高原某水廠降阻接地方案設(shè)計(jì)

第一作者簡(jiǎn)介：蘇琛然（1994-），男，工程師。研究方向?yàn)槭姓姎庾钥亍?/p>

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.21.028

摘" 要：建設(shè)于云南省蒙自市的小東山自來(lái)水廠處于典型的喀斯特地貌上，地塊土壤電阻率較高，采用常規(guī)接地做法難以滿足聯(lián)合接地電阻值小于4 Ω的要求。設(shè)計(jì)選用安裝深井垂直接地極、增加水平接地極及使用降阻劑的方案作為降阻措施，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，成功降低接地電阻值，提高設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)工作人員的安全性。

關(guān)鍵詞：高原；水廠；電氣設(shè)計(jì)；接地深井；電阻率

中圖分類號(hào)：TM862" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）21-0119-04

Abstract： Xiaodongshan Waterworks， built in Mengzi City， Yunnan Province， is located on a typical karst landform with high soil resistivity， so it is difficult to meet the requirement that the combined grounding resistance is less than 4 Ω by using conventional grounding methods. The scheme of installing vertical ground electrode in deep well， increasing horizontal grounding electrode and using resistance reducing agent are selected as resistance reduction measures in the design. The feasibility of the design scheme is verified by field implementation， and the grounding resistance is reduced successfully and the safety of equipment and field staff is improved.

Keywords： plateau; waterworks; electrical design; grounded deep well; resistivity

建于云貴高原地區(qū)的水廠或污水廠等市政設(shè)施，常由于所在地區(qū)為喀斯特地貌，土壤中含有大量可溶性巖石而導(dǎo)致建、構(gòu)筑物接地電阻值不達(dá)標(biāo)。市政設(shè)計(jì)中，筆者暫未見到規(guī)范的或較完善的針對(duì)此種情況的解決措施，為此，想以此文拋磚引玉，彌補(bǔ)高原地區(qū)市政設(shè)施接地設(shè)計(jì)方案之空白。

1" 現(xiàn)場(chǎng)情況簡(jiǎn)介

小東山水廠位于云南省蒙自市，處于滇中湖盆高原南部，是典型的低緯度高原地區(qū)，主要由山脈、巖溶高原、盆地等地貌類型組成，其中小東山水廠所處地區(qū)均為泥灰?guī)r，廠區(qū)大部分地區(qū)土壤電阻率均在4 000 Ω.m左右（局部小范圍地區(qū)小于此值）。此市政項(xiàng)目共分兩期施工建設(shè)，其中一期項(xiàng)目已建成并投入運(yùn)行；近年來(lái)，由于片區(qū)人口增長(zhǎng)迅速，需進(jìn)行二期工程建設(shè)，筆者有幸參與了二期工程的設(shè)計(jì)。一期工程建、構(gòu)筑物建有配水井、孔室絮凝斜管沉淀池、V型濾池、臭氧接觸池、活性炭濾池、清水池及脫水車間等。二期工程新建建、構(gòu)筑物有配電間、柴油發(fā)電機(jī)房、綜合樓、絮凝沉淀池、氣水反沖洗泵房、氣水反沖洗濾池、清水池、加藥間及加氯間，總計(jì)占地約21 938 m2。

一期工程已建孔室絮凝斜管沉淀池、V型濾池、臭氧接觸池及活性炭濾池所處地區(qū)大部為泥灰?guī)r，土壤電阻率在3 500 Ω.m左右，但脫水車間及排水排泥池所建地處于耕植土地區(qū)，土壤電阻率較小。因此，一期工程設(shè)計(jì)時(shí)為滿足規(guī)范要求接地電阻值，采用了外引接地極的方法，將高電阻地區(qū)各單體接地干線引出，并沿廠區(qū)道路埋地敷設(shè)至脫水車間，與脫水車間及排水排泥池接地干線焊接為完整電氣通路。此方法一方面借由脫水車間所處的低電阻地區(qū)降低了全廠的接地電阻值，另一方面敷設(shè)的水平接地極擴(kuò)大了整體的接地面積，進(jìn)一步降低了接地電阻，最終滿足了規(guī)范要求。

