劉慶國(guó)

摘要 本文介紹了高土壤電阻率地區(qū)降低電氣設(shè)備接地電阻的方法，提出了現(xiàn)有方法存在的問(wèn)題和要采取的措施，分析了土壤電阻率不變的情況下深埋垂直接地體降阻的原因，探討了提高接地電阻值的允許條件。

關(guān)鍵詞 接地電阻；土壤電阻率；外引；降阻率；置換

中圖分類號(hào)TM7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2011）43-0116-03

0引言

眾所周知，接地的目的是保證人身安全和電氣設(shè)備的安全。為使接地電流迅速引向大地，要求接地電阻盡可能達(dá)到較低的數(shù)值。為此《鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定了鐵路電氣設(shè)備接地裝置接地電阻的最大允許值, 這在土壤電阻率較低的地方是不難做到的，但在高土壤電阻率地區(qū)（ρ>500Ω·m）特別是以巖石為主的山區(qū)卻很難達(dá)到要求。

多年來(lái)，在鐵路電力工程中，有關(guān)高土壤電阻率地區(qū)電氣設(shè)備的接地問(wèn)題還沒(méi)有得到足夠的重視，設(shè)計(jì)時(shí)往往只對(duì)接地電阻提出要求，而無(wú)具體的施工方法，降阻方法，致使按常規(guī)方法施工，接地電阻達(dá)不到要求，造成返工和經(jīng)濟(jì)損失。或施工中采取了某種降阻方法，接地電阻達(dá)到了要求，而接地方法又存在一定的問(wèn)題。因此，對(duì)高土壤電阻率地區(qū)電氣設(shè)備如何接地、如何降阻、施工中應(yīng)注意些什么，很有必要提出來(lái)探討，以便對(duì)今后施工提供參考。

1高土壤電阻率地區(qū)的接地問(wèn)題

經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)土壤電阻率高于500Ω·m時(shí)，用常規(guī)方法，接地電阻是很難達(dá)到要求的，即使增加垂直接地體根數(shù)或加大水平接地網(wǎng)面積也很難滿足，從理論上講也是如此。

例如：當(dāng)土壤電阻率為500Ω·m時(shí)，某變壓器的接地，規(guī)定其接地電阻不能大于4Ω。

根據(jù)單根垂直接地體接地電阻簡(jiǎn)易計(jì)算公式R=0.3ρ可知，當(dāng)其依次使用1根、2根、

直至32根垂直接地體時(shí)，理論上其接地電阻仍達(dá)不到4Ω（見(jiàn)表1所示），而且實(shí)際施工時(shí)工程量大，很不經(jīng)濟(jì)，甚至有時(shí)不可能做到。

再如某變電所水平接地網(wǎng)，當(dāng)土壤電阻率為500Ω·m時(shí)，要使其接地電阻達(dá)到4Ω。根據(jù)水平網(wǎng)接地電阻簡(jiǎn)易計(jì)算公式R=0.5ρ/ 可知，其接地網(wǎng)面積S要達(dá)到4 969m2才能滿足要求，且不說(shuō)地形受限制，這種通過(guò)擴(kuò)大地網(wǎng)面積實(shí)現(xiàn)降阻的方法在工程中很不現(xiàn)實(shí)。因此，在高土壤電阻率地區(qū)，要降低接地電阻，必須采取有效的措施。

2高土壤電阻率地區(qū)的接地問(wèn)題處理

2.1施工前必須對(duì)土壤電阻率進(jìn)行判定

所謂土壤電阻率，就是1m3土壤電阻值，從表2人工接地體工頻接地電阻的簡(jiǎn)易計(jì)算公式可知，接地電阻的大小在接地方式一定的條件下，主要與土壤電阻率有關(guān)，土壤電阻率越低，接地電阻越小，土壤電阻率越高，接地電阻越大。

