宋憲毅

(福州東南繞城高速公路有限公司，福建 福州 350001)

1 概述

高速公路機(jī)電設(shè)施的安全、穩(wěn)定運(yùn)行是維持高速公路正常運(yùn)行的重要保證。雷擊事故是造成高速公路機(jī)電設(shè)施發(fā)生故障的重要原因之一。雷電是自然現(xiàn)象，無法避免，雷擊發(fā)生會(huì)產(chǎn)生巨大的能量，包括電能、熱能、機(jī)械能，會(huì)影響機(jī)電設(shè)施的正常運(yùn)行，影響交通的順暢運(yùn)行[1-2]。隨著省界高速收費(fèi)站的取消、高速公路無人化通行的推廣，自動(dòng)化收費(fèi)設(shè)備將承擔(dān)收費(fèi)站的收費(fèi)工作，如果防雷措施不到位將造成收費(fèi)系統(tǒng)故障，無法收費(fèi)，將造成經(jīng)濟(jì)損失，并造成不好的社會(huì)影響。因此，新形勢(shì)下高速公路機(jī)電設(shè)施的防雷工作的重要性就更加凸顯。接地網(wǎng)的性能是防雷工程的重要一環(huán)，本文將探討CDEGS系統(tǒng)在高速公路機(jī)電設(shè)施防雷接地設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，為防雷設(shè)計(jì)提供重要參考依據(jù)。

CDEGS是一款可進(jìn)行接地建模仿真的大型軟件，可以根據(jù)土壤電阻率的測(cè)量值反演土壤的真實(shí)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以進(jìn)行接地網(wǎng)性能的評(píng)估，模擬雷擊作用下導(dǎo)體的電位、空間的磁場(chǎng)、地電位的抬升情況，這些功能對(duì)防雷評(píng)估、防雷設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義[3]。本文以福建省高速公路收費(fèi)站為例討論CDEGS系統(tǒng)在高速公路雷電防御中的應(yīng)用，旨在通過利用CDEGS系統(tǒng)優(yōu)化指導(dǎo)高速公路機(jī)電設(shè)施的雷電防御能力，減少雷擊事故，保證高速公路的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

在防雷工程中，接地網(wǎng)是最重要的環(huán)節(jié)之一。接地網(wǎng)是對(duì)埋在地下一定深度的多個(gè)金屬接地極和由導(dǎo)體將這些接地極相互連接組成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的接地體的總稱。接地電阻是評(píng)價(jià)接地網(wǎng)性能好壞的指標(biāo)之一[4]，影響接地電阻大小的原因有很多，土壤電阻率是其中之一。在土壤電阻率低的地方布設(shè)較少的接地極就能達(dá)到理想的接地電阻，而在土壤電阻率高、土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜的地方，就需要加大對(duì)接地網(wǎng)的投入。有時(shí)為了達(dá)到合格的阻值，就必須加大對(duì)接地網(wǎng)的投入，盲目加強(qiáng)接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)可能加大了接地網(wǎng)的工程投資。如果接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)不足，會(huì)造成接地電阻無法達(dá)標(biāo)，就必須對(duì)接地工程進(jìn)行返工，同樣也是一種投資浪費(fèi)。而利用CDEGS軟件可以通過建模仿真的方式，在設(shè)計(jì)期進(jìn)行接地網(wǎng)性能的評(píng)估，預(yù)估接地網(wǎng)是否滿足要求，最大限度地避免加大工程和返工的資源浪費(fèi)，在防雷工程設(shè)計(jì)中具有一定的指導(dǎo)意義。

2 技術(shù)路線

CDEGS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)的反演，建立防雷接地網(wǎng)的物理模型，再將兩者結(jié)合進(jìn)行接地電阻的分析評(píng)價(jià)。首先，根據(jù)溫納四極法進(jìn)行土壤電阻的測(cè)量，為了提高土壤結(jié)構(gòu)反演的精度，應(yīng)在不同極間距下測(cè)量多組土壤電阻率數(shù)據(jù)，并利用土壤電阻率測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)的擬合反演，得到真實(shí)的土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)[5-6]，然后根據(jù)防雷接地設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行接地網(wǎng)的建模，在模型中輸入反演得到的土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行接地電阻的仿真分析。根據(jù)接地電阻分析結(jié)果可以判斷該防雷接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)能否滿足要求，如果不滿足要求可以增加接地體，再進(jìn)行仿真，直到接地電阻滿足為止，具體的技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線圖

3 土壤電阻率測(cè)量

土壤電阻率的測(cè)量方法很多，如溫納四極法、地質(zhì)判定法、雙回路互感法、自感法、線圈法、偶極法等。其中，溫納四極法是實(shí)際工程中最為常用的土壤電阻率測(cè)量方法，也是世界上公認(rèn)最有效的測(cè)量方法。大量工程實(shí)踐證明其準(zhǔn)確性能滿足工程計(jì)算要求，且這種測(cè)量方法所需儀表設(shè)備少，方便實(shí)際測(cè)量工作[7]。

采用溫納四極法測(cè)量土壤電阻率時(shí)，其接線如圖2所示，該方法測(cè)量得出的是測(cè)量電流所能流經(jīng)深度的土壤電阻率的平均值。由外側(cè)電極C1、C2通入電流I，電極的埋深為l，電極間的距離為a。

