高原某水厂降阻接地方案设计

第一作者简介：苏琛然（1994-），男，工程师。研究方向为市政电气自控。

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

摘" 要：建设于云南省蒙自市的小东山自来水厂处于典型的喀斯特地貌上，地块土壤电阻率较高，采用常规接地做法难以满足联合接地电阻值小于4 Ω的要求。设计选用安装深井垂直接地极、增加水平接地极及使用降阻剂的方案作为降阻措施，经现场实施验证设计方案的可行性，成功降低接地电阻值，提高设备及现场工作人员的安全性。

关键词：高原；水厂；电气设计；接地深井；电阻率

中图分类号：TM862" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：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

建于云贵高原地区的水厂或污水厂等市政设施，常由于所在地区为喀斯特地貌，土壤中含有大量可溶性岩石而导致建、构筑物接地电阻值不达标。市政设计中，笔者暂未见到规范的或较完善的针对此种情况的解决措施，为此，想以此文抛砖引玉，弥补高原地区市政设施接地设计方案之空白。

1" 现场情况简介

小东山水厂位于云南省蒙自市，处于滇中湖盆高原南部，是典型的低纬度高原地区，主要由山脉、岩溶高原、盆地等地貌类型组成，其中小东山水厂所处地区均为泥灰岩，厂区大部分地区土壤电阻率均在4 000 Ω.m左右（局部小范围地区小于此值）。此市政项目共分两期施工建设，其中一期项目已建成并投入运行；近年来，由于片区人口增长迅速，需进行二期工程建设，笔者有幸参与了二期工程的设计。一期工程建、构筑物建有配水井、孔室絮凝斜管沉淀池、V型滤池、臭氧接触池、活性炭滤池、清水池及脱水车间等。二期工程新建建、构筑物有配电间、柴油发电机房、综合楼、絮凝沉淀池、气水反冲洗泵房、气水反冲洗滤池、清水池、加药间及加氯间，总计占地约21 938 m2。

一期工程已建孔室絮凝斜管沉淀池、V型滤池、臭氧接触池及活性炭滤池所处地区大部为泥灰岩，土壤电阻率在3 500 Ω.m左右，但脱水车间及排水排泥池所建地处于耕植土地区，土壤电阻率较小。因此，一期工程设计时为满足规范要求接地电阻值，采用了外引接地极的方法，将高电阻地区各单体接地干线引出，并沿厂区道路埋地敷设至脱水车间，与脱水车间及排水排泥池接地干线焊接为完整电气通路。此方法一方面借由脱水车间所处的低电阻地区降低了全厂的接地电阻值，另一方面敷设的水平接地极扩大了整体的接地面积，进一步降低了接地电阻，最终满足了规范要求。

2" 具体设计方案

2.1" 沿用一期接地方案试算

由于厂区一期工程与二期工程位于同一地块，在得知地块土壤电阻率较高时，在做二期接地设计期间，笔者先对一期工程接地方案进行了了解，意图采用同样的方式降低土壤电阻率。一期工程中，采用了外引接地网的措施以降低土壤电阻率。由于一期厂区脱水车间、排水排泥池所处地区土壤电阻率较低，一期设计先增加全厂一期建、构筑物水平接地极后，将新建接地干线引至脱水车间地块并采用与脱水车间接地干线焊接为完整电气通路的方法使得全厂接地电阻值达标。经现场踏勘了解到，一期工程地块虽与二期地块相邻，但二期地块距离脱水车间位置较远，且两期地块标高差极大，因此沿路敷设外引接地极这一方法变得极为困难。笔者于是考虑先沿用一期降阻的思路，虽然无法外引接地极至低电阻地区，但是可通过将新建二期所有建、构筑物接地干线进行连通，以扩大接地面积的方式进行降阻，具体方法如图1所示。

据此方案，由GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》[1]中均匀土壤中人工接地极工频接地电阻的计算知（本项目中，厂区仅一期地块局部存在低土壤电阻率地区，二期厂区近似按照均匀土壤电阻率地区计算）

R≈0.5，（1）

式中：ρ为土壤电阻率（Ω.m）；S为大于100 m2的闭合接地网的面积（m2）。

本次二期工程中新增水平接地极围成接地网格合计面积约9 269 m2，区域土壤电阻率约4 000 Ω.m，带入式（1）计算得20.774 Ω。由式计算结果知，采用此方案在一定程度上可降低接地电阻值，但远未达到小于4 Ω的要求。

