高土壤电阻率地域降阻工程的若干问题探析

李军正 郑金达 陆力源 张 玺

(1.台州市气象局，浙江 椒江318000;2.台州市椒江区气象局，浙江 椒江318000)

0 引言

接地的作用是保护建筑物自身安全及建筑物内人身安全和各系统设备安全，按其作用可分为防雷接地、保护接地、工作接地、屏蔽接地、防静电接地等。接地电阻由接地体及其连接线的自身电阻、接地体表面与土壤之间的接触电阻、电流由接地极向土壤中流散时经过路径的散流电阻3个方面组成，是表征接地装置向大地泄放电流的一个基本物理量，在接地设计中占有重要的地位。其中，散流电阻和接触电阻与土壤电阻率有着直接联系并起着决定作用。

现行设计理念中，基本上是要求采用共用接地方式，接地电阻值也是以各个接地系统中要求最小的接地电阻值为依据，甚至要求不大于1Ω。但在高土壤电阻率环境，设计要求接地电阻值不大于10Ω实施时可能都不易实现。以山地高土壤电阻率环境的接地装置改造工程为实例，对影响接地电阻的各种因素及各项降阻措施的利弊特点等若干问题进行探讨和分析。

1 改造项目基本概况

某单位位于台州黄岩西部山区的一幢长39.6 m、宽15.1 m、高16.8 m 的新建办公大楼，防雷类别被划定二类，接地装置利用大楼的基础地网。竣工后属地防雷装置检测人员利用4102接地电阻测试仪检测结果为56Ω。经现场勘测，该地域为山间盆地，虽然周边农田上种植着各种农作物，但地表上其实只有一层厚度30 cm左右的泥土，下面为砂土和砾石结构，经测试，土壤电阻率在2500Ω·m左右。根据实际情况，业主方和检测单位提出了尽量将接地电阻改造到10Ω以下，若能达到4Ω则为最佳。

2 接地改造的设计思路及实施方案

根据规范及相关经验，高土壤电阻率地域降低接地电阻的常规方法有以下几种:采用多支线外引接地装置、接地体埋于较深的低电阻率土壤中、更换土壤、对土壤进行化学处理(采用降阻材料)等。据此，对上述项目实施了如下改造方案，示意图如图1。

1)利用大型挖机在大楼周边挖出8个深度为4 m的大坑(图中标注为A—H)，在每个坑内预埋一根长为3 m的10 cm(DN80)镀锌钢管作为垂直接地极，并灌注定量的降阻剂，利用50 mm×5 mm的镀锌扁钢将各个坑内的垂直金属钢管连接，扁钢埋深1 m，并在其上面覆盖一层降阻剂。

2)在大楼东面和南面的围墙外深为1 m的沟内每隔2.5 m放置一块降阻模块，用50 mm×5 mm的镀锌扁钢将各个降阻模块连通。

3)用50×5 mm镀锌扁钢将人工接地装置与基础地网在大楼的四角位置进行可靠连接。

工程改造后，施工单位和检测机构利用各自的4102测试仪进行检测，结果均为16Ω左右。

图1 实际工程改造方案示意图

3 影响接地电阻的因素探讨与分析

3.1 土壤结构对接地电阻值的影响

本案例工程的土壤特点是呈显著的水平多层分层结构，表层为薄薄的泥土，往下就是明显的砂土结构，然后就是以砾石为主。这与在均匀的、低电阻率土壤地域的情况不同，也就造成了改造工程的实际效果与预估时有较大差别。

为了便于说明水平分层的土壤结构对接地电阻的影响，现以图2所示的水平双层土壤结构为例，其它水平多层土壤结构对接地电阻影响的分析方法与此相同。假设上层土壤电阻率为ρ1，下层土壤电阻率为ρ2，根据相关经验和资料，有以下几方面特点。

图2 水平分层的土壤结构图

1)当ρ2小于ρ1时，可充分利用下层低电阻率土壤来降低接地电阻。也就是说采用垂直接地体的方式进行降阻是非常合适的，如果是高土壤电阻率地区，还非常适合采用深井式接地，会使接地电阻得到较大改善。

2)当ρ1、ρ2相同，即所处地域为均匀土壤结构时，也是非常适合实施垂直接地体降阻措施，使电流向垂直和水平两个方向扩散，并充分利用垂直方向扩散分量，将较大的电流引入地层深处。但不宜采用深井式接地，主要考虑投入的成本与取得效果之间的性价比问题。

3)当ρ2大于ρ1时，随着ρ2值逐渐增大，电流在深层土壤的散流难度也逐渐增大，通过垂直接地体散流的电流比例也在不断减小;当ρ2远大于ρ1时，垂直接地体的降阻效果会变得越来越小。在此条件下，不适合采用深井式接地，而增加水平接地网面积是最适合的降阻方法。

