高山臺(tái)站接地降阻技術(shù)的研究及應(yīng)用

楊薇

（廣西南寧聯(lián)盾電氣有限公司，廣西 南寧 530000）

1 高山臺(tái)站工程特點(diǎn)

高山臺(tái)站一般都建設(shè)在地勢(shì)較高的山坡或山頂上，遠(yuǎn)離干擾區(qū)域，提高信號(hào)覆蓋率，是設(shè)備工作性質(zhì)和服務(wù)社會(huì)的需要，也是一項(xiàng)重要的民生工程。隨著科技不斷進(jìn)步，高山臺(tái)站電子設(shè)備精密度和自動(dòng)化程度越來(lái)越高，電子信息系統(tǒng)更新?lián)Q代很快，設(shè)備安全運(yùn)行要求隨之提高，特別是廣播電視轉(zhuǎn)播臺(tái)、通信基站已經(jīng)實(shí)現(xiàn)部分臺(tái)站無(wú)人值守。

高山臺(tái)站建設(shè)地勢(shì)較高是雷電極易選擇區(qū)，雷電對(duì)電子信息設(shè)備危害很大，其中設(shè)備各種接地處理以及接地電阻是否符合設(shè)備要求，很大程度也影響著設(shè)備的安全運(yùn)行。建設(shè)場(chǎng)地狹小，地質(zhì)結(jié)構(gòu)土壤電阻率較高，是高山臺(tái)站地理環(huán)境特性，因此，敷設(shè)接地裝置的接地電阻受占地面積和地質(zhì)土壤結(jié)構(gòu)很大的制約，解決接地降阻一直是老大難題。

2 接地降阻目的和意義

接地技術(shù)主要指將一些具有威脅性的強(qiáng)而過(guò)大電流，通過(guò)接地裝置瞬間引向大地，并將大地當(dāng)作導(dǎo)體中的一部分，接地裝置與大地整體兼容同時(shí)并具有獨(dú)特性，電阻整體相對(duì)較低，對(duì)應(yīng)的電容相對(duì)較大，可以充分確保過(guò)大過(guò)強(qiáng)的電流泄放過(guò)程，不會(huì)遭受各方面阻抗因素的影響而降低泄放效能，造成設(shè)備損壞等雷電安全問(wèn)題。接地系統(tǒng)電阻是該接地裝置將電流引入大地的阻抗值，這個(gè)阻值越小，對(duì)設(shè)備和人身來(lái)說(shuō)就越安全，反之，這個(gè)阻值變大，就會(huì)致使應(yīng)該導(dǎo)入大地的過(guò)電流散泄不良，造成設(shè)備和人員的傷害。

3 高山臺(tái)站機(jī)房設(shè)備接地要求

高山臺(tái)站設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)大都屬于電子信息系統(tǒng)設(shè)備，機(jī)房設(shè)備接地及建筑物防雷接地應(yīng)實(shí)現(xiàn)等電位連接和共用接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如果防雷接地，和交流工作接地、安全保護(hù)接地，以及直流工作接地，在工作的過(guò)程中，共同使用同一組接地裝置，則要將接地裝置的電阻值，設(shè)置為設(shè)備中規(guī)定的最小值。接地裝置應(yīng)首選該建筑物的自然接地體，當(dāng)自然接地體的接地電阻達(dá)不到要求時(shí)，應(yīng)增加室外人工接地體。高山臺(tái)站機(jī)房弱電設(shè)備較多，信號(hào)線路工作電壓一般較低，信號(hào)設(shè)備相關(guān)工作接地、安全保護(hù)接地的電阻要求也相應(yīng)較低。國(guó)家現(xiàn)行的防雷規(guī)范各種安全接地電阻要求如下。

（1）交流工作地。這里指通信系統(tǒng)使用的交流工作地。交流工作地實(shí)質(zhì)上是中性點(diǎn)接地，要求接地電阻≤4Ω。

（2）直流工作地。通信系統(tǒng)的邏輯參考地，同時(shí)又是系統(tǒng)中數(shù)字電路的等電位地，其接地電阻按系統(tǒng)具體要求確定。

（3）安全保護(hù)地。電子設(shè)備在某種故障狀態(tài)下，其金屬外殼可能會(huì)帶電或者短時(shí)帶電，為防止這種電壓危及人身和設(shè)備安全而設(shè)的接地，要求接地電阻≤4Ω。

