高土壤电阻率地区接地问题分析及处理

刘庆国

摘要 本文介绍了高土壤电阻率地区降低电气设备接地电阻的方法，提出了现有方法存在的问题和要采取的措施，分析了土壤电阻率不变的情况下深埋垂直接地体降阻的原因，探讨了提高接地电阻值的允许条件。

关键词 接地电阻；土壤电阻率；外引；降阻率；置换

中图分类号TM7 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）43-0116-03

0引言

众所周知，接地的目的是保证人身安全和电气设备的安全。为使接地电流迅速引向大地，要求接地电阻尽可能达到较低的数值。为此《铁路电力设计规范》规定了铁路电气设备接地装置接地电阻的最大允许值, 这在土壤电阻率较低的地方是不难做到的，但在高土壤电阻率地区（ρ>500Ω·m）特别是以岩石为主的山区却很难达到要求。

多年来，在铁路电力工程中，有关高土壤电阻率地区电气设备的接地问题还没有得到足够的重视，设计时往往只对接地电阻提出要求，而无具体的施工方法，降阻方法，致使按常规方法施工，接地电阻达不到要求，造成返工和经济损失。或施工中采取了某种降阻方法，接地电阻达到了要求，而接地方法又存在一定的问题。因此，对高土壤电阻率地区电气设备如何接地、如何降阻、施工中应注意些什么，很有必要提出来探讨，以便对今后施工提供参考。

1高土壤电阻率地区的接地问题

经验表明，当土壤电阻率高于500Ω·m时，用常规方法，接地电阻是很难达到要求的，即使增加垂直接地体根数或加大水平接地网面积也很难满足，从理论上讲也是如此。

例如：当土壤电阻率为500Ω·m时，某变压器的接地，规定其接地电阻不能大于4Ω。

根据单根垂直接地体接地电阻简易计算公式R=0.3ρ可知，当其依次使用1根、2根、

直至32根垂直接地体时，理论上其接地电阻仍达不到4Ω（见表1所示），而且实际施工时工程量大，很不经济，甚至有时不可能做到。

再如某变电所水平接地网，当土壤电阻率为500Ω·m时，要使其接地电阻达到4Ω。根据水平网接地电阻简易计算公式R=0.5ρ/ 可知，其接地网面积S要达到4 969m2才能满足要求，且不说地形受限制，这种通过扩大地网面积实现降阻的方法在工程中很不现实。因此，在高土壤电阻率地区，要降低接地电阻，必须采取有效的措施。

2高土壤电阻率地区的接地问题处理

2.1施工前必须对土壤电阻率进行判定

所谓土壤电阻率，就是1m3土壤电阻值，从表2人工接地体工频接地电阻的简易计算公式可知，接地电阻的大小在接地方式一定的条件下，主要与土壤电阻率有关，土壤电阻率越低，接地电阻越小，土壤电阻率越高，接地电阻越大。

在铁路工程中，由于电气设备、电力线路的设置受铁路线的制约，电气设备及电力线路所处位置地质条件千差万别，即使在同一车站土壤电阻率也各不相同（如宜万铁路、京九铁路麻九段，金温铁路等）。因此，施工前，要知道接地电阻能否达到要求，就必须对土壤电阻率进行判定，以便选择合适的降阻方法和避免不必要的返工。