在鐵路工程中，由于電氣設(shè)備、電力線路的設(shè)置受鐵路線的制約，電氣設(shè)備及電力線路所處位置地質(zhì)條件千差萬(wàn)別，即使在同一車站土壤電阻率也各不相同（如宜萬(wàn)鐵路、京九鐵路麻九段，金溫鐵路等）。因此，施工前，要知道接地電阻能否達(dá)到要求，就必須對(duì)土壤電阻率進(jìn)行判定，以便選擇合適的降阻方法和避免不必要的返工。

接地體型式 簡(jiǎn)易計(jì)算公式 備注

垂直式 R=0.3ρ 長(zhǎng)度3m左右的接地體

單根水平式 R=0.3ρ 長(zhǎng)度60m左右的接地體

復(fù)合式（接地網(wǎng)） R=0.5ρ/ S-大于100m2的接地網(wǎng)面積

ρ-土壤電阻率

實(shí)測(cè)的方法是將一根長(zhǎng)1m，直徑為25mm的園鋼打入地下，先測(cè)得接地電阻R，然后根據(jù)以下公式計(jì)算土壤電阻率：

ρ=2πLR/Ln4L/d

式中 ：ρ-土壤電阻率（Ω·m）；

L-圓鋼的埋入長(zhǎng)度（m）；

d-圓鋼的直徑（m）；

R-測(cè)得的電阻值（Ω）。

由于季節(jié)的不同，所測(cè)量計(jì)算出的土壤電阻率，并不一定是一年中的最高值，所以施工中還應(yīng)按下式加以修正：

ρ1=Ψρ

式中 ：ρ1-施工所需土壤電阻率；

ρ-測(cè)量計(jì)算所得土壤電阻率；

Ψ為土壤電阻率季節(jié)系數(shù)，它與土壤性質(zhì)、干濕條件有關(guān)，具體數(shù)據(jù)可從設(shè)計(jì)手冊(cè)查得。

當(dāng)土壤電阻率被判定為高土壤電阻率時(shí)，就必須采取非常規(guī)的接地方式。

2.2采取外引接地法施工

即當(dāng)電氣設(shè)備附近有電阻率較低的土壤時(shí)，用較長(zhǎng)的接地線引至低電阻率土壤中再接地，或附近有河流、湖泊等水源，將接地線引至水中，敷設(shè)水下接地網(wǎng)。水下接地網(wǎng)須焊成閉合環(huán)并在水底加以固定，由于受季節(jié)影響小，接地電阻比較穩(wěn)定，因此，水下接地網(wǎng)是一種良好的降阻方法。外引接地法的優(yōu)點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、施工方便，且能有效達(dá)到降阻的效果。但采用這種方法必須注意以下問(wèn)題：

1）外引接地的距離（即引線的長(zhǎng)度）是有一定的要求的，它決定于大地土壤電阻率和電性參數(shù)。例如，當(dāng)電阻率相對(duì)不很高，接地線周圍的泄露電導(dǎo)相對(duì)較低，如接地線過(guò)長(zhǎng)，其末端電位已很低，此時(shí)與接地線末端相連的外引接地裝置就不能起到降低接地沖擊電阻的作用，因此施工時(shí)外引接地線的最大長(zhǎng)度Lmax應(yīng)為[1]：

Lmax（0.0265-0.053）ρr

式中：ρ- 土壤電阻率；

εr- 地的相對(duì)介電系數(shù)，一般地區(qū)可取εr=9。

2）接地帶外引，必然導(dǎo)致高電位外引，當(dāng)有接地電流通過(guò)接地線時(shí)，就會(huì)在接地線上產(chǎn)生較高電位，人若在這一地區(qū)行走，且跨步電壓大于允許跨步電壓，Vo=50+0.2ρb（ρb為人腳站立處地面的電阻率）時(shí)，就會(huì)使人發(fā)生觸電的危險(xiǎn)。即使跨步電壓一時(shí)滿足了要求，但在雷雨時(shí)，由于地表電阻率一時(shí)降低，最大允許跨步電壓降低，也可能發(fā)生人體觸電。因此，在人經(jīng)常行走的地方敷設(shè)外引接地線時(shí)，應(yīng)鋪設(shè)礫石、瀝青等高電阻率物質(zhì)。