3.2 地下水含量及电解质对接地电阻值的影响

据相关资料，土壤含水量增加时电阻率会下降，但是当含水量增加到20% ～25%时，土壤电阻率会保持在相对稳定状态，当含水量达到75%时，达到完全饱和状态。而且土壤电阻率还与土壤的结构、土质的紧密度、温度以及土壤中可溶性电解质化合物(如:酸、碱、盐等)的含量有关。也就是说，水的纯度越高，可溶性电解质含量越低，土壤电阻率越大。

本案例工程中所处地域的地下水类型为山丘区孔隙潜水，含水层主要为河谷冲积砂砾石层，水质为Ⅱ类，也就是说水中或土壤中没有更多的矿物质和无机电解质可形成电子电导和离子电导使土壤电阻率得到有效下降。这或许也是即使安装垂直接地体的大坑中已经冒出地下泉水仍不能使接地电阻下降到预期4Ω以下的原因之一。

3.3 接地体之间的屏蔽效应对接地电阻值的影响

在有多根接地体排列的接地装置中，由于每根接地体均向土壤中泄放相同极性的电荷流之间将会相互排斥，如图3所示;所以相邻两接地体之间的土壤就得不到充分的散流，从而使散流阻力增大，这种作用称为接地体之间的屏蔽效应。屏蔽效应将使得每一接地体的接地电阻比各自单独存在时增大，也使整个总接地电阻大于它们各个接地体的并联电阻。接地体之间距离越近、垂直接地体根数越多，屏蔽效应就越严重。

图3 接地体之间散流时的屏蔽效应

在实际工程中，为了减小相邻接地体间的屏蔽作用，接地体的间距一般要大于5 m，垂直接地体的长度宜为2.5 m左右，此时相应的利用系数ηC可达到较大值0.75～0.85之间。对于深井式接地体，其间距仍然是宜为井深的2～3倍。理论上只有离接地体大于20 m处可看作是零电位点，也就是说同一地网内两个接地体间的距离要大于40 m时，才可不计相互屏蔽影响。

由于屏蔽作用，在大型地网中为了降低接地电阻而增加垂直地体时，应将其布置在水平接地网的边缘，使其与水平地网间的屏蔽作用达到最小，这样更有利于散流、降阻。

本案例工程中，围墙内增设的接地体与大楼基础地网、增设的垂直接地体之间均保持了相当大的距离，这一方案即增大了地网的面积又减少了接地体间的屏蔽效果，特别是在西面位置为增设的接地体开了“大口子”，其目的就是尽可能减少接地体的屏蔽效应。另外，围墙外面增设的水平接地体对围墙内增设的接地体会产生一定的屏蔽效应，但由于距离较大，因此其屏蔽效应应是有限的。

3.4 测试方法、测试设备对接地电阻值的偏差

接地电阻值是通过接地电阻测试仪取得的一个测试值，而其真实值不同于实验室易于精确获得。但是不同的接地电阻测试设备的工作原理是不尽相同，因此得到的测试值也会有所不同，甚至会出现较大的差别。在本案例工程改造前后，施工单位和检测机结构还利用各自的摇表ZC－8进行测试，结果为改造前26Ω左右，改造后8Ω左右，这与表4102所得到的56 Ω和16Ω的测试结果均有较大出入。

现行的接地电阻测试设备大部分是采用电流表—电压表法，其中电压表与电位极P是串联关系，电流极的接地电阻与测量电源是串联关系。因此在测试时，接地电阻越大，注入电流越小;接地电阻越小，注入电流越大，但具体的测试原理却不尽相同。例如电阻测试仪4102(A)、4105(A)、1026(B)均采用电位下降法原理，以额定电流变极器(又称恒流转换器)产生的恒流源作为测量电源，产生的测量电流约为2 mA。其中测试仪4102A的说明书中指出了测量电流与接地电阻的关系为:1Ω－3 mA、10Ω－2 mA、100Ω－1 mA。摇表ZC－8是采用补偿法原理，通过转速为120转/min的手摇发电机产生电压源作为测量电源，其最高能产生上百伏的电压，输出的测量电流可达10－1A级。

事实上，在进行接地电阻测试时，测试设备提供的测量电流越大，其测量准确度越高。因此在高土壤电阻率地区进行接地电阻测试时，尽量选用能产生安培级以上工作电流的接地电阻测试仪，比如大型地网测试仪SKY－2011的输出的测量电流不仅可以人为设置，而且可达5 A，有些最大为30 A，并且适用于任何地网的测试。