接地体型式 简易计算公式 备注

垂直式 R=0.3ρ 长度3m左右的接地体

单根水平式 R=0.3ρ 长度60m左右的接地体

复合式（接地网） R=0.5ρ/ S-大于100m2的接地网面积

ρ-土壤电阻率

实测的方法是将一根长1m，直径为25mm的园钢打入地下，先测得接地电阻R，然后根据以下公式计算土壤电阻率：

ρ=2πLR/Ln4L/d

式中 ：ρ-土壤电阻率（Ω·m）；

L-圆钢的埋入长度（m）；

d-圆钢的直径（m）；

R-测得的电阻值（Ω）。

由于季节的不同，所测量计算出的土壤电阻率，并不一定是一年中的最高值，所以施工中还应按下式加以修正：

ρ1=Ψρ

式中 ：ρ1-施工所需土壤电阻率；

ρ-测量计算所得土壤电阻率；

Ψ为土壤电阻率季节系数，它与土壤性质、干湿条件有关，具体数据可从设计手册查得。

当土壤电阻率被判定为高土壤电阻率时，就必须采取非常规的接地方式。

2.2采取外引接地法施工

即当电气设备附近有电阻率较低的土壤时，用较长的接地线引至低电阻率土壤中再接地，或附近有河流、湖泊等水源，将接地线引至水中，敷设水下接地网。水下接地网须焊成闭合环并在水底加以固定，由于受季节影响小，接地电阻比较稳定，因此，水下接地网是一种良好的降阻方法。外引接地法的优点是经济、简单、施工方便，且能有效达到降阻的效果。但采用这种方法必须注意以下问题：

1）外引接地的距离（即引线的长度）是有一定的要求的，它决定于大地土壤电阻率和电性参数。例如，当电阻率相对不很高，接地线周围的泄露电导相对较低，如接地线过长，其末端电位已很低，此时与接地线末端相连的外引接地装置就不能起到降低接地冲击电阻的作用，因此施工时外引接地线的最大长度Lmax应为[1]：

Lmax（0.0265-0.053）ρr

式中：ρ- 土壤电阻率；

εr- 地的相对介电系数，一般地区可取εr=9。

2）接地带外引，必然导致高电位外引，当有接地电流通过接地线时，就会在接地线上产生较高电位，人若在这一地区行走，且跨步电压大于允许跨步电压，Vo=50+0.2ρb（ρb为人脚站立处地面的电阻率）时，就会使人发生触电的危险。即使跨步电压一时满足了要求，但在雷雨时，由于地表电阻率一时降低，最大允许跨步电压降低，也可能发生人体触电。因此，在人经常行走的地方敷设外引接地线时，应铺设砾石、沥青等高电阻率物质。

3）由于水中含有多种腐蚀物质及水的污染越来越严重，敷设在水中的接地体势必造成严重腐蚀，减少使用寿命，因而敷设在水中的接地体，必须进行热镀锌或加大钢材尺寸。

2.3使用降阻剂降阻施工

即对接地坑内的土壤进行化学处理，降低土壤电阻率，使接地电阻达到规定值，其施工方法如图1所示。

近年来，随着科技的发展，各种品牌的降阻剂应运而生，由于其具有吸水性、保水性、渗透性，使用后对降低阻值起到了一定的作用，但施工时必须考虑以下问题：

1） 由于生产和技术条件的限制，降阻剂性能目前还不稳定，有效率能达到多少，有效期究竟有多长，还没得到验证[1]，势必造成接地电阻不稳定而要进行维修，且工作量大，如用在变（配）电所接地网中，更换工作量将更大，而且大多变（配）电所接地网所处地面是硬化的。

2）使用降阻剂后，接地电阻满足了要求，但接地体的腐蚀又成为新的问题，我们知道，降阻剂主要化学成分PH值不能完全保证中性，因而会对接地体造成腐蚀，加上地中杂散电流、微生物腐蚀，势必造成接地装置运行寿命的缩短，表现为电气设备运行良好，尚在担负着供电任务，而接地装置却明显腐蚀、损坏，致使电气设备的安全运行受到威胁。

因而建议在选择降阻方法时，由于使用降阻剂维修量大，费工费时，不应成为首选，如选择使用，为了防腐，在施工中要加大接地体钢材的尺寸或进行热镀锌。从表4可以看出，热镀锌的钢材比不镀锌钢材腐蚀速度降低了几十倍。

其一，当附近没有置换材料时，使用起来费用高，工程量大；

其二，这种方法事实上只是局部改善了土壤电阻率及降低了接地体与土壤间的接触电阻，当气温升高、土壤干燥（象砾石地区，保湿性差），接地电阻值将升高，或冰冻时（永冻地区）接地电阻值将升高，因而其接地电阻不稳定。使用时必须考虑天气季节的影响，而加以选择。

