高土壤电阻率区域地网设计制作与测试试验

2016-12-17吴仕军吴安坤张淑霞

现代建筑电气 2016年11期

关键词：电阻值电阻率电阻

刘波, 曾勇, 吴仕军, 吴安坤, 张淑霞

(贵州省气象灾害防御技术中心, 贵州贵阳 550002)

高土壤电阻率区域地网设计制作与测试试验

刘波, 曾勇, 吴仕军, 吴安坤, 张淑霞

(贵州省气象灾害防御技术中心, 贵州贵阳 550002)

结合机场自动气象观测场实例,介绍了高土壤电阻率区域采用离子接地极深井埋设和传统接地相结合的地网设计,详细分析了地网施工步骤及注意问题。在地网施工过程中,进行了离子接地极数量与地网接地电阻之间关系的测试试验,将实测接地电阻值与厂家宣称的理论计算电阻值进行了比较,并采用最小二乘法中添加趋势线的方法对试验曲线进行拟合,得到接地电阻值与离子接地极关系的数学表达式,同时对结果存在的问题进行了分析,可为其他高土壤电阻率区域的地网设计制作提供参考。

高土壤电阻率区域; 地网设计; 离子接地极; 热熔焊接; 拟合分析

0 引言

贵阳龙洞堡机场于1997年5月28日正式投入运营,跑道长为3 200 m,宽为45 m。在机场建设中,大面积采用开山大石块填料,且其填筑厚度约为50 m。大块石填筑地基的颗粒大小和级配情况,与填筑粒料的大小和级配有关。为了使填筑粒料达到良好的级配和分层填筑厚度所控制的最大粒径,在进行爆破施工设计时结合采石料场山体的岩性及岩体的层理构造,按小于1/3倍强夯夯粒直径(2 300～2 400 mm)控制粒料最大粒径,颗粒大小组成的级配特征值以不均匀系数>5、曲率系数>1作为填料的级配要求,现场的土壤电阻率测试仪测量其平均土壤电阻率为3 000 Ω·m[1]。

该机场南、中、北三个自动气象观测场原来均已有地网,但接地电阻达不到要求,现需要在与其跑道平行,且距跑道平均水平距离约50 m的三个自动气象观测场再制作辅助地网,接地电阻要求达到8 Ω及以下。因机场极高的土壤电阻率,如采用传统的水平接地极(扁钢)和垂直接地极(角钢)组成的综合地网,接地电阻要达到8 Ω以下非常困难,甚至有可能达不到。本文结合该机场南面自动气象观测场,介绍了地网设计制作过程及测试试验。

1 传统地网

传统地网一般采用镀锌钢材制作,常用-40 mm×4 mm的镀锌扁钢作为水平接地极,∠50 mm×5 mm的镀锌角钢作为垂直接地极,两者联合使用。根据电力行业标准DL/T 621—1997《交流电气装置的接地》,接地电阻值为

(1)

式中: S——制作的地网面积;ρ——土壤电阻率。

该机场的气象自动观测站土质差,土层薄,实测的土层厚度仅为80 cm,而土壤电阻率高达3 000 Ω·m以上,地网的接地面积有限。要达到机场的接地电阻要求(接地电阻≤8 Ω),采用传统的地网制作,按式(1)计算,地网面积高达35 156 m2。故单独采用传统的地网制作方法不可行。

2 降低接地电阻的方法

2.1 外引接地

外引接地在土质好、土壤电阻率低、面积大的地方制作接地电阻符合要求的地网,再采用接地连接线将该地网与需要接地的设备、装置连接起来[2]。经实测,该机场自动气象观测场四周均为岩石,在离其约为2 000 m、高度差为200 m的山下为农田,土壤较好,土壤电阻率较低。因需外引接地的连接线过长,接地连接线本身的电阻会很大,从而影响接地电阻值,所以外引接地的方法不易实现。

2.2 换土法

换土法采用低电阻率的土壤代替高电阻率的砂石,从而降低接地电阻[3]。这种方法的施工量很大,施工成本很高,且机场观测场80 cm土层以下均为坚硬的砂石夯实、填充,不可能换土。另外,跑道离观测场平均距离为50 m,换软土可能引起地面塌陷,危及飞行安全。故该方法不可行。

2.3 深井接地法

通过钻井,将接地极放入深井中,从而增大接地体的半径,使接地极与深层土壤中的水分接触,降低接地电阻[4]。该机场自动气象观测场可以采用该方法。

2.4 离子接地极

离子接地极占地面积小,降阻效果持久、稳定,是一种新型的接地材料[5-6],采用管式结构,内外加有填充剂,外填充剂采用低电阻、高渗透扩展的高能回填料,内填充剂具有很强的离子释放性能,并且具备吸水保湿、电离导电、长效缓释等功能。

