某高土壤电阻率的建筑群接地系统浅析

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引言目前，在大部分设计项目中，设计师经常在图纸中注明“共用接地装置的接地电阻不大于1欧姆，实测不满足要求时，须增设人工接地极”。但高土壤电阻率地区的建筑物要实现低阻值要求，仅仅依靠建筑物的自然接地体很难达到，这就需要设计师根据项目具体情况，采用一种或者多种降阻措施来降低接地电阻，但投资成本也会随之增多。如何选择合适的降阻措施､接地电阻的测量是否准确､接地电阻阻值的选取是否合适等问题都值得设计师去思考。

本文即通过接地电阻的理论计算并结合实际工程的实测数据，分析降低高土壤电阻率建筑群接地电阻的各种有效措施，分析对接地电阻的影响因素，讨论接地电阻测量方法的准确性以及接地电阻的取值对接地系统方案的影响。1

接地电阻的概念根据GB/T50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》规定，接地电阻是在给定频率下，系统､装置或设备的给定点与参考地之间的阻抗的实部。

常提到的接地电阻主要为工频接地电阻和冲击接地电阻。其中，GB/T50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》规定，工频接地电阻是根据通过接地极流入地中工频交流电流求得的电阻；冲击接地电阻是根据通过接地极流入地中冲击电流求得的接地电阻(接地极上对地电压的峰值与电流的峰值之比)。GB/T21431-2015《建筑物防雷装置检测技术规范》规定，工频电流流过接地装置时，接地极与远方大地之间的电阻，其数值等于接地装置相对远方大地的电压与通过接地极流入地中电流的比值。

防直接雷需要对冲击接地电阻的阻值有限定。设计师一般都会要求建筑物的防雷接地､系统的工作接地､保护接地､信号地､防静电接地等共用接地装置。GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》中提到，“共用接地装置的接地电阻应按50Hz电气装置的接地电阻确定，不应大于按人身安全所确定的接地电阻值”｡2

项目接地系统的实施情况2.1

项目概况

项目位于河北省某县工业园区内。园区内分多期工程建设，目前一期工程已建成，本项目为该园区的二期工程，共有四栋建筑(1#､2#､3#､4#厂房)，项目基本情况参见表1。根据项目地勘报告内容，本项目建设地点为山地，地质结构以岩石(白云岩)为主。其中3#厂房附近土质较其他几个厂房稍好，1#､2#､4#厂房都是爆破开山做的地基。地块整体地质土壤电阻率为3300Ω·m。建筑物附近回填后，局部表层土壤电阻率为1500~2800Ω·m，经计算综合土壤电阻率为2960Ω·m，属较高电阻率区。该地区平均雷暴日为30.7d/a，属中雷区。

2.2项目接地系统方案

本项目根据工艺要求，确定接地电阻值≤1Ω。各厂房之间存在信号电缆和电力电缆的互连。

项目施工图阶段，初步确定接地方案为4栋建筑物利用各自基础作为自然接地体，在各建筑物周围设置一圈人工接地极(水平接地体采用50×5的热镀锌扁钢，垂直接地极采用长度为2.5m的50×50×5热镀锌角钢)，并采用50×5的热镀锌扁钢将4栋单体建筑物的接地装置相互连接起来，形成一个网状接地装置，接地网格为20m×20m。待上述接地装置具体实施过程中，监测接地电阻值，调整接地方案，根据具体情况补充其他降阻方式(如井式接地极和降阻剂法等)。

项目实施初期，设计方希望最终将一､二期接地网相连，最大可能地利用能用的接地装置，但业主担心一､二期相连后会有干扰，故初步设定先测量二期接地电阻，待阻值测量后再确定是否连接。

2.3接地电阻测量

项目实施阶段，先后进行了4次接地电阻测量，并根据每次测量结果调整接地系统方案。

2.3.1第一次接地电阻测量

2018年9月，项目处于施工阶段，此时各建筑物基础部分已经实施完毕，接地施工尚未完成，4个建筑物的接地装置还没有进行互连。经过某防雷公司对本项目进行了第一次接地电阻值测量，结果显示，1#厂房基础接地电阻值为5.66Ω；2#厂房基础接地电阻值为6.11Ω；3#厂房基础接地电阻值为5.94Ω；4#厂房基础接地电阻值为14.21Ω。

根据接地电阻测量结果，笔者所在的设计方进行了接地电阻计算。由于建筑物属相对独立地网，采用公式(1)进行计算。经计算得，R建筑=2.99Ω。

由结果可知，即使将4个建筑物的接地装置连接在一起，也无法达到设计要求的阻值。根据公式(1)可推导出需要并联人工接地网的接地阻值在1.3Ω以下。

根据复合式(接地网)计算公式(2)，R取1.2Ω，ρ取2960Ω·m；计算出接地网面积S>1521111m2。式中，R为工频接地电阻，Ω；ρ为土壤电阻率，Ω·m；S为接地网的面积，m2。

