劉寅穎， 童躍光

(航天建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100071)

0 引言

目前，在大部分設(shè)計(jì)項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)師經(jīng)常在圖紙中注明“共用接地裝置的接地電阻不大于1歐姆，實(shí)測(cè)不滿(mǎn)足要求時(shí)，須增設(shè)人工接地極”。但高土壤電阻率地區(qū)的建筑物要實(shí)現(xiàn)低阻值要求，僅僅依靠建筑物的自然接地體很難達(dá)到，這就需要設(shè)計(jì)師根據(jù)項(xiàng)目具體情況，采用一種或者多種降阻措施來(lái)降低接地電阻，但投資成本也會(huì)隨之增多。如何選擇合適的降阻措施、接地電阻的測(cè)量是否準(zhǔn)確、接地電阻阻值的選取是否合適等問(wèn)題都值得設(shè)計(jì)師去思考。

本文即通過(guò)接地電阻的理論計(jì)算并結(jié)合實(shí)際工程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析降低高土壤電阻率建筑群接地電阻的各種有效措施，分析對(duì)接地電阻的影響因素，討論接地電阻測(cè)量方法的準(zhǔn)確性以及接地電阻的取值對(duì)接地系統(tǒng)方案的影響。

1 接地電阻的概念

根據(jù)GB/T 50065-2011 《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定， 接地電阻是在給定頻率下，系統(tǒng)、裝置或設(shè)備的給定點(diǎn)與參考地之間的阻抗的實(shí)部。

常提到的接地電阻主要為工頻接地電阻和沖擊接地電阻。其中，GB/T 50065-2011 《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，工頻接地電阻是根據(jù)通過(guò)接地極流入地中工頻交流電流求得的電阻；沖擊接地電阻是根據(jù)通過(guò)接地極流入地中沖擊電流求得的接地電阻(接地極上對(duì)地電壓的峰值與電流的峰值之比)。GB/T 21431-2015《建筑物防雷裝置檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，工頻電流流過(guò)接地裝置時(shí)，接地極與遠(yuǎn)方大地之間的電阻，其數(shù)值等于接地裝置相對(duì)遠(yuǎn)方大地的電壓與通過(guò)接地極流入地中電流的比值。

防直接雷需要對(duì)沖擊接地電阻的阻值有限定。設(shè)計(jì)師一般都會(huì)要求建筑物的防雷接地、系統(tǒng)的工作接地、保護(hù)接地、信號(hào)地、防靜電接地等共用接地裝置。GB 50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中提到，“共用接地裝置的接地電阻應(yīng)按50Hz電氣裝置的接地電阻確定，不應(yīng)大于按人身安全所確定的接地電阻值”。

2 項(xiàng)目接地系統(tǒng)的實(shí)施情況

2.1 項(xiàng)目概況

項(xiàng)目位于河北省某縣工業(yè)園區(qū)內(nèi)。園區(qū)內(nèi)分多期工程建設(shè)，目前一期工程已建成，本項(xiàng)目為該園區(qū)的二期工程，共有四棟建筑(1#、2#、3#、4#廠(chǎng)房)，項(xiàng)目基本情況參見(jiàn)表1。

各單體工程概況 表1

根據(jù)項(xiàng)目地勘報(bào)告內(nèi)容，本項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)為山地，地質(zhì)結(jié)構(gòu)以巖石(白云巖)為主。其中3#廠(chǎng)房附近土質(zhì)較其他幾個(gè)廠(chǎng)房稍好，1#、2#、4#廠(chǎng)房都是爆破開(kāi)山做的地基。地塊整體地質(zhì)土壤電阻率為 3 300Ω·m。建筑物附近回填后，局部表層土壤電阻率為1 500～2 800Ω·m，經(jīng)計(jì)算綜合土壤電阻率為 2 960Ω·m，屬較高電阻率區(qū)。該地區(qū)平均雷暴日為30.7d/a，屬中雷區(qū)。

2.2 項(xiàng)目接地系統(tǒng)方案

本項(xiàng)目根據(jù)工藝要求，確定接地電阻值≤1Ω。各廠(chǎng)房之間存在信號(hào)電纜和電力電纜的互連。

項(xiàng)目施工圖階段，初步確定接地方案為4棟建筑物利用各自基礎(chǔ)作為自然接地體，在各建筑物周?chē)O(shè)置一圈人工接地極(水平接地體采用50×5的熱鍍鋅扁鋼，垂直接地極采用長(zhǎng)度為2.5m的50×50×5熱鍍鋅角鋼)，并采用50×5的熱鍍鋅扁鋼將4棟單體建筑物的接地裝置相互連接起來(lái)，形成一個(gè)網(wǎng)狀接地裝置，接地網(wǎng)格為20m×20m。待上述接地裝置具體實(shí)施過(guò)程中，監(jiān)測(cè)接地電阻值，調(diào)整接地方案，根據(jù)具體情況補(bǔ)充其他降阻方式(如井式接地極和降阻劑法等)。