2" 具體設(shè)計(jì)方案

2.1" 沿用一期接地方案試算

由于廠區(qū)一期工程與二期工程位于同一地塊，在得知地塊土壤電阻率較高時(shí)，在做二期接地設(shè)計(jì)期間，筆者先對(duì)一期工程接地方案進(jìn)行了了解，意圖采用同樣的方式降低土壤電阻率。一期工程中，采用了外引接地網(wǎng)的措施以降低土壤電阻率。由于一期廠區(qū)脫水車間、排水排泥池所處地區(qū)土壤電阻率較低，一期設(shè)計(jì)先增加全廠一期建、構(gòu)筑物水平接地極后，將新建接地干線引至脫水車間地塊并采用與脫水車間接地干線焊接為完整電氣通路的方法使得全廠接地電阻值達(dá)標(biāo)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)踏勘了解到，一期工程地塊雖與二期地塊相鄰，但二期地塊距離脫水車間位置較遠(yuǎn)，且兩期地塊標(biāo)高差極大，因此沿路敷設(shè)外引接地極這一方法變得極為困難。筆者于是考慮先沿用一期降阻的思路，雖然無(wú)法外引接地極至低電阻地區(qū)，但是可通過(guò)將新建二期所有建、構(gòu)筑物接地干線進(jìn)行連通，以擴(kuò)大接地面積的方式進(jìn)行降阻，具體方法如圖1所示。

據(jù)此方案，由GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中均勻土壤中人工接地極工頻接地電阻的計(jì)算知（本項(xiàng)目中，廠區(qū)僅一期地塊局部存在低土壤電阻率地區(qū)，二期廠區(qū)近似按照均勻土壤電阻率地區(qū)計(jì)算）

R≈0.5，（1）

式中：ρ為土壤電阻率（Ω.m）；S為大于100 m2的閉合接地網(wǎng)的面積（m2）。

本次二期工程中新增水平接地極圍成接地網(wǎng)格合計(jì)面積約9 269 m2，區(qū)域土壤電阻率約4 000 Ω.m，帶入式（1）計(jì)算得20.774 Ω。由式計(jì)算結(jié)果知，采用此方案在一定程度上可降低接地電阻值，但遠(yuǎn)未達(dá)到小于4 Ω的要求。

2.2" 考慮采用何種方案降低電阻

根據(jù)《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四版）》[2]“降低高土壤電阻率地區(qū)接地電阻的措施”中所述措施，筆者依據(jù)本工程情況進(jìn)行了逐一比選。

第一種方法為外引接地降阻法，指的是當(dāng)新建建、構(gòu)筑物2 000 m以內(nèi)有較低電阻率的土壤時(shí)，可敷設(shè)導(dǎo)電性較好的扁鋼及圓鋼等作為外引接地極，將需要做降阻處理的建、構(gòu)筑物接地干線與低土壤電阻率地區(qū)連接為完整電氣通路的手段來(lái)降低接地電阻值。由于施工措施簡(jiǎn)單且材料獲取容易，因此，此種通過(guò)采用金屬導(dǎo)體將高土壤電阻率地區(qū)與低土壤電阻率地區(qū)連通以降低土壤電阻率的方法，是較為常見且性價(jià)比較高的降阻手段之一。但在本項(xiàng)目中，由于廠區(qū)二期地塊基本不存在低土壤電阻率地區(qū)，且外引至一期低電阻區(qū)難于實(shí)現(xiàn)，因此在本工程中此方法不適用。

第二種方法被稱為增打井式或深鉆式垂直接地極法。此種方法需先采用鉆機(jī)在合適位置鉆孔后，把鋼管或角鋼等垂直接地極打入井孔內(nèi)，并向鋼管內(nèi)和井內(nèi)灌滿泥漿，然后采用水平接地極與需降阻設(shè)施進(jìn)行連接以實(shí)現(xiàn)降阻。此種方法主要采用增加垂直接地極的方法降低電阻值，但是相較第一種方法，施工措施相對(duì)復(fù)雜，除對(duì)垂直接地深井的數(shù)量和深井位置有一定的要求外，還需確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)是否具備鉆孔條件。此種方案對(duì)措施的資金投入、設(shè)計(jì)與施工人員專業(yè)度及經(jīng)驗(yàn)等各方面都有一定的要求。在本項(xiàng)目中，由于二期廠區(qū)大部分地區(qū)位于巖石上，且現(xiàn)場(chǎng)施工人員具備鉆孔施工器械，此種方法可行，只是需對(duì)降阻措施單獨(dú)增加支出，計(jì)劃列入備選方案。

第三種方法被稱為換土法。此種方法需要在接地體周圍1～4 m范圍內(nèi)，換上比原來(lái)土壤電阻率小得多的土壤，由于換土后，環(huán)境土壤電阻率的降低，接地電阻值可以減小到原來(lái)的2/3～2/5。這種方法，其土壤電阻率受外界壓力和溫度的影響變化較大，在地下水位高、水分滲入多的地區(qū)使用效果較好，在便于換土及擁有較多低電阻率土壤地區(qū)的施工環(huán)境中，施工難度較小且投入較少，但在石質(zhì)地層則難以取得較滿意效果。在本項(xiàng)目中，若采取此種方法則需對(duì)二區(qū)廠區(qū)采用巖石爆破等措施進(jìn)行大范圍的地質(zhì)環(huán)境改造，投入的人力、物力過(guò)高，因此此種方案不適用于此項(xiàng)目。

