術和安全性要求較高，且實施前須經相關單位審批，對高山臺站接地應用無必要時，不建議采用此辦法。

以上幾種關于降阻措施均有一定的效果，但也存在極限性。結合高山臺地質環(huán)境，利用設備機房樓四周有限地坪，一種可長期改善土壤電阻率，并具備持久性、高效性、低成本特性的措施應是高山臺站人工接地網(wǎng)最理想的降阻措施。眾所周知，土壤的含水率和易導電物質成分越高，其土壤電阻率就會越低，從而接地降阻的目的更易實現(xiàn)。高山臺站水土流失嚴重，土壤相對干燥是不爭的事實，那么設計一種集水式接地深孔（井），深孔（井）內垂直埋設金屬管（如銅管、不銹鋼管、銅包鋼管、熱鍍鋅鋼管等）作為垂直接地極，并在金屬管內灌注無毒無污染且具備長期保水物質，利用其不易解體的半固體性和良好吸放水可逆性，源源不斷地向周圍土壤滲透放水，可維持深孔接地極四周大片土壤長期處于濕潤狀態(tài)。為了增強土壤傳導性，在灌注保水物質的同時拌合物理化學性能穩(wěn)定、無毒無污染、無腐蝕性的電離子物質，通過水為載體將電離子物質逐步滲透到土壤深處，實現(xiàn)改良土壤電阻率和擴大有效的泄放面積。集水式深孔（井）接地極上部是一個蓄水缸稍低于水平地面敷設，缸底部設計一個滲水器，使集到的水分緩慢滲漏至深孔（井）中。如集水問題可利用自然雨水和設備機房長期開啟空調機自然生成的空調水均可。旱季時，也可人為澆灌生活用水至蓄水缸中，使其保持一定的土壤濕度，只要在施工工藝上加以處理便可實現(xiàn)。蓄水缸應采用不銹鋼預制構件制作而成，并配備非金屬漏水蓋。必要時，可通過集水井金屬管口重新加注保水材料和電解質，確保其蓄水性能，形成可重復蓄水式降阻設施，以達到接地最佳降阻效果。應當注意的是，接地極深孔（井）挖鉆深度應根據(jù)高山地質條件，宜選擇挖鉆到土壤較低電阻率層即可。

目前，降阻材料在我國接地較為廣泛，但效果不盡如人意，接地降阻措施也呈多樣性，不同的實施項目應根據(jù)當?shù)貧夂颉⒌刭|環(huán)境、投資需要選用最佳方式?？芍貜褪褂眯钏浇底璐胧┢鋬?yōu)點突出，填充降阻材料不因降水而被沖刷，理論使用年限10 年以上，在高山臺站實際應用中取得了很好的降阻效果。

6 結語

本文結合我國高山臺站接地技術的建設要求，具體分析了高山臺站接地網(wǎng)敷設形式和降阻難點，參考有關接地技術規(guī)范和文獻，總結適宜高山臺站環(huán)境氣候接地降阻的措施?，F(xiàn)階段，高山臺站建設蓬勃發(fā)展，項目安全接地、工作接地和防雷接地等技術要求越來越高，在工程建設中占據(jù)著重要的位置。因此，應該不斷對接地技術的應用以及操作情況進行研究和分析，按照新時期高山臺站的建設要求，選擇合適的接地降阻措施，提高應對自然災害能力，保護周圍環(huán)境，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、經濟有效的設計和施工，從而促進高山臺站工程安全、健康可持續(xù)發(fā)展。