項(xiàng)目實(shí)施初期，設(shè)計(jì)方希望最終將一、二期接地網(wǎng)相連，最大可能地利用能用的接地裝置，但業(yè)主擔(dān)心一、二期相連后會(huì)有干擾，故初步設(shè)定先測(cè)量二期接地電阻，待阻值測(cè)量后再確定是否連接。

2.3 接地電阻測(cè)量

項(xiàng)目實(shí)施階段，先后進(jìn)行了4次接地電阻測(cè)量，并根據(jù)每次測(cè)量結(jié)果調(diào)整接地系統(tǒng)方案。

2.3.1 第一次接地電阻測(cè)量

2018年9月，項(xiàng)目處于施工階段，此時(shí)各建筑物基礎(chǔ)部分已經(jīng)實(shí)施完畢，接地施工尚未完成，4個(gè)建筑物的接地裝置還沒(méi)有進(jìn)行互連。經(jīng)過(guò)某防雷公司對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行了第一次接地電阻值測(cè)量，結(jié)果顯示，1#廠(chǎng)房基礎(chǔ)接地電阻值為5.66Ω；2#廠(chǎng)房基礎(chǔ)接地電阻值為6.11Ω；3#廠(chǎng)房基礎(chǔ)接地電阻值為5.94Ω；4#廠(chǎng)房基礎(chǔ)接地電阻值為14.21Ω。

根據(jù)接地電阻測(cè)量結(jié)果，筆者所在的設(shè)計(jì)方進(jìn)行了接地電阻計(jì)算。由于建筑物屬相對(duì)獨(dú)立地網(wǎng)，采用公式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

經(jīng)計(jì)算得，R建筑=2.99Ω。

由結(jié)果可知，即使將4個(gè)建筑物的接地裝置連接在一起，也無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求的阻值。根據(jù)公式(1)可推導(dǎo)出需要并聯(lián)人工接地網(wǎng)的接地阻值在1.3Ω以下。

根據(jù)復(fù)合式(接地網(wǎng))計(jì)算公式(2)，R取1.2Ω，ρ取2 960Ω·m，計(jì)算出接地網(wǎng)面積S>1 521 111m2。

(2)

式中，R為工頻接地電阻，Ω；ρ為土壤電阻率，Ω·m；S為接地網(wǎng)的面積，m2。

根據(jù)計(jì)算可知，如果要滿(mǎn)足接地電阻≤1Ω的接地要求，則接地網(wǎng)鋪設(shè)面積不可小于1 521 111m2。建筑物周?chē)F(xiàn)有可施工面積有限，遠(yuǎn)達(dá)不到上述面積要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，準(zhǔn)備采取立體地網(wǎng)的方式降低接地電阻，即采用鉆井的方式植入離子接地極與在接地溝槽內(nèi)安裝非金屬接地模塊相結(jié)合的接地方式來(lái)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，接地井內(nèi)敷設(shè)2根離子接地極，并在井內(nèi)敷設(shè)降阻劑。

接地井的接地電阻和接地模塊的接地電阻計(jì)算分別見(jiàn)公式(3)和公式(4)。

(3)

式中，ρ為土壤電阻率，Ω·m，取2 960；d為離子接地極直徑，m，取0.055；L為離子接地極長(zhǎng)度，m，取6；Rv為多口6m接地井離子接地極接地電阻值，Ω；η1為多口6m 接地井離子接地極利用系數(shù)，取0.75；n為接地井?dāng)?shù)量。

(4)

式中，ρ為埋置地層的電阻率，Ω·m，取2 960；h 為接地模塊的埋置深度，m，1；a，b分別為Ⅰ型模塊的長(zhǎng)、寬，m，分別取 0.5，0.4；M0為模塊調(diào)整系數(shù)，0.33；Rm為多模塊接地電阻值，Ω；n為接地模塊個(gè)數(shù)；η1為模塊利用系數(shù)，取0.4。