（4）防雷接地。包括建筑物防雷裝置接地和電氣電涌保護(hù)器的接地，其接地電阻≤4Ω。

（5）屏蔽體接地。電子設(shè)備運(yùn)作過(guò)程中，為了避免外來(lái)電磁場(chǎng)和對(duì)應(yīng)的電器回路之間，發(fā)生直接電磁耦合現(xiàn)象，主要選用屏蔽接地，有效降低了存在于回路中串流造成的影響。如機(jī)房各方面進(jìn)行屏蔽網(wǎng)接地，將電子設(shè)備屏蔽殼體以及電子設(shè)備內(nèi)、外的屏蔽線接地均為屏蔽接地。屏蔽接地電阻也應(yīng)≤4Ω。

（6）防靜電接地。關(guān)鍵是為了避免靜電，對(duì)電子設(shè)備運(yùn)行造成干擾，而設(shè)置的一種接地系統(tǒng)。經(jīng)典接地電阻通常情況下，不超過(guò)100Ω。

（7）功率接地。就是將交直流造成的干擾泄入大地的接地，電源回路相對(duì)電子回路來(lái)說(shuō)是強(qiáng)功率，所以稱為功率接地。當(dāng)然，電子設(shè)備中安裝的交直流濾波器，就是消除強(qiáng)功率電路造成的干擾，濾波器的接地也屬于功率接地，其接地電阻的大小依信息系統(tǒng)的要求來(lái)確定。

高山臺(tái)站電子信息系統(tǒng)的各類接地應(yīng)采取共用接地網(wǎng)，等電位聯(lián)結(jié)的方式，盡可能實(shí)現(xiàn)機(jī)房設(shè)備間等電位接地連接，降低電位差，保障設(shè)備及人身的安全。但土壤電阻率較高的臺(tái)站，考慮到經(jīng)濟(jì)成本與其重要性，可適當(dāng)放寬接地電阻值的要求，多數(shù)情況滿足4歐以下即可。

4 實(shí)施高山臺(tái)接地裝置的分析

假設(shè)在某高山臺(tái)站上均勻土壤，接地規(guī)格型材以及埋設(shè)深度都符合有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，敷設(shè)一組復(fù)合式人工接地網(wǎng)，工頻接地電阻滿足4Ω，通過(guò)簡(jiǎn)易計(jì)算，采用公式：

式中，S 為大于100m2的閉合接地網(wǎng)的面積；r 為與接地網(wǎng)面積S 等值的圓的半徑，即等效半徑（m）；ρ 為取值對(duì)照GB/T 50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄J 土壤和水的電阻率參考值，土質(zhì)類別“上層紅色風(fēng)化黏土、下層紅色頁(yè)巖”電阻率近似值ρ=500Ω.m（30%濕度），巖石類別“多巖山地”電阻率近似值ρ=5000Ω.m，作為計(jì)算參考值。

當(dāng)土壤電阻率ρ=500Ω.m，滿足接地電阻4Ω，等效接地面積S ≈3906m2，其等效半徑r 約35m，直徑70m；根據(jù)既定土壤電阻率ρ=500Ω.m，接地體的有效長(zhǎng)度為有效長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于能實(shí)現(xiàn)接地電阻4Ω 的直徑長(zhǎng)度。若以Le 作為復(fù)合式人工地網(wǎng)最長(zhǎng)端線，即等效半徑r=D/2=Le/2=22.5m；將已知數(shù)值代入公式計(jì)算，敷設(shè)等效圓形閉合人工接地網(wǎng),工頻接地電阻值為6.2Ω；同樣計(jì)算方法，當(dāng)土壤電阻率ρ=5000Ω.m，接地體有效長(zhǎng)度為敷設(shè)等效圓形閉合人工接地網(wǎng),工頻接地電阻值約為20Ω。綜上所述計(jì)算數(shù)據(jù)，高山臺(tái)站在有限占地范圍內(nèi)，參考比較理想地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件（ρ=500Ω.m），采用常規(guī)接地體敷設(shè)復(fù)合式人工地網(wǎng)，工頻接地電阻基本不能滿足R ≤4Ω。以上計(jì)算僅為模擬計(jì)算值，設(shè)計(jì)和施工項(xiàng)目應(yīng)以實(shí)地測(cè)試結(jié)果數(shù)值為依據(jù)。實(shí)踐證明，高山臺(tái)站地理?xiàng)l件比較復(fù)雜，地質(zhì)層多樣化且土壤電阻率分布極不均勻，建臺(tái)征地范圍都相對(duì)狹小，特別是通信基站征地半徑絕大部分不超過(guò)20m，這樣特殊條件下敷設(shè)接地體實(shí)現(xiàn)低電阻值難度可想而知。當(dāng)然，影響接地體接地電阻值還包含很多因素，但起主導(dǎo)作用還是接地體占地面積S 和所處土壤電阻率ρ。

5 高山臺(tái)站接地降阻的應(yīng)用

如何降低接地電阻值，應(yīng)評(píng)估實(shí)際土壤狀況因地制宜，結(jié)合科學(xué)技術(shù)和實(shí)用經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)接地目標(biāo)。參考GB50169-2016《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》4.4.1 條款，在高土壤電阻率地區(qū)，可采用下列措施降低接地電阻。

