高电阻率地区地铁工程接地网设计的探讨

宁　譞

(中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，陕西西安　710054)

高电阻率地区地铁工程接地网设计的探讨

宁譞

(中铁西安勘察设计研究院有限责任公司，陕西西安710054)

摘要:介绍了高电阻率地区地铁工程接地网接地电阻值的要求及计算方法，分析了在接地网设计中选择接地降阻的措施，并结合工程实例，验证了利用建筑物内钢筋形成的自然接地体与人工接地体相结合的接地网设计方式的合理性。

关键词:高电阻率，地铁工程，接地网

对于地铁这样包括了车站、车辆段、主变电所，涵盖了地下、地上工程兼具有民用、工业及轨道交通特点的综合性工程，接地系统设计是否可靠是关系到供电系统、低压配电系统、弱电系统等多个系统稳定安全运行的重要一环。

一般来说地铁的接地系统包括:电气设备的工作接地、保护接地、通信信号设备接地、防雷接地等。对于多个用于不同目的的接地系统，如果分别设置接地装置，各系统间必然存在的电位差将带来接地安全性问题，不同系统的接地导体间的耦合影响又实难避免，彼此间存在的互相干扰对于接地系统的作用有着重大影响。因此地铁工程都会采用联合接地，其接地电阻值必须由接入系统中最小值确定。对于一个综合接地网而言，当地的土壤电阻率对于接地电阻的影响是最为直接及重要的。

随着国民经济的稳步提高，地铁工程在我国迎来了一个迅猛发展的时期，而我国作为一个具有多种地质条件的国家，地铁工程常常需要在高土壤电阻率的地区施工，因此如何采取措施有效降低接地网在高土壤电阻率地区的接地电阻，同时又满足经济环保的要求，便成为值得探讨的方向。

1　地铁工程综合接地网接地电阻值要求及计算

关于综合接地网接地电阻值的要求，根据JGJ 16—2008民用建筑电气设计规范中12.1.4条、GB 50157—2013地铁设计规范中15.7.10条均规定综合接地网接地电阻值必须由接入系统中最小值确定;据了解目前已建成运营或在建的城市中广州、深圳、郑州、西安、贵阳、东莞等地地铁车站综合接地网接地电阻值要求为不大于0.5 Ω。

参照DL/T 621—1997交流电气装置的接地中人工接地极工频接地电阻的计算。对于地铁工程中常采用综合接地网适用于复合型接地网的计算方法，如表1所示。

表1　接地网接地电阻简易计算公式［3］

通过表1中简易计算公式可以看出，土壤电阻率和接地网面积的变化对于接地电阻值的影响最为显著。因此在应对高电阻率地区的接地网设计问题时，如何降低土壤电阻率和增加接地网面积是实现满足要求的接地电阻值的主要切入点。

2　关于增加接地网面积的方案探讨

根据在JGJ 16—2008民用建筑电气设计规范中第11.8.5条、GB 50169—2006电气装置安装工程接地装置施工及验收规范中第3.3.1条均明确规定:接地网的埋设深度不宜小于0.6 m。地铁车站的综合接地网一般敷设于车站底板下，距底板0.6 m，如图1所示。

图1　常用的地铁车站接地网设计示意图

地铁车站选址常位于城市较繁华处，车站规模及形式受到不可迁改的市政管线、商业或民用建筑等多种因素的限制，因此在通常做法下地铁车站的综合接地网面积也受到限制，如遇到高电阻率的土壤环境时往往不能满足接地电阻值不大于0.5 Ω的要求。为能够在有限的空间内增加接地网面积，在车站顶板至地面间的土层加设一层综合接地网，如图2所示。

图2　双层接地网设计示意图

如上层接地网所处土层与下层接地网所处土层土壤电阻率不同，其等效土壤电阻率可参照《工业与民用配电设计手册》(下文中称手册)中非均匀土壤接地电阻的计算，当接地极埋设的土壤中上下层的土壤电阻率不同时:

其中，ρ12为等效接地电阻率;ρ1为上层土壤电阻率;ρ2为下层土壤电阻率; k为计算系数取值，参照《手册》表14-24。也可采用等离子接地极或预装可塑性接地模块等新材料作为优化接地网的辅助措施。