4 各种降阻措施的利弊特点探讨与分析

基于前述对影响接地装置电阻值几大因素的探讨和分析，从而可以得出各种降阻措施在不同情形下的利弊特点。

1)外引接地装置，包括增设水平接地体、垂直接地体。在工程中必须考虑接地体之间的屏蔽作用对降阻效果的影响，因此设计时要考虑接地体间的间距及垂直接地体的长度;在大型地网中，垂直接地体应尽量设在地网外围。若工程所在地区的土壤为垂直分层结构，如图4所示，则外引接地装置可充分利用低电阻率处的土壤来取得明显降阻效果。

图4 垂直分层的土壤结构图

2)接地体埋于较深的低电阻率土壤，就是使接地体离地面距离增加并利用深层低电阻率土壤，从而增大了接地体在土壤中的散流面积，起到减小接地电阻的作用。目前广泛应用的方法是采用铜铸钢或角钢垂直接地技术、深井接地技术、爆破接地技术等。要注意的是，在下层土壤电阻率不大于上层的情况下，增设垂直接地体的效果是显著适宜的;若下层土壤电阻率大于上层时，加装垂直接地体则效果不明显的。对于深井接地法，若地下深处的土壤电阻率大于或等于上层时，在实施工程前须进行技术经济比较，以免造成投入了巨资却收不到好的降阻效果。

3)增大地网面积是降低接地电阻最为常用和较为有效的措施。但是随着面积的增大，降阻的效果会逐渐减弱直至饱和;同时增大面积亦会大大增加投资，且受到可占地域面积的限制。

4)更换土壤对减小接触电阻及散流电阻均有明显的作用，但在实际工程中，由于低电阻率土壤的来源问题，以及需投入巨大的工程量和资金等因素，换土措施其实很难实现。

5)采用降阻材料，可在一定程度上降低土壤与接地体间的接触电阻和散流电阻，但考虑到经济等方面原因，降阻材料不可能大面积使用，因此这一措施对地网的降阻作用是有一定局限性的。而且普通化学降阻剂在使用过程中如果包裹处理不到位会随着雨水的作用而逐渐流失、在干燥时又起不到理想的作用，且具有一定的腐蚀性。因此在工程中可以选用一些具有长效(不易被雨水冲掉或流失)、稳定(能与接地体紧密结合，并起到吸水保湿作用)和防腐特点的新型长效物理降阻剂。另外，针对降阻材料在腐蚀性方面带来的副作用，接地体也可以选用新型的非金属材料作为金属接地体的替换产品，如以碳纤维、钢纤维、石墨等为主要原料的导电混凝土。

常用的降阻材料有降阻剂和降阻模块，不同厂家、不同型号的降阻材料由于配方和生产工艺不同，它们的降阻效果也会有所不同，下面归纳列出几种常规降阻材料的性能比较，如表1所示。

表1 常规降阻材料的性能比较

5 结语

接地电阻主要由所在场所的土壤条件决定，改造工程不能脱离所在地的地质条件。在高土壤电阻率地区，接地电阻应综合安装费用和可能做到的电阻值来考虑，在满足安全的前提下，允许提高接地电阻值，对符合条件的接地装置可不计及冲击接地电阻，事实上，接地装置的布置和尺寸比接地电阻值更重要。当无法达到一定的接地电阻值时，应采取均压、隔离等措施，使跨步电压限制在人身安全和设备安全允许值范围内。同时也可以采用提高跨步电压允许值保证安全，最有效的办法就是增大地表的土壤电阻率，如采用碎石或沥青混凝土地面等。

因此在高土壤电阻率地区实施接地装置改造工程前，一定要收集和重视土壤在水平方向和垂直方向的变化情况，探测周边土壤电阻率的分布情况;要根据区域的特点，采取不同的降阻措施，以最高性价比来设计接地系统。

［1］ 机械工业联合会.GB50057－2010建筑物防雷设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2011.

［2］ 中国建筑东北设计研究院.JGJ16－2008民用建筑电气设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［3］ 肖稳安，张小青.雷电与防护技术基础［M］.北京:气象出版社，2006.

［4］ 李密.雷电防护接地电阻降低方法及应用［J］.气象科技，2009，37(6):215 －220.

［5］ 汤放奇，胡登宇，张艳平，等.关于接地工程中若干问题的研究［J］.长沙电力学院学报，2005，20(1):10－13.

［6］ 王淑珍，张亮.电气接地装置探讨［J］.北京建筑工程学院学报，2005，21(3):26 －30.

［7］ 张国春，李峻明.降阻剂的降阻机理及两种不同类型的降阻剂介绍［J］.青海电力，2000(2):57－60.