（1）在接地網(wǎng)周圍，若是存在相對(duì)較低的電阻率土壤，通常增加敷設(shè)外引接地網(wǎng)，或者是通過(guò)向外延伸，來(lái)實(shí)現(xiàn)接地體。

（2）如果地下較深處，土壤的電阻率相對(duì)較低，或者是地下的整體水資源相對(duì)豐富，并且水位相對(duì)較高，這個(gè)時(shí)候，可以通過(guò)深/斜井接地極，或者是深水井接地極。

（3）敷設(shè)水下接地網(wǎng)。特別是水利發(fā)電廠接地體統(tǒng)建設(shè)及運(yùn)用，一般可以在多個(gè)區(qū)域敷設(shè)人工接地網(wǎng)，例如，水庫(kù)、下游河道，或者是附近水源中的最低水位以下區(qū)等。

（4）填充電阻率較低的物質(zhì)。要對(duì)各種降阻材料及方法都進(jìn)行深入研究，通常對(duì)于環(huán)境具有特定的要求，對(duì)于不同地域、不同的環(huán)境條件下，要采用適宜的降阻填充材料，才能提高降阻效率。除此以外，所有方法本質(zhì)上并非孤立的，如果能做到彼此配合，將會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)降阻效果。

針對(duì)高山臺(tái)站地質(zhì)及環(huán)境特點(diǎn)，結(jié)合GB50169-2016《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》有關(guān)接地降阻措施理論指導(dǎo)，闡述如何因地制宜敷設(shè)地網(wǎng)有效降低電阻的實(shí)施。

高山地質(zhì)土壤多樣化，不同地域山體泥土化發(fā)育程度有很大差別，有的是地表植被很少并裸露堅(jiān)硬巖石山，有的是地表植被較多土層較厚深層巖石占比較高的土石山。高山臺(tái)站無(wú)論建設(shè)在哪類山體，地坪面積都較小，坡度大，水土流失嚴(yán)重，相對(duì)開(kāi)闊平坦地區(qū)土壤電阻率較高。

采用具有電阻率較低土壤的山腳下敷設(shè)外引接地網(wǎng)或延伸接地體，結(jié)合填充電阻率較低物質(zhì)的辦法，由于山體坡陡泥土層較淺，當(dāng)遇到大雨，水土流失快，很容易造成坡度較大處引外接地體裸露于地面上，不僅施工難度大成本高，而且接地降阻效果并不理想。

采用埋設(shè)電解離子接地極及類似產(chǎn)品，利用金屬管內(nèi)導(dǎo)電電解質(zhì)溶液滲漏到地下泥土層或巖石縫，獲取增大接地導(dǎo)體與土壤接觸面積，從而降低接地電阻。但電解離子接地極金屬管內(nèi)電解質(zhì)容量畢竟有限，可導(dǎo)電溶液滲透范圍也是有限的，加上一定時(shí)間后大地各種電化學(xué)反應(yīng)其效用能保持多久，須進(jìn)一步考究和斟酌；何況目前市場(chǎng)上此類產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，價(jià)格相對(duì)昂貴，用量過(guò)少，接地降阻效果不明顯，用量達(dá)到設(shè)計(jì)要求投資成本也很高。

采用深井式或深鉆式深埋接地極結(jié)合灌注低電阻率物質(zhì)降阻措施，通常情況下，效果也是顯著的。深孔（井）降阻的意義是將接地系統(tǒng)從平面空間延伸到三維空間，使有效的泄放區(qū)域增加至多通道多深度多維度的立體空間，雷電的泄放能力明顯增加。另外，在采用深孔（井）技術(shù)的過(guò)程中，要對(duì)以下幾個(gè)方面予以充分重視：①要對(duì)地質(zhì)情況以及地下土壤電阻率的分布情況充分掌握，盡可能地確保深孔（井）降阻發(fā)揮最大效能。②通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃C明，如果敷設(shè)人工接地網(wǎng)的地坪受限，深井接地極的數(shù)量和深度的設(shè)計(jì)是有嚴(yán)謹(jǐn)要求的。如果兩深孔（井）的間距小于其長(zhǎng)度，可能會(huì)形成屏蔽作用，因此，深井?dāng)?shù)量和深度與降阻效率不成正比，確切地說(shuō)，面積受限的情況下，只采用深孔（井）一種降阻措施未必是最佳的選擇，且投入成本較高。③對(duì)于相對(duì)完整的堅(jiān)硬巖石區(qū)域，可考慮深孔爆破，灌注電阻率較低物質(zhì)，能在一定程度上改善接地電阻。深孔爆破施工技術(shù)和安全性要求較高，且實(shí)施前須經(jīng)相關(guān)單位審批，對(duì)高山臺(tái)站接地應(yīng)用無(wú)必要時(shí)，不建議采用此辦法。

