長距離電纜隧道接地系統設計

李 旭

(中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200063)

隨著城市化發展，電力電纜采用隧道敷設方式，既避免了占用城市地面空間，又充分利用地下空間，得到越來越廣泛的推行。電纜隧道接地系統作為電纜隧道中重要的人身設備安全措施，需著重考慮。常規電纜隧道接地系統分為盾構接地系統與人工接地系統[1]2種方式。盾構接地系統由隧道外表面外露的鋼筋作為接地體，所有的外露鋼筋相連組成一個接地網；人工接地在隧道工作井及附近敷設接地體，所有的接地體互連組成的一個接地網。盾構接地系統具有結構簡單，節省費用的優點，但組成隧道的混凝土管片需預制外露鋼筋，對管片工藝制作要求較高；人工接地系統具有設計靈活，對管片工藝無要求的優點，但需選擇合適的接地體材質及接地體布置方案，從而達到接地電阻的設計要求。

某電纜隧道工程長度為7 km，12個隧道工作井沿線均勻布置，要求采用人工接地系統。以下以該電纜隧道工程為例，根據工程實際條件，闡述如何選用最優的方案來設計人工接地系統。

1 接地系統的設計要素

接地系統作為保護人身與設備安全的措施，主要包含接地電阻值Rn選取，跨步電壓Us和接觸電壓Ut的選擇[2]，由外部要素和內部要素共同決定。外部要素分為:所處的土壤性質及土壤電阻率p；流過的短路電流Ig。內部要素分為:接地體的材質；接地網的面積S。設計中需要考慮這兩方面因素，才能做出符合要求的接地系統。

1.1 外部因素對接地系統的影響

接地網所處的土壤酸堿性對接地體金屬有腐蝕作用，因此對接地系統內部要素有較大影響。金屬腐蝕主要分為化學腐蝕、電化學腐蝕和微生物腐蝕[3]。電化學腐蝕是接地體腐蝕的主要原因，分為電偶腐蝕、雜散電流腐蝕。電偶腐蝕即為埋入地下的接地金屬體與土壤中的其他金屬體形成電位差，組成腐蝕電池。電子從電位低的金屬流向電位高的金屬，電位低的金屬陽離子溶解于土壤地下水中，形成了腐蝕。雜散電流腐蝕即為連接到接地體的電氣設備，有泄漏電流流入大地，泄露電流流過接地金屬會有電解發生，從而腐蝕接地體[4]。酸性土壤對銅材質接地體腐蝕較大，堿性土壤對鋼材質接地體腐蝕較大。常規接地體材質分為鋼、銅和銅覆鋼。故酸性土壤中接地體材質適宜選用鋼，堿性土壤中接地體材質適宜選用銅、銅覆鋼。

土壤電阻率對接地系統電阻值的取值有較大的影響。根據接地電阻值、跨步電壓和接觸電壓的計算公式，在其他條件相同的情況下，土壤電阻率越大，接地電阻值、跨步電壓和接觸電壓也越大。良好的接地系統，上述3個取值在符合要求的情況下越小越好。

流過的短路電流決定了接地系統中接地電阻值的限值。在電力系統中，短路保護開關可承受的短路容量有一個最大限制。根據短路容量和流過的短路電流，可以計算出接地電阻最大限值。若接地系統的接地電阻值大于最大限值，則在電網短路情況發生后，接地保護開關需承受的短路容量可能會超過最大限值，輕者會導致保護斷路器不能跳閘，失去作用，重者會導致開關燒毀，造成更大的設備和人員傷亡。

1.2 內部因素對接地系統的影響

接地體的材質對接地系統中接地電阻有較大影響。因電流通過金屬后會產生一定熱量，金屬材質的導體承受一定短路電流的熱作用而不發生熱損壞的能力，用熱穩定性系數來表示。相同截面積條件下，接地體熱穩定系數越低，所能流過的短路電流也越低，該接地系統中電阻值也相應的越大。常規接地體的材質中，銅材熱穩定系數最高，銅覆鋼材熱穩定系數居中，鋼材熱穩定性系數最低。接地網面積也對接地系統中接地電阻有直接的影響。因短路電流通過接地系統后，需要經接地體流入大地中，接地網的面積越大，接地體與大地的接地面積也越大，如多條接地體并聯接入大地，總的接地網電阻值也相應越小。

2 電纜隧道接地系統中存在的問題及解決方法

在該電纜隧道工程某工作井底部的土壤電阻率為1 600Ω·m，根據上述可知，土壤電阻率越大，接地電阻也越大，經計算，接地系統的電阻值達16Ω，遠超過規程要求的接地電阻值1Ω[5]。為達到符合要求的接地電阻值，從影響接地系統內外部因素出發設計以下2種方案:直接降低土壤電阻率；增加接地網的面積。