3　关于降低土壤电阻率的方案探讨

在工程实践工作中采用较多的方法主要有外引接地、井式或深钻式接地极、换土法、降阻剂法，以下逐一进行分析。

12月4日，国家发改委等38个部门联合印发《关于对知识产权 （专利） 领域严重失信主体开展联合惩戒的合作备忘录》。《备忘录》 指出，联合惩戒对象为知识产权（专利）领域严重失信行为的主体实施者。跨部门联合惩戒措施则包括：限制政府性资金支持，对政府性资金申请从严审核，或降低支持力度；限制补贴性资金和社会保障资金支持；依法限制其作为供应商参与政府采购活动等33条。

3.1外引接地

当车站变电所、车辆段变电所或主变电所所在2 000 m范围内有较低电阻率的土壤时，可敷设外引接地网。这一方式在地铁工程应用中有较大的局限性，因地铁车站选址一般为城区，周边环境复杂很难有利用其他建筑物接地网来实现外引接地或在异地设置新的接地网，因此地铁车站实际上并不具备采用外引接地的条件。

而对于车辆段变电所或主变电所而言外引接地不失为一种有效的手段，特别是当变电所选址在石质地层时，外引接地至土壤电阻率较低的地方，在条件允许的情况下外引接地网也可以充分利用室外水池等水体来实现降低接地电阻的目的。

3.2换土法、降阻剂法

在所有旨在降低工程施工范围内土壤电阻率的方法中，换土法、降阻剂法是最为直接的两种方法。

换土法一般做法在接地体周围1 m～4 m范围内，换填素土、粘土、泥炭、黑土等，必要时也可采用焦炭粉和碎木炭。在地铁工程中以换填素土最为常见，这一方法因其土壤电阻率受外界压力和温度的影响变化较大，在地下水位高、水分渗入多的地区使用效果最为理想，但在石质地层则难以取得满意的效果［1］。因此在设计文件中应对换填土壤的土壤电阻率做出明确的要求，在进行接地电阻值理论计算时须为周边环境变化引起的土壤电阻率变化提供一定的包容性。

降阻剂法目前常用的降阻剂一般有物理性降阻剂和化学性降阻剂。

常用化学降阻剂一般分为高分子树脂类和无机化合物类两种，通过大量工程实践的应用，使用降阻剂效果可使接地电阻降低至未处理前的0.3倍～0.5倍。虽然在实践中化学降阻剂应用广泛、效果好，特别是长效降阻剂具有高导电性，降阻效果长效保持、耗钢材少、便于施工、占地面积小等优点［1］，但其对环境的影响并不能因此而被忽视。随着环保思想在我国日渐深入人心，特别是以提倡“绿色出行”为核心理念的地铁工程中，化学降阻剂并不应该成为设计工作中的首选。

3.3井式或深钻式接地极

井式接地极是采用钻机钻孔，把钢管接地极打入井孔内并向钢管内和井内灌满泥浆。深钻式接地极则是当地下深层土壤或水的电阻率较低时，可采用深钻式接地极来降低接地电阻值［1］。

采用深钻式接地极的理想目标根据可靠的地质勘测报告变电所选址处深层土壤电阻率有明显降低时方才具有可实施性，如果地勘报告所显示的地质情况不满足这一条件，采用以上做法成本高但收效小。

相比于深钻式接地极，井式接地极的优势在于:一是可以利用已有的地质勘探钻孔作为深井，是对施工现场已有条件做充分的利用;二是在深井中灌满泥浆，其出发点是与换土法类似的，而选用钢管接地极并在其中也灌满泥浆则起到了改善接地材料导电性的作用。

4　案例分析

旗峰公园主变电所(以下简称主所)为东莞R2线工程主变电所之一，下面以此工程为例分析几种降阻措施在实际工程中的取舍及应用。

主所为地上2层，地下1层建筑，总建筑面积3 287.87 m2，最高建筑高度7.95 m，总占地面积4 993.08 m2。

根据GB 50057—2010建筑物防雷设计规范中建筑物年平均雷击次数计算方法，主所的年平均雷击次数约为0.119次/年，按照规范中对于不同建筑物防雷等级划分的规定，且根据防雷报建意见书中所述主所位于东莞市的重点防雷区域，故按照二类防雷建筑标准进行设计。