3）由于水中含有多種腐蝕物質(zhì)及水的污染越來(lái)越嚴(yán)重，敷設(shè)在水中的接地體勢(shì)必造成嚴(yán)重腐蝕，減少使用壽命，因而敷設(shè)在水中的接地體，必須進(jìn)行熱鍍鋅或加大鋼材尺寸。

2.3使用降阻劑降阻施工

即對(duì)接地坑內(nèi)的土壤進(jìn)行化學(xué)處理，降低土壤電阻率，使接地電阻達(dá)到規(guī)定值，其施工方法如圖1所示。

近年來(lái)，隨著科技的發(fā)展，各種品牌的降阻劑應(yīng)運(yùn)而生，由于其具有吸水性、保水性、滲透性，使用后對(duì)降低阻值起到了一定的作用，但施工時(shí)必須考慮以下問(wèn)題：

1） 由于生產(chǎn)和技術(shù)條件的限制，降阻劑性能目前還不穩(wěn)定，有效率能達(dá)到多少，有效期究竟有多長(zhǎng)，還沒(méi)得到驗(yàn)證[1]，勢(shì)必造成接地電阻不穩(wěn)定而要進(jìn)行維修，且工作量大，如用在變（配）電所接地網(wǎng)中，更換工作量將更大，而且大多變（配）電所接地網(wǎng)所處地面是硬化的。

2）使用降阻劑后，接地電阻滿足了要求，但接地體的腐蝕又成為新的問(wèn)題，我們知道，降阻劑主要化學(xué)成分PH值不能完全保證中性，因而會(huì)對(duì)接地體造成腐蝕，加上地中雜散電流、微生物腐蝕，勢(shì)必造成接地裝置運(yùn)行壽命的縮短，表現(xiàn)為電氣設(shè)備運(yùn)行良好，尚在擔(dān)負(fù)著供電任務(wù)，而接地裝置卻明顯腐蝕、損壞，致使電氣設(shè)備的安全運(yùn)行受到威脅。

因而建議在選擇降阻方法時(shí)，由于使用降阻劑維修量大，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，不應(yīng)成為首選，如選擇使用，為了防腐，在施工中要加大接地體鋼材的尺寸或進(jìn)行熱鍍鋅。從表4可以看出，熱鍍鋅的鋼材比不鍍鋅鋼材腐蝕速度降低了幾十倍。

其一，當(dāng)附近沒(méi)有置換材料時(shí)，使用起來(lái)費(fèi)用高，工程量大；

其二，這種方法事實(shí)上只是局部改善了土壤電阻率及降低了接地體與土壤間的接觸電阻，當(dāng)氣溫升高、土壤干燥（象礫石地區(qū)，保濕性差），接地電阻值將升高，或冰凍時(shí)（永凍地區(qū)）接地電阻值將升高，因而其接地電阻不穩(wěn)定。使用時(shí)必須考慮天氣季節(jié)的影響，而加以選擇。

2.5采取深埋垂直接地體施工

即在地下較低處，土壤電阻率較低時(shí)，深埋接地體，如圖3所示。或有條件時(shí)用鉆機(jī)鉆孔，把鋼管打入孔中，再將鋼管周圍灌滿電阻率較低的泥漿等，如圖4所示。

其優(yōu)點(diǎn)是：

1）接地電阻值穩(wěn)定。由于地層深處溫度一年四季變化不大，不會(huì)因季節(jié)變化、水分蒸發(fā)、土壤干裂、冰凍而影響接地電阻；

2）安全可靠。把高電位引入到了地下，無(wú)須考慮跨步電壓對(duì)人身的危害；

3）不受敷設(shè)范圍影響。

但施工前必須考慮以下問(wèn)題：

1）必須掌握有關(guān)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)資料和地下土壤電阻率分布，以保證深埋接地體能在所處位置上收到較好的效果。