2.1 降低土壤電阻率方法

該方案分為更換導電率良好的粘土、增加降阻劑、增設離子接地體[2]，從現場條件和技術可行性兩方面來選用。該電纜隧道工作井地深度為離地18 m以上，工作井底部開挖難度較大，更換導電率良好的粘土工程量巨大，現場條件也不容易實現。采用填埋降阻劑、增設離子接地體措施，對高土壤電阻率地區，對降低土壤電阻率有極限，達到極限以后，增加類似的措施也不能有效降低土壤電阻率。根據降阻劑、離子接地體廠家資料，經計算，接地電阻值最多能降低到4Ω左右，不能再進一步降低到規程要求值內。

2.2 增加接地網的面積方法

該方案分為擴展隧道工作井底部面積為接地網面積、擴展工作井頂部地面面積為接地網面積2種方案，同樣需從現場條件和技術可行性選用。隧道工作井深度較大，擴大底部面積土方開挖等工程量大，現場條件不滿足，故不能增加工作井地下面積。增加工作井頂部地面面積方案可行，因隧道工作井頂部出口面積很小，表面其余區域覆蓋為深度不少于3 m的回填黏土，開挖也較容易，故選擇擴展隧道工作井頂部區域作為接地網面積的方案。

經計算，選用12個隧道工作井頂部地面面積作為接地網的一部分，與工作井底部接地網相連，組成的總的接地網面積達到4 060 m2，平均土壤電阻率為154Ω·m，計算得到接地電阻值為0.44 Ω，小于規定值1Ω，滿足規程要求。

3 隧道接地體材質的選擇

接地體材質需要根據土壤腐蝕性、熱穩定系數、價格等要素來選擇，需要對3種要素進行技術和經濟比較。

3.1 技術角度選材

從技術上來考慮，土壤腐蝕性和熱穩定系數這兩者確定了接地體材質的選擇范圍。根據工程勘察報告，隧道工作井底部的土壤水p H值為6.99～7.08，具有弱腐蝕性。最大短路電流值Ig為33 k A。故根據前文論述，宜選用銅覆鋼圓線、純銅絞線。

3.2 經濟角度選材

從經濟上來考慮，不同材質的接地體截面的選取均需滿足接地系統中的接地電阻值，跨步電壓和接觸電壓要求。

本工程總接地網面積S=4 060 m2；總接地網外邊緣線長度L0=1 337 m；總接地網水平接地體總長度L=2 561 m；短路電流的等效持續時間t=1 s；鍍鋅鋼的密度ρ1約為7.85 g/cm3，銅覆鋼的密度ρ2約為7.85 g/cm3，純銅的密度ρ3為8.9 g/cm3；鍍鋅扁鋼的市場價格K1約為4.15元/kg，銅覆鋼圓線的市場價格K2約為11.35元/kg，純銅絞線的市場價格約為48.00元/kg。

鍍銅扁鋼接地體的截面Sg1≥472 mm2，選用60×8 mm規格的熱鍍鋅扁鋼；接地電阻Rn1=0.446Ω＜1Ω，最大跨步電壓Usmax2=58.61 V＜741.05 V=Us，最大接觸電壓Utmax2=93.32 V＜366.28 V=Ut。

銅覆鋼圓線接地體的截面Sg2≥278 mm2，選用φ20 mm規格的銅覆鋼圓線；接地電阻Rn2=0.446Ω＜1Ω，最大跨步電壓Usmax2=58.61 V＜741.05 V=Us，最大接觸電壓Utmax2=93.32 V＜366.28 V=Ut。

純銅絞線接地體的截面Sg3≥133 mm2，選用150 mm2規格的純銅絞線；接地電阻Rn3=0.448 Ω＜1Ω，；最大跨步電壓Usmax3=56.84 V＜741.05 V=Us，最大接觸電壓Utmax3=97.43 V＜366.28 V=Ut。

3.3 接地材料選擇

不同材質的接地體的選取在滿足技術條件和截面選定后進行經濟上比較。3種材質的接地體材料總價如下:

對熱鍍鋅扁鋼，V1=P1L1=39 977.21元；其中P1=K1M1，M1=3.77 kg/m。

對銅覆鋼圓線，V2=P2L2=71 784.83元，其中P2=K2M2，M2=1.34 kg/m。

對純銅絞線，V3=P3L3=164 723.52元，其中P3=K3M3，M3=48.00 kg/m。

以鍍鋅扁鋼接地體為基準，純銅絞線、銅覆鋼材質的接地體材料總價分別為其4.12倍、1.8倍。

由技術經濟比較可知，該電纜隧道工程在所處土壤弱堿性情況下，銅覆鋼材質的接地體在技術上能滿足要求，經濟上適中，是最佳選擇。

4 結束語

電纜隧道人工接地系統的設計，采用隧道工作井頂部地面作為接地網，利用技術經濟比較選擇接地體材質，在節省了接地系統的造價的同時，既解決了常規只在隧道工作井底部設置接地網面積不足問題，又充分利用了隧道工作井頂部的空閑地面空間。電纜隧道人工接地系統還需考慮擴展的接地網避讓已有管線，同時結合電纜隧道周圍環境，跨接到電纜隧道周邊可利用的已有接地體上。