根据计算可知，如果要满足接地电阻≤1Ω的接地要求，则接地网铺设面积不可小于1521111m2。

建筑物周围现有可施工面积有限，远达不到上述面积要求。根据现场情况，准备采取立体地网的方式降低接地电阻，即采用钻井的方式植入离子接地极与在接地沟槽内安装非金属接地模块相结合的接地方式来达到设计要求，接地井内敷设2根离子接地极，并在井内敷设降阻剂。

接地井的接地电阻和接地模块的接地电阻计算分别见公式(3)和公式(4)。

式中，ρ为土壤电阻率，Ω·m，取2960；d为离子接地极直径，m，取0055；L为离子接地极长度，m，取6；Rv为多口6m接地井离子接地极接地电阻值，Ω；η1为多口6m接地井离子接地极利用系数，取0.75；n为接地井数量。

式中，ρ为埋置地层的电阻率，Ω·m，取2960；h为接地模块的埋置深度，m，1；a，b分别为I型模块的长､宽，m，分别取0.5，0.4；M0为模块调整系数，0.33；Rm为多模块接地电阻值，Ω；n为接地模块个数；η1为模块利用系数，取0.4。

接地扁钢接地电阻计算见公式(5)。根据地网平面布置图及已知条件计算得知，50×5热镀锌扁钢共计为4200m，其接地电阻值为1.96Ω。

式中，ρ为埋置地层的电阻率Ω·m，取2960；h为扁钢的埋置深度，m，1；d为扁钢的等效直径，m，取0.05/2=0025；Rs为扁钢接地电阻值，Ω；L为扁钢的总长度，m，取4200；A为地网的形状系数，取1.69。

根据计算，需要220块接地模块和118口井，每口接地井内敷设2根离子接地极。

由于各单体建筑物自身的接地装置还未完成，尚未土方回填(土方回填会在一定程度上降低接地电阻值)，因此上述计算仅为一个参考预算，设计方要求待建筑物接地装置建设完成后再进一步进行测量，待取得测量结果后再对上述计算结果进行校正。

由于项目所在场地的地下有电缆沟和很多金属管道穿过，这些管道主要靠近3#厂房。在施工过程中，设计师要求施工单位将接地网和这些地下管道(不包括燃气､燃油管道)进行连接。

2.3.2第二次接地电阻测量

2018年12月，3#､4#厂房接地工程已完工，其中3#厂房的接地装置和附近地下管道连接已完成。随后，施工单位对3#､4#厂房进行了第二次接地电阻测量，测量结果显示，3#厂房基础接地电阻值为0.3Ω；4#厂房基础接地电阻值为12Ω。对比第一､二次的接地电阻，可以看出，3#厂房的接地电阻从5.94Ω降到了03Ω，4#厂房的接地电阻从14.21Ω降到了12Ω。

根据此次测量结果，二期工程的4个建筑物接地装置连起来后，总的接地电阻将小于0.3Ω，达到设计要求。但是由于业主和设计方对此结果都表示存疑，故决定待4个建筑物的接地装置均施工完毕并连成接地网格后再进行测量。

2.3.3第三次接地电阻测量

2019年4月，4栋建筑物各自的接地装置已施工完毕，建筑物之间用接地扁钢进行了简单的连接。某防雷检测中心进行第三次接地电阻测量，测量结果显示，接地电阻值为27Ω。第一次测量后，4栋建筑物接地装置连接后的理论计算值为2.99Ω。两者比较接近。

通过设计方和业主方的充分沟通，建议将一､二期的接地网格进行连接后再测量一次。一期用地在二期用地的南侧，两者相距大约100m。一期用地的接地电阻经测量小于1Ω。

2.3.4第四次接地电阻测量

2019年6月，一､二期接地网完成了连接工作。在随后进行的第四次接地电阻测量中，测量结果为接地电阻值0.95Ω，达到了设计之初要求的接地电阻值。

2.4接地电阻最终效果

从第四次测量所得的接地电阻，可以看出目前已经达到了业主的阻值要求。项目于2019年9月已投入使用。经过一个多月的实践，业主无不良反馈，一､二期接地网相连后无干扰现象反馈。

最初接地方案(将二期建筑物连成接地网)的造价预计上百万，最终实施方案(将一､二期接地网相连)的造价不到十万元，节省了大量投资成本。因此，不可否认，接地方案的合理选择会为业主方减少大量的投资。3