2）當(dāng)深埋接地體2根或者超過(guò)2根時(shí)，要考慮接地體間的屏蔽效應(yīng)。這是因?yàn)楫?dāng)接地電流通過(guò)接地體向大地深處傳導(dǎo)時(shí)，還會(huì)受到其它接地體的散流影響。由于兩極互相影響，兩個(gè)接地體的電阻，并不等于它們本身電阻的并聯(lián)值，而是它們電阻并聯(lián)值的K倍（K為屏蔽系數(shù)，一般K=1~2），因此，施工時(shí)兩根接地體要相距適當(dāng)距離，最少不應(yīng)小于5m，以減少屏蔽的影響。

對(duì)于深埋降阻法，往往認(rèn)為是地下土壤電阻率較低的緣故，事實(shí)上并非如此，近年來(lái)的施工實(shí)踐表明[3]，在上下土壤電阻率一樣時(shí)（如巖石），深埋接地體也能達(dá)到降阻的目的，這是因?yàn)殡S著地層的深入，濕度越來(lái)越大，并且?guī)r石的斷層不斷滲水，當(dāng)接地體深入到地下水位，就相當(dāng)于敷設(shè)在水中的接地體，由于水的電阻率為20Ω·m~100Ω·m，接地電阻值將大大下降。再者，由于接地體周圍灌滿了泥漿，降低了接地體與土壤的接觸電阻，也使得接地電阻值降低。

2.6提高接地電阻允許值時(shí)的施工

從以上分析可知，在高土壤電阻率地區(qū)，無(wú)論采用何種降阻措施，都存在著一定的局限和問(wèn)題，有時(shí)甚至不可能，不但技術(shù)上有困難，而且經(jīng)濟(jì)上不合理。從根本意義上講，限制接地電阻到一定數(shù)值，目的是保證人身和設(shè)備安全，可是，為了人身和設(shè)備的安全，卻不是僅僅依靠限制接地電阻值就能達(dá)到，還必須同時(shí)考慮跨步電壓和接觸電壓。

為此，《鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》根據(jù)電力部門(mén)的經(jīng)驗(yàn)，在高土壤電阻率地區(qū)，允許電力設(shè)備的接地電阻提高到30Ω，發(fā)、變、配電所的接地電阻提高到15Ω。但發(fā)、變、配電所和電力設(shè)備單相接地后，接地裝置的接觸電壓和跨步電壓不應(yīng)大于下列數(shù)值：

VC=50+0.05ρb

VO=50+0.2ρb

式中：VC-接觸電壓；

VO-跨步電壓；

ρb-人體站立處地面的土壤電阻率（Ω·m）。

由以上可知，要使接地電阻值提高后，保證人身安全，必須提高人站立處地面的土壤電阻率，為此，在敷設(shè)接地裝置時(shí)，應(yīng)在地面鋪設(shè)高電阻率的物質(zhì)，以提高接觸電壓和跨步電壓允許值。

3結(jié)論

雖然本文介紹的方法，均存在著一定的局限和問(wèn)題，但作為目前的降阻措施，仍十分有效，施工時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)：

1）施工前對(duì)土壤電阻率必須進(jìn)行判定，以便選擇正確的接地方法和避免不必要的返工；

2）對(duì)接地方法要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行選擇；

3）外引接地時(shí)，外引接地線必須滿足要求，不宜過(guò)長(zhǎng)；

4）外引接地時(shí)必須考慮跨步電壓的影響。并在人可能行走觸電的地方鋪以礫石、瀝青等高阻率物質(zhì)；

5）使用降阻劑和敷設(shè)水下接地裝置時(shí)要考慮防腐；

6）在土壤電阻率變化不大時(shí)，深埋接地體可降阻；

7）提高接地電阻允許值時(shí)，要提高接觸電壓和跨步電壓允許值。

參考文獻(xiàn)

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[2]曹梅月.變電所地網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展綜述[J].中國(guó)電力，1997，7.

[3]王周安，曹永林.立體地網(wǎng)的建立及應(yīng)用[J].中國(guó)電力，1996，1.

注：“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請(qǐng)以PDF格式閱讀”