接地扁鋼接地電阻計(jì)算見(jiàn)公式(5)。根據(jù)地網(wǎng)平面布置圖及已知條件計(jì)算得知，50×5熱鍍鋅扁鋼共計(jì)為4 200m，其接地電阻值為1.96Ω。

(5)

式中，ρ 為埋置地層的電阻率Ω·m，取2 960；h 為扁鋼的埋置深度，m，1；d 為扁鋼的等效直徑，m,取0.05/2=0.025；Rs為扁鋼接地電阻值，Ω；L 為扁鋼的總長(zhǎng)度，m，取4200；A為地網(wǎng)的形狀系數(shù)，取1.69。

根據(jù)計(jì)算，需要220塊接地模塊和118口井，每口接地井內(nèi)敷設(shè)2根離子接地極。

由于各單體建筑物自身的接地裝置還未完成，尚未土方回填(土方回填會(huì)在一定程度上降低接地電阻值)，因此上述計(jì)算僅為一個(gè)參考預(yù)算，設(shè)計(jì)方要求待建筑物接地裝置建設(shè)完成后再進(jìn)一步進(jìn)行測(cè)量，待取得測(cè)量結(jié)果后再對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校正。

由于項(xiàng)目所在場(chǎng)地的地下有電纜溝和很多金屬管道穿過(guò)，這些管道主要靠近3#廠(chǎng)房。在施工過(guò)程中，設(shè)計(jì)師要求施工單位將接地網(wǎng)和這些地下管道(不包括燃?xì)?、燃油管?進(jìn)行連接。

2.3.2 第二次接地電阻測(cè)量

2018年12月，3#、4#廠(chǎng)房接地工程已完工，其中3#廠(chǎng)房的接地裝置和附近地下管道連接已完成。隨后，施工單位對(duì)3#、4#廠(chǎng)房進(jìn)行了第二次接地電阻測(cè)量，測(cè)量結(jié)果顯示，3#廠(chǎng)房基礎(chǔ)接地電阻值為0.3Ω；4#廠(chǎng)房基礎(chǔ)接地電阻值為12Ω。對(duì)比第一、二次的接地電阻，可以看出，3#廠(chǎng)房的接地電阻從5.94Ω降到了0.3Ω，4#廠(chǎng)房的接地電阻從14.21Ω降到了12Ω。

根據(jù)此次測(cè)量結(jié)果，二期工程的4個(gè)建筑物接地裝置連起來(lái)后，總的接地電阻將小于0.3Ω，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。但是由于業(yè)主和設(shè)計(jì)方對(duì)此結(jié)果都表示存疑，故決定待4個(gè)建筑物的接地裝置均施工完畢并連成接地網(wǎng)格后再進(jìn)行測(cè)量。

2.3.3 第三次接地電阻測(cè)量

2019年4月，4棟建筑物各自的接地裝置已施工完畢，建筑物之間用接地扁鋼進(jìn)行了簡(jiǎn)單的連接。某防雷檢測(cè)中心進(jìn)行第三次接地電阻測(cè)量，測(cè)量結(jié)果顯示，接地電阻值為2.7Ω。第一次測(cè)量后，4棟建筑物接地裝置連接后的理論計(jì)算值為2.99Ω。兩者比較接近。

通過(guò)設(shè)計(jì)方和業(yè)主方的充分溝通，建議將一、二期的接地網(wǎng)格進(jìn)行連接后再測(cè)量一次。一期用地在二期用地的南側(cè)，兩者相距大約100m。一期用地的接地電阻經(jīng)測(cè)量小于1Ω。

2.3.4 第四次接地電阻測(cè)量

2019年6月，一、二期接地網(wǎng)完成了連接工作。在隨后進(jìn)行的第四次接地電阻測(cè)量中，測(cè)量結(jié)果為接地電阻值0.95Ω，達(dá)到了設(shè)計(jì)之初要求的接地電阻值。

2.4 接地電阻最終效果

從第四次測(cè)量所得的接地電阻，可以看出目前已經(jīng)達(dá)到了業(yè)主的阻值要求。項(xiàng)目于2019年9月已投入使用。經(jīng)過(guò)一個(gè)多月的實(shí)踐，業(yè)主無(wú)不良反饋，一、二期接地網(wǎng)相連后無(wú)干擾現(xiàn)象反饋。

最初接地方案(將二期建筑物連成接地網(wǎng))的造價(jià)預(yù)計(jì)上百萬(wàn)，最終實(shí)施方案(將一、二期接地網(wǎng)相連)的造價(jià)不到十萬(wàn)元，節(jié)省了大量投資成本。因此，不可否認(rèn)，接地方案的合理選擇會(huì)為業(yè)主方減少大量的投資。