第四種方法為降阻劑法，降阻劑是一種常用的防雷接地產(chǎn)品，通常由多種成分組成，主要含有細(xì)石墨、膨潤(rùn)土、導(dǎo)電水泥等，通常為灰黑色。降阻劑主要通過(guò)達(dá)成以下3個(gè)方面內(nèi)容來(lái)實(shí)現(xiàn)降低電阻值：首先，由于降阻劑自身的物理性狀為液體或粉末狀固體，其會(huì)向周圍的土壤擴(kuò)散和滲透，客觀上使得接地極周圍的土壤類型發(fā)生了變化，降低了土壤電阻率，且與接地極一同敷設(shè)后，作用類似于增大了接地極的有效接觸面積，使得土壤電阻率進(jìn)一步降低。其次，一些特殊類型的降阻劑還會(huì)吸附在接地極表面，可極大地減小甚至消除接地極的接觸電阻值。最后，降阻劑具有較強(qiáng)的吸水、保水性，可長(zhǎng)時(shí)間維持較低電阻率，使電阻值在氣候環(huán)境等發(fā)生變化時(shí)不會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)。在本項(xiàng)目中，可考慮使用降阻劑與其他降阻措施配合使用，進(jìn)一步降低接地電阻值，考慮作為備選方案。

第五種方法為敷設(shè)水下接地網(wǎng)法，此種方法充分利用水工建筑物（水井、水池等）以及其他與水接觸的混凝土體內(nèi)的金屬體作為自然接地體，通?？稍谒落摻罨炷两Y(jié)構(gòu)物內(nèi)綁扎成的許多鋼筋網(wǎng)中，選擇一些縱橫交叉點(diǎn)加以焊接，并與接地網(wǎng)連接起來(lái)。此種方法主要借助水這一優(yōu)良導(dǎo)體作為降阻媒介，施工難度較小，但是對(duì)環(huán)境條件要求較高，需要現(xiàn)場(chǎng)具備穩(wěn)定的水環(huán)境。本項(xiàng)目中廠區(qū)選址附近無(wú)地下水，無(wú)敷設(shè)水下接地網(wǎng)的條件，此方法不適用。

第六種方法被稱為爆破法。爆破接地技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的降低接地裝置接地電阻的新技術(shù)，通過(guò)爆破制裂，再用壓力機(jī)將低電阻率材料壓入爆破裂隙中，從而起到改善很大范圍的土壤導(dǎo)電性能的目的，相當(dāng)于大范圍的土壤改性。此方案與降阻劑配合使用，可取得較好的降阻效果，但是采用爆破措施對(duì)施工單位的技術(shù)及人員安全性等方面提出了一定要求，且投入較高。在本項(xiàng)目中，由于現(xiàn)場(chǎng)施工單位不具備相關(guān)施工措施條件且采用此種方式的投入較高，因此，暫不考慮此種方法。

綜上所述，本工程考慮在增設(shè)水平接地干線的基礎(chǔ)上增打深井垂直接地極，具體做法如圖2所示。

圖2" 廠區(qū)接地深井布置示意圖

2.3" 深井接地方案計(jì)算

由GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中在均勻土壤中單根垂直接地極的接地電阻計(jì)算公式可知

Rv=ln-1，（2）

式中：Rv為垂直接地極的接地電阻（Ω）；ρ為土壤電阻率（Ω.m）；L為垂直接地極的長(zhǎng)度（m）；d為接地極用圓導(dǎo)體時(shí)，原導(dǎo)體的直徑（m）。設(shè)計(jì)采用鉆機(jī)鉆出孔徑為？椎110 mm，深度為31 m的深井，將DN40熱鍍鋅鋼管連接后，放入深井中，其余空隙采用泥漿灌滿，如圖3所示。

將設(shè)計(jì)垂直接地極數(shù)據(jù)帶入式（2）得

Rv=× ln-1≈158.792 Ω，

上式為一根垂直接地極接地電阻值，則11根垂直接地極合計(jì)接地電阻值約為Rv`≈14.436 Ω。

由GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中在均勻土壤中不同形狀水平接地極的接地電阻計(jì)算公式可知

Rh=ln+A，（3）

式中：Rh為水平接地極的接地電阻（Ω）；ρ為土壤電阻率（Ω.m）；L為水平接地極的總長(zhǎng)度（m）；h為水平接地極的埋設(shè)深度（m）；d為水平接地極的直徑或等效直徑（m）；A為水平接地極的形狀系數(shù)（詳見《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》中表A.0.2）。

