三維地網(wǎng)在戈壁地質(zhì)條件下接地施工中的應(yīng)用

常生文,王金泉

(1.昌吉回族自治州氣象局，新疆 昌吉 831100;2.漳州市氣象局，福建 漳州363000)

三維地網(wǎng)在戈壁地質(zhì)條件下接地施工中的應(yīng)用

常生文1,王金泉2

(1.昌吉回族自治州氣象局，新疆 昌吉 831100;2.漳州市氣象局，福建 漳州363000)

為確保人身安全和電氣設(shè)備的正常運(yùn)行,接地網(wǎng)有著重要的作用。在高土壤電阻率的戈壁地質(zhì)條件下，采用常規(guī)接地設(shè)計(jì)，難以滿足接地網(wǎng)對(duì)接地電阻的要求。應(yīng)用三維地網(wǎng)技術(shù)，采用“統(tǒng)一長(zhǎng)度，少根深鉆”的敷設(shè)方法對(duì)新疆特變電工超高壓實(shí)驗(yàn)室接地網(wǎng)接地電阻進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，有效降低了接地網(wǎng)的接地電阻，保證了設(shè)備的安全運(yùn)行。

三維地網(wǎng);戈壁地質(zhì);接地電阻

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.012

1 引言

在高土壤電阻率地區(qū)采用常規(guī)接地設(shè)計(jì)，難以滿足接地網(wǎng)對(duì)接地電阻的要求。三維地網(wǎng)技術(shù)是在水平接地網(wǎng)基礎(chǔ)上把多根經(jīng)過(guò)計(jì)算深度、位置、根數(shù)的超長(zhǎng)垂直接地極打入地下深處，并與水平接地網(wǎng)連接起來(lái)，在地下深層與水平接地網(wǎng)形成半球散流的接地網(wǎng)。通過(guò)敷設(shè)超長(zhǎng)度的垂直接地極經(jīng)低土壤電阻率物質(zhì)、地下水系散流，能有效降低接地網(wǎng)的接地電阻。特別是在地表層為高土壤電阻率而下層土壤電阻率小或者是地下水位較淺的地方是一種行之有效的降低接地電阻的方法。

2 戈壁灘地質(zhì)概況

戈壁在蒙古語(yǔ)的原意是指“土地干燥和沙礫的廣闊沙漠”。戈壁灘也用來(lái)指沙漠邊緣的一種地貌形態(tài)，是粗砂、礫石覆蓋在硬土層上的荒漠地形，主要由礫石和較粗沙粒組成。按成因戈壁可分為風(fēng)化的、水成的和風(fēng)成的3種。其地表主要特征是滲透性極好，地表缺水，植物稀少，僅生長(zhǎng)一些紅柳、駱駝刺等耐旱植物。我國(guó)的戈壁灘主要分布在新疆、青海、甘肅、內(nèi)蒙和西藏的東北部等地。

3 新疆特變電工位置地質(zhì)概況

新疆特變電工位于天山北麓山前平原之上，昌吉市烏伊路以南。據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查資料顯示，區(qū)域內(nèi)蘊(yùn)藏有豐富的孔隙潛水和承壓水，以及沙漠低墊層水。潛水分布廣泛，但在不同的地段含水層巖性有所不同，含水差異較大。潛水含水層自山前地帶向北埋藏深度由深變淺。

特變電工超高壓實(shí)驗(yàn)室表層土壤電阻率平均值為1850Ω·m，沿建筑物四周有50m×50m可用于接地網(wǎng)敷設(shè)的位置，0.8m以下可見(jiàn)較為均勻的硬土層，隨著深度的增加土質(zhì)顆粒較為細(xì)膩，濕度略有增加，土壤電阻率較低。

4 三維地網(wǎng)的選取原則

在戈壁地質(zhì)條件下，因其地表干燥，淺表層的粗砂、礫石土壤電阻率高，但是，其下層有硬土層，有地下水位的分布，土壤電阻率較低，應(yīng)充分利用深層土壤、地下水位分布的特點(diǎn)來(lái)降低接地網(wǎng)的接地電阻。對(duì)這種不均勻多層的土壤結(jié)構(gòu)，采用加長(zhǎng)垂直接地極具有明顯的降低接地電阻作用。對(duì)特變電工超高壓實(shí)驗(yàn)室接地工程，施工方案采用“統(tǒng)一長(zhǎng)度，少根深鉆”的三維地網(wǎng)敷設(shè)方式，合理地選取垂直接地極的長(zhǎng)度、位置和根數(shù)，設(shè)計(jì)符合安全要求的接地網(wǎng)。