项目接地系统需要思考的问题3.1

降低高土壤电阻率地区接地电阻措施的选择

目前，常用的降低高土壤电阻率地区接地电阻的措施有外引接地､井式或深钻式接地极､换土法､降阻剂法､敷设水下接地网等。

外引接地是比较经济的一种做法，成本低，需要在一定距离内找到有较低土壤电阻率的场地，即可敷设外引接地极。这是项目初期最优先考虑的方案，本项目采用的就是这种方法，利用一期接地网的低阻值，将二期接地网外引接至一期接地网，以达到降低电阻值的需求。但这种方法要求外引线的长度不宜过长。对于冲击接地电阻，考虑到雷电流的陡度和泄放速度，外引线的长度不应大于2ρ。本项目ρ为2960Ω·m，外引线的有效长度为109m。当超过有效长度时，外引接地装置对被测接地装置的冲击接地电阻将不再起作用。

换土法的使用受地质成分影响比较大。原理是在接地体周围1~4m范围内，换上比原来土壤电阻率小得多的土壤来降低接地电阻。但由于土壤电阻率受外界压力和温度的影响变化较大，这种方法在地下水位高､水分渗入多的地区使用效果较好，但在石质地层则难以取得满意效果。本项目建在岩石层上，所以该方法不适合。

井式或深钻式接地极是依靠钻机钻孔，将接地极深入到地下较深处，接触到深处低电阻率的土壤达到降低接地电阻的方法。这种方法的应用要根据地勘报告，查看项目所在地地质情况，确定低电阻率土壤深度和分布情况，确定钻井位置和深度。这种方法在外引接地方式不适合或不能满足接地电阻需求时采用。井的位置和深度直接影响到接地系统的造价。

降阻剂有多种类型，针对不同地区､不同条件采用不同的降阻方法。一般降阻剂会结合上述几种方法共同使用。

3.2接地电阻的测量方法

接地电阻测量的准确性非常关键，直接影响了实施阶段接地方案的制定。很多具体方案都是在施工过程中通过不断测量接地电阻进行调整的。本项目中第二次测量结果就明显有误。第二次测量结果显示，3#厂房的接地电阻达到了0.3Ω。如果真达到了这个阻值，那么建筑物接地装置连接完成后应该低于这个阻值。

测量接地电阻的方法有很多种，目前最常用的测量方法为三极法，如图1所示。IEC60364-6和GB/T21431-2015《建筑物防雷装置检测技术规范》以及GB/T179491-2000《接地电阻测量导则》中都提到了这种测量方法。本项目中的四次测量均采用的是这种方法。其中，GB/T21431-2015《建筑物防雷装置检测技术规范》中给出了较为详细的测量方法。本文不再详述。

需要注意的是，文中提到的电流极C和电压极P的设置位置。要求测量用的电流极C和电压极P离被测接地装置G边缘的距离为dgc=(4~5)D和dgp=(0.5~0.6)dgc，点P可以认为是处在实际的零电位区内。测量工频接地电阻时，如dgc取(4~5)D值有困难，当接地装置周围的土壤电阻率较均匀时，dgc可以取2D值，而dgp取D值；当接地装置周围的土壤电阻率不均匀时，dgc可以取3D值，dgp取17D值。

造成接地电阻测量不准确的原因主要有:(1)埋地的金属管道对测量结果有很大影响，靠近金属体测得的电阻值会下降很多；(2)无法确定电压极和电流极的合适位置，距离过近；(3)辅助接地极电阻过大。解决的方法是在地桩处泼水或使用降阻剂降低电流极的接触电阻。

第二次测量时，施工单位P和C的设置位置分别距G点20m和40m，这个距离还在接地装置的影响范围内，所以测量结果不准确。此外，也可能离地下金属管道太近，影响了测量结果。

对于大型接地网来说，测量接地电阻比较复杂。首先电流极和电压极的位置距离很远，其次地质情况比较复杂。这可能需要进行多次测量并绘制曲线，寻找曲线的水平部分，得到真实的接地电阻值。

3.3接地电阻阻值的设定

本项目中共用接地装置的接地阻值定为1Ω。在高土壤电阻率的地区达到1Ω非常困难，且是否需要达到1Ω的接地电阻值这个问题也值得思考。如果阻值要求降低到4Ω，那接地工程的投资将成倍下降。

项目接地电阻值设计为不大于1Ω，是因为业主方提出的测试设备的接地要求，即信号地的接地电阻要求不大于1Ω。信号地是为了给测试设备提供一个基准点位而设置的接地，是否需要如此低阻值仍值得商榷。笔者认为，很多业主方提出要求信号地单独设置接地装置并达到1Ω，更多担心的是雷电流､地网上的杂散电流对信号地的影响。当雷电流或故障电流流过接地装置时，两地之间存在电位差，对人身和设备可能会造成伤害。

虽然最近几年的规范和IEC标准中并未明确提出共用接地装置的阻值标准，但GB/T50065-2011《交流电气装置的接地设计