CDEGS系統在高速公路機電設施雷電防御中的應用

宋憲毅

(福州東南繞城高速公路有限公司，福建 福州 350001)

1 概述

高速公路機電設施的安全、穩定運行是維持高速公路正常運行的重要保證。雷擊事故是造成高速公路機電設施發生故障的重要原因之一。雷電是自然現象，無法避免，雷擊發生會產生巨大的能量，包括電能、熱能、機械能，會影響機電設施的正常運行，影響交通的順暢運行[1-2]。隨著省界高速收費站的取消、高速公路無人化通行的推廣，自動化收費設備將承擔收費站的收費工作，如果防雷措施不到位將造成收費系統故障，無法收費，將造成經濟損失，并造成不好的社會影響。因此，新形勢下高速公路機電設施的防雷工作的重要性就更加凸顯。接地網的性能是防雷工程的重要一環，本文將探討CDEGS系統在高速公路機電設施防雷接地設計中的應用，為防雷設計提供重要參考依據。

CDEGS是一款可進行接地建模仿真的大型軟件，可以根據土壤電阻率的測量值反演土壤的真實結構參數，可以進行接地網性能的評估，模擬雷擊作用下導體的電位、空間的磁場、地電位的抬升情況，這些功能對防雷評估、防雷設計具有重要的指導意義[3]。本文以福建省高速公路收費站為例討論CDEGS系統在高速公路雷電防御中的應用，旨在通過利用CDEGS系統優化指導高速公路機電設施的雷電防御能力，減少雷擊事故，保證高速公路的穩定、安全運行。

在防雷工程中，接地網是最重要的環節之一。接地網是對埋在地下一定深度的多個金屬接地極和由導體將這些接地極相互連接組成網狀結構的接地體的總稱。接地電阻是評價接地網性能好壞的指標之一[4]，影響接地電阻大小的原因有很多，土壤電阻率是其中之一。在土壤電阻率低的地方布設較少的接地極就能達到理想的接地電阻，而在土壤電阻率高、土壤結構復雜的地方，就需要加大對接地網的投入。有時為了達到合格的阻值，就必須加大對接地網的投入，盲目加強接地網的設計可能加大了接地網的工程投資。如果接地網的設計不足，會造成接地電阻無法達標，就必須對接地工程進行返工，同樣也是一種投資浪費。而利用CDEGS軟件可以通過建模仿真的方式，在設計期進行接地網性能的評估，預估接地網是否滿足要求，最大限度地避免加大工程和返工的資源浪費，在防雷工程設計中具有一定的指導意義。

2 技術路線

CDEGS系統可以實現土壤結構參數的反演，建立防雷接地網的物理模型，再將兩者結合進行接地電阻的分析評價。首先，根據溫納四極法進行土壤電阻的測量，為了提高土壤結構反演的精度，應在不同極間距下測量多組土壤電阻率數據，并利用土壤電阻率測量數據進行土壤結構參數的擬合反演，得到真實的土壤結構參數[5-6]，然后根據防雷接地設計圖紙進行接地網的建模，在模型中輸入反演得到的土壤結構參數，進行接地電阻的仿真分析。根據接地電阻分析結果可以判斷該防雷接地網的設計能否滿足要求，如果不滿足要求可以增加接地體，再進行仿真，直到接地電阻滿足為止，具體的技術路線見圖1。

圖1 技術路線圖

3 土壤電阻率測量

土壤電阻率的測量方法很多，如溫納四極法、地質判定法、雙回路互感法、自感法、線圈法、偶極法等。其中，溫納四極法是實際工程中最為常用的土壤電阻率測量方法，也是世界上公認最有效的測量方法。大量工程實踐證明其準確性能滿足工程計算要求，且這種測量方法所需儀表設備少，方便實際測量工作[7]。

采用溫納四極法測量土壤電阻率時，其接線如圖2所示，該方法測量得出的是測量電流所能流經深度的土壤電阻率的平均值。由外側電極C1、C2通入電流I，電極的埋深為l，電極間的距離為a。