以上幾種關(guān)于降阻措施均有一定的效果，但也存在極限性。結(jié)合高山臺(tái)地質(zhì)環(huán)境，利用設(shè)備機(jī)房樓四周有限地坪，一種可長(zhǎng)期改善土壤電阻率，并具備持久性、高效性、低成本特性的措施應(yīng)是高山臺(tái)站人工接地網(wǎng)最理想的降阻措施。眾所周知，土壤的含水率和易導(dǎo)電物質(zhì)成分越高，其土壤電阻率就會(huì)越低，從而接地降阻的目的更易實(shí)現(xiàn)。高山臺(tái)站水土流失嚴(yán)重，土壤相對(duì)干燥是不爭(zhēng)的事實(shí)，那么設(shè)計(jì)一種集水式接地深孔（井），深孔（井）內(nèi)垂直埋設(shè)金屬管（如銅管、不銹鋼管、銅包鋼管、熱鍍鋅鋼管等）作為垂直接地極，并在金屬管內(nèi)灌注無(wú)毒無(wú)污染且具備長(zhǎng)期保水物質(zhì)，利用其不易解體的半固體性和良好吸放水可逆性，源源不斷地向周圍土壤滲透放水，可維持深孔接地極四周大片土壤長(zhǎng)期處于濕潤(rùn)狀態(tài)。為了增強(qiáng)土壤傳導(dǎo)性，在灌注保水物質(zhì)的同時(shí)拌合物理化學(xué)性能穩(wěn)定、無(wú)毒無(wú)污染、無(wú)腐蝕性的電離子物質(zhì)，通過(guò)水為載體將電離子物質(zhì)逐步滲透到土壤深處，實(shí)現(xiàn)改良土壤電阻率和擴(kuò)大有效的泄放面積。集水式深孔（井）接地極上部是一個(gè)蓄水缸稍低于水平地面敷設(shè)，缸底部設(shè)計(jì)一個(gè)滲水器，使集到的水分緩慢滲漏至深孔（井）中。如集水問(wèn)題可利用自然雨水和設(shè)備機(jī)房長(zhǎng)期開(kāi)啟空調(diào)機(jī)自然生成的空調(diào)水均可。旱季時(shí)，也可人為澆灌生活用水至蓄水缸中，使其保持一定的土壤濕度，只要在施工工藝上加以處理便可實(shí)現(xiàn)。蓄水缸應(yīng)采用不銹鋼預(yù)制構(gòu)件制作而成，并配備非金屬漏水蓋。必要時(shí)，可通過(guò)集水井金屬管口重新加注保水材料和電解質(zhì)，確保其蓄水性能，形成可重復(fù)蓄水式降阻設(shè)施，以達(dá)到接地最佳降阻效果。應(yīng)當(dāng)注意的是，接地極深孔（井）挖鉆深度應(yīng)根據(jù)高山地質(zhì)條件，宜選擇挖鉆到土壤較低電阻率層即可。

目前，降阻材料在我國(guó)接地較為廣泛，但效果不盡如人意，接地降阻措施也呈多樣性，不同的實(shí)施項(xiàng)目應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂颉⒌刭|(zhì)環(huán)境、投資需要選用最佳方式。可重復(fù)使用蓄水式降阻措施其優(yōu)點(diǎn)突出，填充降阻材料不因降水而被沖刷，理論使用年限10 年以上，在高山臺(tái)站實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的降阻效果。

6 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合我國(guó)高山臺(tái)站接地技術(shù)的建設(shè)要求，具體分析了高山臺(tái)站接地網(wǎng)敷設(shè)形式和降阻難點(diǎn)，參考有關(guān)接地技術(shù)規(guī)范和文獻(xiàn)，總結(jié)適宜高山臺(tái)站環(huán)境氣候接地降阻的措施。現(xiàn)階段，高山臺(tái)站建設(shè)蓬勃發(fā)展，項(xiàng)目安全接地、工作接地和防雷接地等技術(shù)要求越來(lái)越高，在工程建設(shè)中占據(jù)著重要的位置。因此，應(yīng)該不斷對(duì)接地技術(shù)的應(yīng)用以及操作情況進(jìn)行研究和分析，按照新時(shí)期高山臺(tái)站的建設(shè)要求，選擇合適的接地降阻措施，提高應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害能力，保護(hù)周圍環(huán)境，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)有效的設(shè)計(jì)和施工，從而促進(jìn)高山臺(tái)站工程安全、健康可持續(xù)發(fā)展。