2.5采取深埋垂直接地体施工

即在地下较低处，土壤电阻率较低时，深埋接地体，如图3所示。或有条件时用钻机钻孔，把钢管打入孔中，再将钢管周围灌满电阻率较低的泥浆等，如图4所示。

其优点是：

1）接地电阻值稳定。由于地层深处温度一年四季变化不大，不会因季节变化、水分蒸发、土壤干裂、冰冻而影响接地电阻；

2）安全可靠。把高电位引入到了地下，无须考虑跨步电压对人身的危害；

3）不受敷设范围影响。

但施工前必须考虑以下问题：

1）必须掌握有关的地质结构资料和地下土壤电阻率分布，以保证深埋接地体能在所处位置上收到较好的效果。

2）当深埋接地体2根或者超过2根时，要考虑接地体间的屏蔽效应。这是因为当接地电流通过接地体向大地深处传导时，还会受到其它接地体的散流影响。由于两极互相影响，两个接地体的电阻，并不等于它们本身电阻的并联值，而是它们电阻并联值的K倍（K为屏蔽系数，一般K=1~2），因此，施工时两根接地体要相距适当距离，最少不应小于5m，以减少屏蔽的影响。

对于深埋降阻法，往往认为是地下土壤电阻率较低的缘故，事实上并非如此，近年来的施工实践表明[3]，在上下土壤电阻率一样时（如岩石），深埋接地体也能达到降阻的目的，这是因为随着地层的深入，湿度越来越大，并且岩石的断层不断渗水，当接地体深入到地下水位，就相当于敷设在水中的接地体，由于水的电阻率为20Ω·m~100Ω·m，接地电阻值将大大下降。再者，由于接地体周围灌满了泥浆，降低了接地体与土壤的接触电阻，也使得接地电阻值降低。

2.6提高接地电阻允许值时的施工

从以上分析可知，在高土壤电阻率地区，无论采用何种降阻措施，都存在着一定的局限和问题，有时甚至不可能，不但技术上有困难，而且经济上不合理。从根本意义上讲，限制接地电阻到一定数值，目的是保证人身和设备安全，可是，为了人身和设备的安全，却不是仅仅依靠限制接地电阻值就能达到，还必须同时考虑跨步电压和接触电压。

为此，《铁路电力设计规范》根据电力部门的经验，在高土壤电阻率地区，允许电力设备的接地电阻提高到30Ω，发、变、配电所的接地电阻提高到15Ω。但发、变、配电所和电力设备单相接地后，接地装置的接触电压和跨步电压不应大于下列数值：

VC=50+0.05ρb

VO=50+0.2ρb

式中：VC-接触电压；

VO-跨步电压；

ρb-人体站立处地面的土壤电阻率（Ω·m）。

由以上可知，要使接地电阻值提高后，保证人身安全，必须提高人站立处地面的土壤电阻率，为此，在敷设接地装置时，应在地面铺设高电阻率的物质，以提高接触电压和跨步电压允许值。

3结论

虽然本文介绍的方法，均存在着一定的局限和问题，但作为目前的降阻措施，仍十分有效，施工时必须注意以下几点：

1）施工前对土壤电阻率必须进行判定，以便选择正确的接地方法和避免不必要的返工；

2）对接地方法要根据现场情况进行选择；

3）外引接地时，外引接地线必须满足要求，不宜过长；

4）外引接地时必须考虑跨步电压的影响。并在人可能行走触电的地方铺以砾石、沥青等高阻率物质；

5）使用降阻剂和敷设水下接地装置时要考虑防腐；

6）在土壤电阻率变化不大时，深埋接地体可降阻；

7）提高接地电阻允许值时，要提高接触电压和跨步电压允许值。

参考文献

[1]电力工程高压送电线路手册[M].水利电力出版社，1991，2.

[2]曹梅月.变电所地网技术的发展综述[J].中国电力，1997，7.

[3]王周安，曹永林.立体地网的建立及应用[J].中国电力，1996，1.

注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”