主变电所电气设备接地装置入地短路电流理论计算值约为6 000 A，根据DL/T 621—1997交流电气装置的接地中A类电气装置的接地电阻的内容归纳见表2。

表2　各种电气装置要求的接地电阻值

可以得出接地电阻值应小于0.5 Ω方可满足各系统设备要求的接地电阻值。根据用地详勘报告显示用地范围属高电阻率地区，主所接地网敷设范围内土壤电阻率约为121.37 Ω·m，且具有随勘测深度加深土壤电阻率增大的特点，详见表3。

表3　主所详勘视电阻率测试统计表(部分)

因深层土壤电阻率并无降低，故放弃了采用深钻式接地极的方法。而现场地勘钻孔数量较少，不能明显对接地网整体电阻值起到降低作用，故未采用井式接地极。

主所靠近东莞市旗峰公园，面对东莞大道西侧，在旗峰新村西侧，市委党校南侧，其周边2 000 m范围内均为东莞市重要市政道路及城区，因此基本也排除了外引接地的可能。

经过认真研究现场实际情况最终决定:

1)采用换土法改善现场土壤电阻率，在设计说明中明确要求采用小于50 Ω素土回填对接地网敷设的土层进行换填，并严禁使用建筑垃圾回填。

2)采用人工接地体与主变电所建筑物内钢筋形成的自然接地体相结合的综合接地网，并利用主变电所室外消防水池实现接地网与水体的联接，如图3，图4所示。

图3　主变电所接地装置示意图

3)采用铜包钢代替建筑工程中常用的热镀锌扁钢作为主要接地材料。

图4　局部室外接地网布置示意图

经理论计算主变电所接地电阻值约为0.39 Ω，实测电阻值小于理论计算值。满足设计要求综合接地网不大于0.5 Ω。

5　结语

通过上述分析可以看出，不同的接地网形式和降阻措施并非可以公式化的在不同地质条件中进行套用，而要以地质勘测报告为依据分析具体情况，对采用何种降阻措施进行比选。在高电阻率地区的地铁接地网设计中为达到满足要求的接地电阻值，应该利用自然接地体、水体等条件，结合工程条件打破常规化的思维采用新的设计形式来增加接地网面积，不应盲目使用降阻剂或大面积换填土。

参考文献:

［1］任元会.工业与民用配电设计手册［M］.北京:中国电力出版社，2005:871-914.

［2］GB 50157—2013，地铁设计规范［S］.

［3］GB 50065—2011，交流电气装置的接地设计规范［S］.

［4］JGJ 16—2008，民用建筑电气设计规范［S］.

［5］GB 50169—2006，电气装置安装工程接地装置施工及验收规范［S］.

［6］DL/T 621—1997，交流电气装置的接地［S］.

［7］GB 50057—2010，建筑物防雷设计规范［S］.

［8］魏海洋.关于地铁车站综合接地网问题的探讨［J］.城市轨道交通研究，2010( 12) :70-75.

［9］凌智敏.工频、冲击接地电阻及高频低阻抗等电位联结［J］.建筑电气，2010( 8) :3-8.

The discussion of subway project grounding grid design in the high resistivity region

Ning Xuan
( Xi’an Survey and Design Institute，China Railway Engineering Group Co.，Ltd，Xi’an 710054，China)

Abstract:Introdues the requirement and calculation method of grounding resistance of subway project grounding grid in high resistivity region，analyze how to choose the grounding resistance reduction measures in the design of grounding gird，combined with an engineering example and verifying the rationality of using construction reinforcing bar as natural earthing electrodes in combination with artificial earthing electrodes in the design approach of the ground grid.

Key words:high resistivity，subway project，grounding grid

作者简介:宁譞(1989-)，男，助理工程师

收稿日期:2015-11-25

文章编号:1009-6825( 2016) 04-0130-03

中图分类号:U224.25

文献标识码:A