CDEGS系统在高速公路机电设施雷电防御中的应用

宋宪毅

(福州东南绕城高速公路有限公司，福建 福州 350001)

1 概述

高速公路机电设施的安全、稳定运行是维持高速公路正常运行的重要保证。雷击事故是造成高速公路机电设施发生故障的重要原因之一。雷电是自然现象，无法避免，雷击发生会产生巨大的能量，包括电能、热能、机械能，会影响机电设施的正常运行，影响交通的顺畅运行[1-2]。随着省界高速收费站的取消、高速公路无人化通行的推广，自动化收费设备将承担收费站的收费工作，如果防雷措施不到位将造成收费系统故障，无法收费，将造成经济损失，并造成不好的社会影响。因此，新形势下高速公路机电设施的防雷工作的重要性就更加凸显。接地网的性能是防雷工程的重要一环，本文将探讨CDEGS系统在高速公路机电设施防雷接地设计中的应用，为防雷设计提供重要参考依据。

CDEGS是一款可进行接地建模仿真的大型软件，可以根据土壤电阻率的测量值反演土壤的真实结构参数，可以进行接地网性能的评估，模拟雷击作用下导体的电位、空间的磁场、地电位的抬升情况，这些功能对防雷评估、防雷设计具有重要的指导意义[3]。本文以福建省高速公路收费站为例讨论CDEGS系统在高速公路雷电防御中的应用，旨在通过利用CDEGS系统优化指导高速公路机电设施的雷电防御能力，减少雷击事故，保证高速公路的稳定、安全运行。

在防雷工程中，接地网是最重要的环节之一。接地网是对埋在地下一定深度的多个金属接地极和由导体将这些接地极相互连接组成网状结构的接地体的总称。接地电阻是评价接地网性能好坏的指标之一[4]，影响接地电阻大小的原因有很多，土壤电阻率是其中之一。在土壤电阻率低的地方布设较少的接地极就能达到理想的接地电阻，而在土壤电阻率高、土壤结构复杂的地方，就需要加大对接地网的投入。有时为了达到合格的阻值，就必须加大对接地网的投入，盲目加强接地网的设计可能加大了接地网的工程投资。如果接地网的设计不足，会造成接地电阻无法达标，就必须对接地工程进行返工，同样也是一种投资浪费。而利用CDEGS软件可以通过建模仿真的方式，在设计期进行接地网性能的评估，预估接地网是否满足要求，最大限度地避免加大工程和返工的资源浪费，在防雷工程设计中具有一定的指导意义。

2 技术路线

CDEGS系统可以实现土壤结构参数的反演，建立防雷接地网的物理模型，再将两者结合进行接地电阻的分析评价。首先，根据温纳四极法进行土壤电阻的测量，为了提高土壤结构反演的精度，应在不同极间距下测量多组土壤电阻率数据，并利用土壤电阻率测量数据进行土壤结构参数的拟合反演，得到真实的土壤结构参数[5-6]，然后根据防雷接地设计图纸进行接地网的建模，在模型中输入反演得到的土壤结构参数，进行接地电阻的仿真分析。根据接地电阻分析结果可以判断该防雷接地网的设计能否满足要求，如果不满足要求可以增加接地体，再进行仿真，直到接地电阻满足为止，具体的技术路线见图1。

图1 技术路线图

3 土壤电阻率测量

土壤电阻率的测量方法很多，如温纳四极法、地质判定法、双回路互感法、自感法、线圈法、偶极法等。其中，温纳四极法是实际工程中最为常用的土壤电阻率测量方法，也是世界上公认最有效的测量方法。大量工程实践证明其准确性能满足工程计算要求，且这种测量方法所需仪表设备少，方便实际测量工作[7]。

采用温纳四极法测量土壤电阻率时，其接线如图2所示，该方法测量得出的是测量电流所能流经深度的土壤电阻率的平均值。由外侧电极C1、C2通入电流I，电极的埋深为l，电极间的距离为a。

图2 温纳四极法测量原理图

土壤电阻率可以通过下式得到：

式中：ρ—土壤电阻率(Ωm)；a—电极间的距离(m)；(Up1-Up2)—P1、P2极间的实测电压(V)；R—实测土壤电阻(Ω)。

由公式可知，当a、l己知时，测量P1、P2两极间的电压和C1、C2间流过的电流，即可算出土壤的电阻率。

4 实例分析

本文以福州长乐鹤上收费站综合楼为例，说明CDEGS在高速公路设施防雷中的具体应用方法。

4.1 土壤电阻率测量仪器

土壤电阻率检测采用K-6470 N多功能大电流土壤电阻率测试仪。该测试仪是由法国CA公司制造，是欧洲测试、测量领域的领先设计制造商之一，其接地测试产品是按照法国电力公司的测试需求及国际现行标准设计制造，其精准稳定的测试性能和全面完善的功能设置，已成为业界的优选产品，所以选用该仪器进行土壤电阻率的测量工作，土壤电阻率测量仪器接线示意图如图3所示。

图3 土壤电阻率测量仪器接线示意图

4.2 土壤电阻率测试值

根据图3接线进行土壤电阻率测量，极间距选取从0.1～20 m，受到场地本身的限制，极间距最大值选取为20 m。

4.3 土壤结构反演

根据土壤电阻率测量值，利用CDEGS软件进行该项目的土壤结构参数反演工作，对土壤电阻率的测量值进行曲线拟合，根据拟合结果得到实际的土壤结构参数。用平均相对误差来表征拟合效果的好坏，平均相对误差表达式见下式，其中：Xc为拟合值，Xt为测量值，N为检测组数。

根据反演结果计算拟合的平均相对误差，计算结果为12.59%。图4给出了土壤结构反演的拟合曲线，从曲线上看出拟合曲线基本与土壤电阻率测量点走势一致，拟合效果可以满足实际工程要求。表1给出了土壤结构参数反演值，可以看出，该地块土壤结构为3层，上层和下层的土壤电阻率较小，中层的土壤电阻较大。

图4 拟合曲线

表1 土壤结构参数反演值

4.4 接地网性能评价

4.4.1 接地网模型建立及接地电阻仿真

根据该项目的防雷设计图纸(见图5)，在CDEGS软件中建立接地网模型，如图6所示。在接地模型中设置土壤结构参数，将土壤结构参数设置成表1中的数值，然后进行接地电阻的仿真，仿真得到的接地电阻为：1.33 Ω。为了验证该接地电阻的仿真值是否与实际值相符，对该建筑的接地电阻进行实地测量。

图5 防雷接地网设计图纸

图6 接地网模型

4.4.2 接地电阻测量及验证

该建筑的接地电阻实地测量值为1.03 Ω，与仿真结果相近。因此，利用该方法进行接地电阻仿真对实际工程具有一定的参考意义，可以用于指导实际的工程接地设计。根据防雷图纸进行接地电阻的仿真校验，可以评价所设计地网的接地电阻值能否达到预期的目标，当无法满足预期目标时，可以改进接地网的设计，再次进行接地电阻的仿真验证，直到接地电阻满足预期目标为止。通过该方法，可以有效防止在建项目因接地电阻不合格返工造成的经济损失，从而有效减少建设成本。

5 结语

本文阐述了CDEGS系统在高速公路防雷设计中的应用，并通过实际案例讲述了具体的应用方法，并进行验证。结果表明该软件在接地电阻评估中具有一定的参考意义，可以利用该软件进行接地电阻的性能评估，从而有效地指导防雷接地设计，提高高速公路机电设施的雷电防御能力，保证高速公路的安全稳定运行，提高经济和社会效益。