2.5 使用降阻剂

降阻剂一般含有细石墨、固化剂、膨胀土、导电水泥、润滑剂等,是一种良好的导电体,能增大接地体与土壤的接触面积,增加电流流通面,具备良好的渗透性能,能向周围土壤、岩石缝渗透形成树根网状,在接地电极周围形成变化平稳的低电阻降区域。目前许多降阻剂都具有较强的腐蚀性和低的降阻稳定性。该自动气象观测场可以采用无腐蚀、高稳定性的降阻剂[7-8]。

3 地网设计制作

采用离子接地极、深井接地、传统接地的联合方式,制作该机场自动气象观测场的地网。

地网设计制作步骤如下:

(1) 挖槽。在气象观测场的周围按照设备的走向挖设槽沟,主槽沟深80 cm,宽60 cm,槽沟总长约为150 m。

(2) 钻井。采用机械钻井的方式,在南面观测场挖槽沟钻井,井深为10 m,井径为80 mm。因跑道离观测场仅50 m左右,飞机的起降会造成槽沟钻井中砂石在不同深度处发生堵塞,需不断进行清理,故最好是每钻一个井,就放入离子接地极,避免井口堵塞,造成施工成本的增加。

南面气象观测场地网设计示意如图1所示。

(3) 使用离子接地极。因离子接地极的主体结构是铜棒(1.5 m长),将其放入10 m深的钻井孔中时,需要与镀锌扁钢进行焊接,因两者材质、材性不同,不能电焊铜,而采用热熔焊接。热熔焊接是利用化学反应(放热反应)时产生超高热来完成焊接的一种方法,其特点是化学反应速度非常快,产生的热量极高,可以有效地传导至焊接部位,使其熔为一体,形成分子结合[9-10]。放热熔接法为接地线路的最好方法,焊接点能经受多次大电流的冲击,稳定不退化,焊接点过渡电阻低,其载流能力与所焊接导线的几乎相同,且在焊接时无需外接电源或热源,在不便于携带或者使用焊机的地方很实用[11-12]。需要说明的是,机场属于防火等级要求很高的场所,在此施工过程中需准备灭火器。

图1 南面气象观测场地网设计示意

(4) 热熔焊接步骤:① 将模具清理干净,放平;② 将需要焊接的铜带与扁钢水平放入模具两侧;③ 在模具中放入熔焊剂,并将引燃粉放在表层及模口,盖上模具顶盖;④ 点燃引燃粉,约0.5 min后开启模具,清除残渣,焊接完成。离子接地极的连接铜带与扁钢的热熔焊接如图2所示。

图2 离子接地极的连接铜带与扁钢的热熔焊接

4 接地电阻试验

4.1 试验概述

厂家宣称使用其生产的离子接地极,可以很好地降低接地电阻,则所需接地电极的数量为

n≈(0.014 2ρ/R)-0.4

(2)

如果土壤电阻率特别高(1 000 Ω·m以上),可以将上述计算结果再乘以调整系数K(取值1.2～1.5)。土壤电阻率越高,K取值越大。

自动气象观测场多点测试的土壤电阻率平均值为3 000 Ω·m。在验证式(2)时,K取最大值1.5,则R=0.021 3ρ/(n+0.6)。

4.2 试验说明

为了验证上述公式,每放下1根离子接地极进入接地井后,严格按照接地电阻的直线测试法(0.618法)进行多次测试,取其平均值。第1根独立测试完后,再将第2根与其用扁钢连接在一起,多次测试接地电阻,取其平均值。依此方法,最后测得12根离子接地极连在一起的接地电阻值,即所制作地网的接地电阻。

需要说明的是,接地电阻的测试是在离子接地极放入接地井一周后进行的,测试时天气多云,测试前一天没有下大雨。这是因为离子接地极的填充料需要一定的时间来发挥其作用,接地极刚放入接地井就测试会带来测试结果偏大,与真实值间的误差较大,而不选择在雨后或雨中测量,也是为了测量结果更加准确。

4.3 测试结果及分析

接地电阻值的实测值与计算值比较如表1所示。

表1 接地电阻值的实测值与计算值比较

nR/Ω计算值实测值139．959．8224．645．6317．835．4413．929．0511．425．269．720．478．417．287．414．896．712．4106．010．0115．58．8125．17．6

接地电阻值比较如图3所示。

图3 接地电阻值比较

从表1、图3可以看出,实际测得的接地网接地电阻与厂家宣称的接地电阻存在差异。如果需要接地电阻值达到10.0 Ω,按照式(2),只需要6根离子接地极即可,而实际上需要的是10根,两者相差较大。

4.4 最小二乘法拟合分析

为了得到实测的离子接地极数量n与接地电阻值R的关系式,给其他相似土质条件下地网的设计与施工提供经验,采用最小二乘法中添加趋势线的方式对图3进行拟合分析,拟合结果如图4所示。

图4 拟合结果

相关系数A值是趋势线拟合程度的指标,可以反映趋势线的估计值与对应的实际数据之间的拟合程度,拟合程度越高,趋势线的可靠性就越高。当A=±1时,相关性最好,两者完全相关。