3 項(xiàng)目接地系統(tǒng)需要思考的問(wèn)題

3.1 降低高土壤電阻率地區(qū)接地電阻措施的選擇

目前，常用的降低高土壤電阻率地區(qū)接地電阻的措施有外引接地、井式或深鉆式接地極、換土法、降阻劑法、敷設(shè)水下接地網(wǎng)等。

換土法的使用受地質(zhì)成分影響比較大。原理是在接地體周?chē)?～4m范圍內(nèi)，換上比原來(lái)土壤電阻率小得多的土壤來(lái)降低接地電阻。但由于土壤電阻率受外界壓力和溫度的影響變化較大，這種方法在地下水位高、水分滲入多的地區(qū)使用效果較好，但在石質(zhì)地層則難以取得滿(mǎn)意效果。本項(xiàng)目建在巖石層上，所以該方法不適合。

井式或深鉆式接地極是依靠鉆機(jī)鉆孔，將接地極深入到地下較深處，接觸到深處低電阻率的土壤達(dá)到降低接地電阻的方法。這種方法的應(yīng)用要根據(jù)地勘報(bào)告，查看項(xiàng)目所在地地質(zhì)情況，確定低電阻率土壤深度和分布情況，確定鉆井位置和深度。這種方法在外引接地方式不適合或不能滿(mǎn)足接地電阻需求時(shí)采用。井的位置和深度直接影響到接地系統(tǒng)的造價(jià)。

降阻劑有多種類(lèi)型，針對(duì)不同地區(qū)、不同條件采用不同的降阻方法。一般降阻劑會(huì)結(jié)合上述幾種方法共同使用。

3.2 接地電阻的測(cè)量方法

接地電阻測(cè)量的準(zhǔn)確性非常關(guān)鍵，直接影響了實(shí)施階段接地方案的制定。很多具體方案都是在施工過(guò)程中通過(guò)不斷測(cè)量接地電阻進(jìn)行調(diào)整的。本項(xiàng)目中第二次測(cè)量結(jié)果就明顯有誤。第二次測(cè)量結(jié)果顯示，3#廠(chǎng)房的接地電阻達(dá)到了0.3Ω。如果真達(dá)到了這個(gè)阻值，那么建筑物接地裝置連接完成后應(yīng)該低于這個(gè)阻值。

測(cè)量接地電阻的方法有很多種，目前最常用的測(cè)量方法為三極法，如圖1所示。IEC60364-6和GB/T 21431-2015《建筑物防雷裝置檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》以及GB/T 17949.1-2000《接地電阻測(cè)量導(dǎo)則》中都提到了這種測(cè)量方法。本項(xiàng)目中的四次測(cè)量均采用的是這種方法。

注：G—被測(cè)接地裝置；P—測(cè)量用的電壓極；C—測(cè)量用的電流極；E—測(cè)量用的工頻電源；A—交流電流表；V—交流電壓表；D—被測(cè)接地裝置的最大對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度。圖1 三極法的接線(xiàn)原理圖

其中，GB/T 21431-2015《建筑物防雷裝置檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》中給出了較為詳細(xì)的測(cè)量方法。本文不再詳述。

需要注意的是，文中提到的電流極C和電壓極P的設(shè)置位置。要求測(cè)量用的電流極C和電壓極P離被測(cè)接地裝置G邊緣的距離為dgc=(4～5)D和dgp=(0.5～0.6)dgc，點(diǎn)P可以認(rèn)為是處在實(shí)際的零電位區(qū)內(nèi)。測(cè)量工頻接地電阻時(shí)，如dgc取(4～5)D值有困難，當(dāng)接地裝置周?chē)耐寥离娮杪瘦^均勻時(shí)，dgc可以取2D值，而dgp取D值；當(dāng)接地裝置周?chē)耐寥离娮杪什痪鶆驎r(shí)，dgc可以取3D值，dgp取 1.7D 值。

造成接地電阻測(cè)量不準(zhǔn)確的原因主要有：(1)埋地的金屬管道對(duì)測(cè)量結(jié)果有很大影響，靠近金屬體測(cè)得的電阻值會(huì)下降很多；(2)無(wú)法確定電壓極和電流極的合適位置，距離過(guò)近；(3)輔助接地極電阻過(guò)大。解決的方法是在地樁處潑水或使用降阻劑降低電流極的接觸電阻。