5 垂直接地極長(zhǎng)度的選擇

在戈壁多層土壤中，垂直接地極長(zhǎng)度其利用率和降阻率的影響與均勻土壤有較大的差別。它隨著土壤各層土壤電阻率、土壤濕度、地下水位等因素的變化而變化，對(duì)于不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，其具有不同的降阻效果。垂直接地極長(zhǎng)度的選取，首先，要考慮區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)情況；第二，要考慮垂直接地極長(zhǎng)度與水平地網(wǎng)的等值半徑的關(guān)系。太短了達(dá)不到一定的長(zhǎng)度就等于是水平接地網(wǎng)材料增加厚度而已，降阻效果不明顯。但也不是埋得越深越好，當(dāng)接地極長(zhǎng)度加長(zhǎng)到一定長(zhǎng)度后，接地電阻呈飽和狀態(tài)，降阻率趨近于零。而且，增加接地極長(zhǎng)度浪費(fèi)材料、鉆探施工難度大、工程成本高，在實(shí)際的施工中要綜合考慮工程量和經(jīng)濟(jì)性。

從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)角度考慮，增加垂直極長(zhǎng)度時(shí)，除了要考慮降阻率以外，還要考慮其利用率。定義單位長(zhǎng)度利用率來(lái)作為衡量指標(biāo)：式中，R1為加入垂直極后的接地電阻；R2為水平接地網(wǎng)的接地電阻；L為垂直接地極長(zhǎng)度。

垂直接地極的長(zhǎng)度與水平地網(wǎng)的等效半徑接近相等時(shí)，即成為三維地網(wǎng)比例時(shí)，能取得較好的降阻效果，利用率最大，成本最小。垂直接地極利用率與長(zhǎng)度的變化關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

圖1 垂直接地極利用率與長(zhǎng)度的變化

特變電工超高壓實(shí)驗(yàn)室建筑物四周有50m×50m水平地網(wǎng)面積，綜合考慮特變電工超高壓實(shí)驗(yàn)室所處位置地質(zhì)條件、地下水位分布、水平地網(wǎng)的等效半徑等因素，垂直接地極長(zhǎng)度取60m，深井的鉆探孔徑為110～130mm,垂直接地極材料選用50mm×50mm×5mm熱鍍鋅角鋼焊接而成。

6 垂直接地極位置的選擇

根據(jù)三維地網(wǎng)技術(shù)，應(yīng)把垂直接地極敷設(shè)在水平地網(wǎng)邊角和外圍，不應(yīng)將垂直接地極敷設(shè)在地網(wǎng)內(nèi)，各接地極之間應(yīng)拉開(kāi)距離均勻分布，以減小垂直接地極間互相屏蔽，可提高垂直接地極利用率，最大限度降低接地電阻。

我們把垂直接地極敷設(shè)在高壓實(shí)驗(yàn)室水平地網(wǎng)外周的邊角，按位置順序：①-②-③-④-⑤-⑥分別打入垂直接地極（見(jiàn)圖2），就近與水平地網(wǎng)可靠焊接。每打入1支垂直接地極，逐一測(cè)試接地電阻值，見(jiàn)表1。

圖2 垂直接地極在水平地網(wǎng)上的敷設(shè)位置順序（單位：m）

隨著在不同的位置，打入垂直極根數(shù)的增加，接地電阻逐步降低。接地網(wǎng)的降阻效果可用降阻率ζ來(lái)表示：

式中，R1為加入垂直極后的接地電阻；R2為加入垂直極之前接地網(wǎng)的接地電阻。

表1 接地網(wǎng)降阻率隨垂直極根數(shù)和位置的變化

從表1可以看出，⑤號(hào)垂直接地極因與兩側(cè)接地極之間間隔較近降阻率明顯較小；⑥號(hào)垂直接地極因接地阻值的臨近，垂直極根數(shù)的增加降阻率逐漸趨于飽和。

7 垂直接地極根數(shù)的選擇

在已有水平地網(wǎng)的基礎(chǔ)上增加垂直接地極，當(dāng)垂直極長(zhǎng)度與水平地網(wǎng)等值半徑比值一定時(shí)，垂直極的降阻率隨垂直極的根數(shù)的增加而增加。但隨著根數(shù)的增加，降阻率逐漸趨于飽和，利用系數(shù)顯著降低。這時(shí)，再增加垂直極已沒(méi)有多大意義。只有適當(dāng)?shù)剡x取敷設(shè)根數(shù)才能使接地網(wǎng)接地電阻既能達(dá)設(shè)計(jì)要求又能經(jīng)濟(jì)合理。三維地網(wǎng)的接地電阻隨垂直極數(shù)量的變化曲線如圖3所示。