线性趋势线拟合得到的公式为y=-4.197 9x+51.136,A=0.935 8;多项式趋势线拟合得到的公式为y=0.482 7x2-10.473x+67.777,A=0.991 7。

因此,图4添加的两条趋势线对于试验曲线的拟合相关系数都大于0.9,即相关程度都很好。比较两者可知,添加的多项式趋势线拟合程度最好,相关系数达到了0.991 7,说明离子接地极数量与试验所测的接地电阻值的关系曲线与所选取的多项式趋势线一致。

通过上述分析,在土壤电阻率为3 000 Ω·m时,公式y=0.482 7x2-10.473x+67.777能较好地表达此种离子接地极数量与接地电阻之间的关系,故推荐使用该公式。

4.5 试验结果存在的问题

该试验是在防雷工程的施工中进行的,当离子接地极的数量为12根时,测得的地网接地电阻已符合该机场自动气象观测场的要求,故没有再增加离子接地极的数量,因此所得的结果在n取值为12及以下是准确的。随着n取值的增加,由于样本数取得较小,试验结果存在一定误差。

另外,试验结果是在土壤电阻率为3 000 Ω·m的条件下得到的,因此对于其他土质情况下的关系不能很好地反映,试验结论具有很大的局限性。

4.6 飞机起降对接地电阻影响的试验

所制作的地网离飞机的跑道平均仅为50 m。为了验证飞机起降时与跑道的摩擦是否会对地网的接地电阻值产生影响,故做此试验。

选取地网不同的10个点,采取飞机在离地网直线距离最近时起飞和降落的瞬间进行测试。经测试,飞机在起降时地网的接地电阻值不变,所以飞机的起降对于地网的稳定性没有影响。

5 结语

本文在比较几种降低接地电阻方法的基础上,针对贵阳龙洞堡机场自动气象观测场的实际勘察情况,采用了深井埋设离子接地极与传统接地相结合的设计模式,并详细介绍了施工步骤与注意问题。对施工中所用到的离子接地极数量与地网接地电阻值之间的关系进行了测试试验,根据试验实测得到的数值,采取最小二乘法中添加趋势线的方式进行拟合分析。

[1] 甘厚义,焦景有.贵阳龙洞堡机场大块石填筑地基的强夯处理技术[J].建筑科学,1995(1):17-26.

[2] 莫溢.关于山区变电站接地改造工程设计的探讨[J].企业科技与发展,2008(24):141-144.

[3] 贾彦龙.高土壤电阻率变电站接地降阻实现[J].电力建设,2009,30(7):43-46.

[4] 徐崇浩,余旭东,代勇,等.恶劣环境接地技术探讨[J].电力设计,2007(3):56-59.

[5] 罗晓军,康强,丁立兵.防雷接地系统在复杂地质环境下施工技术的探讨[J].气象研究与应用,2009(S1):147-148.

[6] 中国建筑标准设计研究院.防雷与接地安装[M].北京:中国计划出版社,2007.

[7] 蓝信军.接地降阻材料的应用及降阻效果评价[J].长沙电力学院学报:自然科学版,2005,20(4):26-29.

[8] 李景禄.接地降阻剂应用及存在问题分析[J].高电压技术,2004,3(30):65-66.

[9] 杨丹,王洪泽.电解地极降低变电站地网接地电阻实例[J].电力建设,2004,25(10):25-27.

[10] 李景禄.关于接地工程中相关参数取值的探讨[J].高压电器,2004,40(4):264-266.

[11] 梅卫群,江燕如.建筑防雷工程与设计[M].北京:气象出版社,2004.

[12] 李舟鑫.兴义防雷机场防雷接地的设计与施工[J].贵州气象,2004,28(6):42-44.

Grounding Grid Design and Test in Soil High-resistivity Area

LIU Bo, ZENG Yong, WU Shijun, WU Ankun, ZHANG Shuxia

(Guizhou Lighting Protection and Disaster Mitigation Center, Guiyang 550002, China)

Combining by the automatic meteorological phenomena observation field of Longdongbao Airport in Guiyang,this paper introduced the grounding grid design of soil high-resistivity area which adopted the deep buried ion grounding electrode in ground and the combination of traditional grounding methods.The grounding construction steps and problems in accordance with the design method were analyzed in detail.In the process of network construction,an testing experiment of the relationship was performed between the number of ion grounding electrode and grounding resistance.The results of actual measuring grounding resistance and the theoretical calculative grounding resistance which was alleged by the manufacturers,were analyzed.The experimental curves were fitted with the adding trend line of least square method.It comes to conclusion that the mathematical relation between the number of ion grounding electrode and grounding resistance,and the existing problems of the results are analyzed.It can provide references for the grounding grid design and test in other soil high-resistivity area.

soil high-resistivity area; grounding grid design; ion grounding electrode; heat melting welding; fitting analysis