第二次測(cè)量時(shí)，施工單位P和C的設(shè)置位置分別距G點(diǎn)20m和40m，這個(gè)距離還在接地裝置的影響范圍內(nèi)，所以測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。此外，也可能離地下金屬管道太近，影響了測(cè)量結(jié)果。

對(duì)于大型接地網(wǎng)來(lái)說(shuō)，測(cè)量接地電阻比較復(fù)雜。首先電流極和電壓極的位置距離很遠(yuǎn)，其次地質(zhì)情況比較復(fù)雜。這可能需要進(jìn)行多次測(cè)量并繪制曲線(xiàn)，尋找曲線(xiàn)的水平部分，得到真實(shí)的接地電阻值。

3.3 接地電阻阻值的設(shè)定

本項(xiàng)目中共用接地裝置的接地阻值定為1Ω。在高土壤電阻率的地區(qū)達(dá)到1Ω非常困難，且是否需要達(dá)到1Ω的接地電阻值這個(gè)問(wèn)題也值得思考。如果阻值要求降低到4Ω，那接地工程的投資將成倍下降。

項(xiàng)目接地電阻值設(shè)計(jì)為不大于1Ω，是因?yàn)闃I(yè)主方提出的測(cè)試設(shè)備的接地要求，即信號(hào)地的接地電阻要求不大于1Ω。信號(hào)地是為了給測(cè)試設(shè)備提供一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)位而設(shè)置的接地，是否需要如此低阻值仍值得商榷。筆者認(rèn)為，很多業(yè)主方提出要求信號(hào)地單獨(dú)設(shè)置接地裝置并達(dá)到1Ω，更多擔(dān)心的是雷電流、地網(wǎng)上的雜散電流對(duì)信號(hào)地的影響。當(dāng)雷電流或故障電流流過(guò)接地裝置時(shí)，兩地之間存在電位差，對(duì)人身和設(shè)備可能會(huì)造成傷害。

雖然最近幾年的規(guī)范和IEC標(biāo)準(zhǔn)中并未明確提出共用接地裝置的阻值標(biāo)準(zhǔn)，但GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中，根據(jù)高壓側(cè)接地情況和低壓側(cè)接地型式，規(guī)定了各種類(lèi)型下的接地電阻的計(jì)算方法。

目前建筑物均設(shè)計(jì)了保護(hù)性的總等電位聯(lián)結(jié)，作用是防止人身電擊；電子信息設(shè)備也采用高頻低阻抗的等電位聯(lián)結(jié)，均對(duì)接地電阻不做規(guī)定。根據(jù)實(shí)際需求，確定合理的電阻值可以減少工程造價(jià)。

3.4 影響接地電阻值的因素

根據(jù)公式(1)，可看出接地電阻值和土壤電阻率有直接關(guān)系。土壤電阻率不僅隨土壤的類(lèi)型變化，且隨溫度、濕度、含鹽量和土壤的緊密程度而變化(參見(jiàn)圖2)。

圖2 土壤電阻率曲線(xiàn)

計(jì)算接地電阻時(shí)，應(yīng)考慮季節(jié)變化對(duì)阻值的影響，通過(guò)乘以季節(jié)系數(shù)進(jìn)行修正。具體季節(jié)系數(shù)參見(jiàn)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第四版)中表14.6-14。當(dāng)接地極埋深深度比較深時(shí)，受季節(jié)變化影響比較小。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合上述分析，得出以下結(jié)論。

(1)設(shè)計(jì)高土壤電阻率接地項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)充分收集項(xiàng)目所在地的地形地貌、地勘報(bào)告、地質(zhì)電測(cè)部門(mén)提供的地層土壤電阻率分布資料，充分了解該地土壤的不均勻程度。

(2)根據(jù)前期資料，初步擬定接地方案。隨著施工的進(jìn)展以及接地電阻的測(cè)量，采用合適的降阻措施，完善接地方案。

(3)對(duì)大型接地網(wǎng)的接地電阻進(jìn)行測(cè)量時(shí)，尋找合適電流極和電壓極的位置，進(jìn)行多次測(cè)量，測(cè)得真實(shí)的接地電阻值。

(4)對(duì)接地電阻需要進(jìn)行季節(jié)系數(shù)的校驗(yàn)，從而保證各時(shí)段都能達(dá)到設(shè)計(jì)所需的接地阻值。

(5)合理確定接地電阻值是非常必須的，尤其是高土壤電阻率接地項(xiàng)目，會(huì)減少大量投資。