圖3 垂直接地極根數(shù)對(duì)接地電阻R的影響曲線

在水平地網(wǎng)邊緣敷設(shè)垂直接地極的根數(shù)具有飽和性。從圖3可以看出，4～8根是垂直接地極數(shù)量選取的理想根數(shù)。此時(shí)，不僅能獲得較高的降阻率，而且不會(huì)造成浪費(fèi)。

新疆特變電工超高壓實(shí)驗(yàn)室，設(shè)計(jì)要求地網(wǎng)接地電阻R≤0.5Ω。首先，深井鉆孔后垂直接地極打入根數(shù)從①---④號(hào)順序分別打入垂直接地極，并就近與水平接地網(wǎng)焊接，逐一測(cè)試每根焊接后的接地網(wǎng)接地電阻值，此時(shí)測(cè)量接地電阻R= 0.9Ω，接地電阻未達(dá)設(shè)計(jì)要求。工程中增加⑤號(hào)垂直接地極，并把水平接地極外引到實(shí)驗(yàn)室圍墻花臺(tái)空地，增加⑥號(hào)垂直接地極，直至接地電阻達(dá)到設(shè)計(jì)要求為止(見(jiàn)表2)。

表2 在不同位置增加垂直接地極根數(shù)時(shí)的接地電阻值

8 防腐降阻劑的使用

長(zhǎng)效防腐降阻劑是由幾種物質(zhì)配制而成的化學(xué)降阻劑，具有抗腐蝕和良好的導(dǎo)電性能，可以和水構(gòu)成水合離子化合物，便于地網(wǎng)周圍保水性的改善，增加接地網(wǎng)面積。處在戈壁地質(zhì)條件下的超高壓實(shí)驗(yàn)室地網(wǎng)，因四季的地下水位、土壤含水量變化大，接地網(wǎng)工程施工回填時(shí)，在水平接地網(wǎng)溝內(nèi)填加降阻劑，并讓降阻劑充分包裹水平接地極。在打入垂直接地極時(shí)，往地下深處灌注降阻劑，以保持超高壓實(shí)驗(yàn)室對(duì)接地電阻穩(wěn)定性的要求。

9 結(jié)語(yǔ)

無(wú)論是單層土壤還是多層土壤，垂直接地極應(yīng)敷設(shè)在水平地網(wǎng)外圍，可先從對(duì)角位置敷設(shè)，而且應(yīng)盡可能拉開(kāi)間距，使兩垂直接地極間互相屏蔽的作用盡可能減小。對(duì)于在戈壁地質(zhì)條件下上層土壤電阻率較高的土壤結(jié)構(gòu)，垂直接地極宜采用“少根深鉆”的敷設(shè)方法。垂直接地極的長(zhǎng)度宜大于或等于水平地網(wǎng)的等值半徑，垂直極根數(shù)一般在4～8根以內(nèi)。為減小季節(jié)對(duì)接地電阻穩(wěn)定性的影響，接地網(wǎng)均應(yīng)加注防腐降阻劑。

【1】鄭建文.呼圖壁縣西戈壁地區(qū)水文地質(zhì)條件研究[J].新疆有色金屬, 2011，4(2):34-35.

【2】劉力，孫結(jié)中.垂直接地體在立體地網(wǎng)中的敷設(shè)方式和降阻效果的研究[J].廣西電力技術(shù)，2001（4）：7-10.

【3】王金泉，盧鄒輝，林中永.三維地網(wǎng)在防雷接地施工中的應(yīng)用[C].中國(guó)國(guó)際防雷論壇，2008.

Application of Three-dimensionalGroundGrid in theGroundConstructionofGeological Condition in Gobi

CHANGSheng-wen1,WANG Jin-quan2
(1.MeteorologicalBureauofChangjiHuiAutonomousPrefecture,Changji 831100,China; 2.MeteorologicalBureauofZhangzhou,Zhangzhou 363000,China)

In order to guarantee the system short circuit current rapid loss in the power system,to ensure the personal safety and normal operation of electrical equipment grounding grid plays an important role.According to the conventional grounding design,it is difficult to meet the requirement of grounding resistance of grounding grid in high soil resistivity in Gobi geological conditions.Application of three-dimensional grid technology,the use of“unified length,less root deep drilling”method of laying ofXinjiang TBEAUHVlaboratory grounding grid design and construction,effectively reducing the grounding resistance of grounding grids and guarantee the safe operation of theequipment.

three-dimensionalgroundgrid；geologyofGobi；groundingresistance

TM727.2+2

B

1007-9467（2016）09-0057-03

2016-07-15

常生文（1972～），男，新疆昌吉人，工程師，從事防雷技術(shù)服務(wù)研究，（電子信箱）178405911@qq.com。