圖2 溫納四極法測量原理圖

土壤電阻率可以通過下式得到：

式中：ρ—土壤電阻率(Ωm)；a—電極間的距離(m)；(Up1-Up2)—P1、P2極間的實測電壓(V)；R—實測土壤電阻(Ω)。

由公式可知，當a、l己知時，測量P1、P2兩極間的電壓和C1、C2間流過的電流，即可算出土壤的電阻率。

4 實例分析

本文以福州長樂鶴上收費站綜合樓為例，說明CDEGS在高速公路設施防雷中的具體應用方法。

4.1 土壤電阻率測量儀器

土壤電阻率檢測采用K-6470 N多功能大電流土壤電阻率測試儀。該測試儀是由法國CA公司制造，是歐洲測試、測量領域的領先設計制造商之一，其接地測試產品是按照法國電力公司的測試需求及國際現行標準設計制造，其精準穩定的測試性能和全面完善的功能設置，已成為業界的優選產品，所以選用該儀器進行土壤電阻率的測量工作，土壤電阻率測量儀器接線示意圖如圖3所示。

圖3 土壤電阻率測量儀器接線示意圖

4.2 土壤電阻率測試值

根據圖3接線進行土壤電阻率測量，極間距選取從0.1～20 m，受到場地本身的限制，極間距最大值選取為20 m。

4.3 土壤結構反演

根據土壤電阻率測量值，利用CDEGS軟件進行該項目的土壤結構參數反演工作，對土壤電阻率的測量值進行曲線擬合，根據擬合結果得到實際的土壤結構參數。用平均相對誤差來表征擬合效果的好壞，平均相對誤差表達式見下式，其中：Xc為擬合值，Xt為測量值，N為檢測組數。

根據反演結果計算擬合的平均相對誤差，計算結果為12.59%。圖4給出了土壤結構反演的擬合曲線，從曲線上看出擬合曲線基本與土壤電阻率測量點走勢一致，擬合效果可以滿足實際工程要求。表1給出了土壤結構參數反演值，可以看出，該地塊土壤結構為3層，上層和下層的土壤電阻率較小，中層的土壤電阻較大。

圖4 擬合曲線

表1 土壤結構參數反演值

4.4 接地網性能評價

4.4.1 接地網模型建立及接地電阻仿真

根據該項目的防雷設計圖紙(見圖5)，在CDEGS軟件中建立接地網模型，如圖6所示。在接地模型中設置土壤結構參數，將土壤結構參數設置成表1中的數值，然后進行接地電阻的仿真，仿真得到的接地電阻為：1.33 Ω。為了驗證該接地電阻的仿真值是否與實際值相符，對該建筑的接地電阻進行實地測量。

圖5 防雷接地網設計圖紙

圖6 接地網模型

4.4.2 接地電阻測量及驗證

該建筑的接地電阻實地測量值為1.03 Ω，與仿真結果相近。因此，利用該方法進行接地電阻仿真對實際工程具有一定的參考意義，可以用于指導實際的工程接地設計。根據防雷圖紙進行接地電阻的仿真校驗，可以評價所設計地網的接地電阻值能否達到預期的目標，當無法滿足預期目標時，可以改進接地網的設計，再次進行接地電阻的仿真驗證，直到接地電阻滿足預期目標為止。通過該方法，可以有效防止在建項目因接地電阻不合格返工造成的經濟損失，從而有效減少建設成本。

5 結語

本文闡述了CDEGS系統在高速公路防雷設計中的應用，并通過實際案例講述了具體的應用方法，并進行驗證。結果表明該軟件在接地電阻評估中具有一定的參考意義，可以利用該軟件進行接地電阻的性能評估，從而有效地指導防雷接地設計，提高高速公路機電設施的雷電防御能力，保證高速公路的安全穩定運行，提高經濟和社會效益。