設(shè)計(jì)選用5 mm×50 mm熱鍍鋅扁鋼作為水平接地極，全長(zhǎng)約654 m，廠區(qū)開挖深度為0.6 m，寬度為0.5 m的接地溝，將接地扁鋼敷設(shè)于接地溝內(nèi)，如圖4所示。

圖3" 垂直接地極敷設(shè)示意圖

圖4" 水平接地極敷設(shè)示意圖

將設(shè)計(jì)水平接地極數(shù)據(jù)帶入式（3）得

Rh=×ln-0.6≈15.451 Ω。

全廠復(fù)合接地網(wǎng)接地電阻值計(jì)算如下

R===7.463 Ω。

經(jīng)計(jì)算，布設(shè)水平及垂直接地極后接地電阻值仍未達(dá)到小于4 Ω的要求，設(shè)計(jì)采用輔以降阻劑的方式進(jìn)一步降低接地電阻值。

2.4" 加降阻劑方案計(jì)算

設(shè)計(jì)將前述圖3及圖4中接地極敷設(shè)填充介質(zhì)由泥漿改為降阻劑，使用前經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)得土壤電阻率由4 000 Ω.m降至1 200 Ω.m以下，則改為降阻劑注漿后，單根垂直接地極接地電阻值變?yōu)?/p>

Rv=×ln-1≈47.637 Ω，

綜合11根垂直接地極接地電阻值為Rv``=4.331 Ω；水平接地極接地電阻值變?yōu)?/p>

Rh`=×ln-0.6≈4.635 Ω。

全廠復(fù)合接地網(wǎng)接地電阻值為

R`===2.239 Ω。

3" 現(xiàn)場(chǎng)施工及結(jié)果

3.1" 垂直接地極的制作及安裝

首先于設(shè)計(jì)位置附近用鉆機(jī)鉆出孔徑為？椎110 mm，深度為31 m的深井，其次將單根長(zhǎng)10 m的DN40熱鍍鋅鋼管連接后，放入到深井中，由于存在焊接損耗等，共使用40根鋼管，接著采用壓力灌漿技術(shù)，將降阻劑灌入到鋼管及深井中，每10 m約消耗1 t百石牌BSJD-G6型降阻劑。

3.2" 水平接地極的制作及安裝

為降低跨步電壓，在距離建、構(gòu)筑物3 m及以上位置開挖深0.6 m、寬0.5 m的接地溝，在接地溝能打入垂直接地極的地方增打長(zhǎng)1.5 m，L5 mm×50 mm熱鍍鋅角鋼作為垂直接地極，垂直接地極間距離不小于5 m，全廠共使用40根。在水平接地溝內(nèi)敷設(shè)一條長(zhǎng)約654 m的5 mm×50 mm熱鍍鋅扁鋼作為水平接地接，于溝內(nèi)垂直接地接焊接為完整電氣通路。

3.3" 焊接為完整接地網(wǎng)格

新建水平接地極、深井接地極與各建、構(gòu)筑基礎(chǔ)鋼筋主筋（基礎(chǔ)主筋與屋面避雷帶需形成完整電氣通路）三者焊接為完整電氣通路后，水平接地溝內(nèi)注入降阻劑并回填夯實(shí)接地溝。全廠防雷接地措施實(shí)施完成后，實(shí)測(cè)接地電阻值約為1.86 Ω，滿足原設(shè)計(jì)小于4 Ω的要求。

在本項(xiàng)目中，筆者根據(jù)專業(yè)工具書提供的資料，集合實(shí)際工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，分析此高原水廠的特點(diǎn)進(jìn)而設(shè)計(jì)接地方案，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，該計(jì)算方法及思路具有較高的可靠性和較強(qiáng)的實(shí)用性。望借此為高原水廠接地設(shè)計(jì)提供一點(diǎn)思路，供同行參考。

4" 結(jié)束語(yǔ)

《工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四版）》[2]中常見的降低高土壤電阻率地區(qū)接地電阻的6種措施各有優(yōu)劣，針對(duì)高電阻率地區(qū)的市政設(shè)施，由于環(huán)境或資金的各方面限制通常只能選用其中的一種或者是幾種結(jié)合的降阻措施，這就需要設(shè)計(jì)人員及施工人員具有較為豐富的經(jīng)驗(yàn)。筆者在此呼吁各位同行大佬在百忙中抽出一點(diǎn)時(shí)間在未來(lái)能給出完善的市政降阻接地設(shè)計(jì)方案，不斷提高我國(guó)市政行業(yè)的電氣設(shè)計(jì)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1] 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范：GB/T 50065—2011[S].

[2] 劉屏周.工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].4版.北京：中國(guó)電力出版社，2016.