圖2 溫納四極法測(cè)量原理圖

土壤電阻率可以通過下式得到：

式中：ρ—土壤電阻率(Ωm)；a—電極間的距離(m)；(Up1-Up2)—P1、P2極間的實(shí)測(cè)電壓(V)；R—實(shí)測(cè)土壤電阻(Ω)。

由公式可知，當(dāng)a、l己知時(shí)，測(cè)量P1、P2兩極間的電壓和C1、C2間流過的電流，即可算出土壤的電阻率。

4 實(shí)例分析

本文以福州長(zhǎng)樂鶴上收費(fèi)站綜合樓為例，說明CDEGS在高速公路設(shè)施防雷中的具體應(yīng)用方法。

4.1 土壤電阻率測(cè)量?jī)x器

土壤電阻率檢測(cè)采用K-6470 N多功能大電流土壤電阻率測(cè)試儀。該測(cè)試儀是由法國(guó)CA公司制造，是歐洲測(cè)試、測(cè)量領(lǐng)域的領(lǐng)先設(shè)計(jì)制造商之一，其接地測(cè)試產(chǎn)品是按照法國(guó)電力公司的測(cè)試需求及國(guó)際現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造，其精準(zhǔn)穩(wěn)定的測(cè)試性能和全面完善的功能設(shè)置，已成為業(yè)界的優(yōu)選產(chǎn)品，所以選用該儀器進(jìn)行土壤電阻率的測(cè)量工作，土壤電阻率測(cè)量?jī)x器接線示意圖如圖3所示。

圖3 土壤電阻率測(cè)量?jī)x器接線示意圖

4.2 土壤電阻率測(cè)試值

根據(jù)圖3接線進(jìn)行土壤電阻率測(cè)量，極間距選取從0.1～20 m，受到場(chǎng)地本身的限制，極間距最大值選取為20 m。

4.3 土壤結(jié)構(gòu)反演

根據(jù)土壤電阻率測(cè)量值，利用CDEGS軟件進(jìn)行該項(xiàng)目的土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)反演工作，對(duì)土壤電阻率的測(cè)量值進(jìn)行曲線擬合，根據(jù)擬合結(jié)果得到實(shí)際的土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)。用平均相對(duì)誤差來表征擬合效果的好壞，平均相對(duì)誤差表達(dá)式見下式，其中：Xc為擬合值，Xt為測(cè)量值，N為檢測(cè)組數(shù)。

根據(jù)反演結(jié)果計(jì)算擬合的平均相對(duì)誤差，計(jì)算結(jié)果為12.59%。圖4給出了土壤結(jié)構(gòu)反演的擬合曲線，從曲線上看出擬合曲線基本與土壤電阻率測(cè)量點(diǎn)走勢(shì)一致，擬合效果可以滿足實(shí)際工程要求。表1給出了土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)反演值，可以看出，該地塊土壤結(jié)構(gòu)為3層，上層和下層的土壤電阻率較小，中層的土壤電阻較大。

圖4 擬合曲線

表1 土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)反演值

4.4 接地網(wǎng)性能評(píng)價(jià)

4.4.1 接地網(wǎng)模型建立及接地電阻仿真

根據(jù)該項(xiàng)目的防雷設(shè)計(jì)圖紙(見圖5)，在CDEGS軟件中建立接地網(wǎng)模型，如圖6所示。在接地模型中設(shè)置土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)，將土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置成表1中的數(shù)值，然后進(jìn)行接地電阻的仿真，仿真得到的接地電阻為：1.33 Ω。為了驗(yàn)證該接地電阻的仿真值是否與實(shí)際值相符，對(duì)該建筑的接地電阻進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。

圖5 防雷接地網(wǎng)設(shè)計(jì)圖紙

圖6 接地網(wǎng)模型

4.4.2 接地電阻測(cè)量及驗(yàn)證

該建筑的接地電阻實(shí)地測(cè)量值為1.03 Ω，與仿真結(jié)果相近。因此，利用該方法進(jìn)行接地電阻仿真對(duì)實(shí)際工程具有一定的參考意義，可以用于指導(dǎo)實(shí)際的工程接地設(shè)計(jì)。根據(jù)防雷圖紙進(jìn)行接地電阻的仿真校驗(yàn)，可以評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)地網(wǎng)的接地電阻值能否達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，當(dāng)無法滿足預(yù)期目標(biāo)時(shí)，可以改進(jìn)接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)，再次進(jìn)行接地電阻的仿真驗(yàn)證，直到接地電阻滿足預(yù)期目標(biāo)為止。通過該方法，可以有效防止在建項(xiàng)目因接地電阻不合格返工造成的經(jīng)濟(jì)損失，從而有效減少建設(shè)成本。

5 結(jié)語

本文闡述了CDEGS系統(tǒng)在高速公路防雷設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并通過實(shí)際案例講述了具體的應(yīng)用方法，并進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明該軟件在接地電阻評(píng)估中具有一定的參考意義，可以利用該軟件進(jìn)行接地電阻的性能評(píng)估，從而有效地指導(dǎo)防雷接地設(shè)計(jì)，提高高速公路機(jī)電設(shè)施的雷電防御能力，保證高速公路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。