2.2" 考虑采用何种方案降低电阻

根据《工业与民用供配电设计手册（第四版）》[2]“降低高土壤电阻率地区接地电阻的措施”中所述措施，笔者依据本工程情况进行了逐一比选。

第一种方法为外引接地降阻法，指的是当新建建、构筑物2 000 m以内有较低电阻率的土壤时，可敷设导电性较好的扁钢及圆钢等作为外引接地极，将需要做降阻处理的建、构筑物接地干线与低土壤电阻率地区连接为完整电气通路的手段来降低接地电阻值。由于施工措施简单且材料获取容易，因此，此种通过采用金属导体将高土壤电阻率地区与低土壤电阻率地区连通以降低土壤电阻率的方法，是较为常见且性价比较高的降阻手段之一。但在本项目中，由于厂区二期地块基本不存在低土壤电阻率地区，且外引至一期低电阻区难于实现，因此在本工程中此方法不适用。

第二种方法被称为增打井式或深钻式垂直接地极法。此种方法需先采用钻机在合适位置钻孔后，把钢管或角钢等垂直接地极打入井孔内，并向钢管内和井内灌满泥浆，然后采用水平接地极与需降阻设施进行连接以实现降阻。此种方法主要采用增加垂直接地极的方法降低电阻值，但是相较第一种方法，施工措施相对复杂，除对垂直接地深井的数量和深井位置有一定的要求外，还需确认现场是否具备钻孔条件。此种方案对措施的资金投入、设计与施工人员专业度及经验等各方面都有一定的要求。在本项目中，由于二期厂区大部分地区位于岩石上，且现场施工人员具备钻孔施工器械，此种方法可行，只是需对降阻措施单独增加支出，计划列入备选方案。

第三种方法被称为换土法。此种方法需要在接地体周围1～4 m范围内，换上比原来土壤电阻率小得多的土壤，由于换土后，环境土壤电阻率的降低，接地电阻值可以减小到原来的2/3～2/5。这种方法，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较好，在便于换土及拥有较多低电阻率土壤地区的施工环境中，施工难度较小且投入较少，但在石质地层则难以取得较满意效果。在本项目中，若采取此种方法则需对二区厂区采用岩石爆破等措施进行大范围的地质环境改造，投入的人力、物力过高，因此此种方案不适用于此项目。

第四种方法为降阻剂法，降阻剂是一种常用的防雷接地产品，通常由多种成分组成，主要含有细石墨、膨润土、导电水泥等，通常为灰黑色。降阻剂主要通过达成以下3个方面内容来实现降低电阻值：首先，由于降阻剂自身的物理性状为液体或粉末状固体，其会向周围的土壤扩散和渗透，客观上使得接地极周围的土壤类型发生了变化，降低了土壤电阻率，且与接地极一同敷设后，作用类似于增大了接地极的有效接触面积，使得土壤电阻率进一步降低。其次，一些特殊类型的降阻剂还会吸附在接地极表面，可极大地减小甚至消除接地极的接触电阻值。最后，降阻剂具有较强的吸水、保水性，可长时间维持较低电阻率，使电阻值在气候环境等发生变化时不会出现较大波动。在本项目中，可考虑使用降阻剂与其他降阻措施配合使用，进一步降低接地电阻值，考虑作为备选方案。

第五种方法为敷设水下接地网法，此种方法充分利用水工建筑物（水井、水池等）以及其他与水接触的混凝土体内的金属体作为自然接地体，通常可在水下钢筋混凝土结构物内绑扎成的许多钢筋网中，选择一些纵横交叉点加以焊接，并与接地网连接起来。此种方法主要借助水这一优良导体作为降阻媒介，施工难度较小，但是对环境条件要求较高，需要现场具备稳定的水环境。本项目中厂区选址附近无地下水，无敷设水下接地网的条件，此方法不适用。

第六种方法被称为爆破法。爆破接地技术是近年发展起来的降低接地装置接地电阻的新技术，通过爆破制裂，再用压力机将低电阻率材料压入爆破裂隙中，从而起到改善很大范围的土壤导电性能的目的，相当于大范围的土壤改性。此方案与降阻剂配合使用，可取得较好的降阻效果，但是采用爆破措施对施工单位的技术及人员安全性等方面提出了一定要求，且投入较高。在本项目中，由于现场施工单位不具备相关施工措施条件且采用此种方式的投入较高，因此，暂不考虑此种方法。

综上所述，本工程考虑在增设水平接地干线的基础上增打深井垂直接地极，具体做法如图2所示。

图2" 厂区接地深井布置示意图

2.3" 深井接地方案计算

由GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》[1]中在均匀土壤中单根垂直接地极的接地电阻计算公式可知

Rv=ln-1，（2）

式中：Rv为垂直接地极的接地电阻（Ω）；ρ为土壤电阻率（Ω.m）；L为垂直接地极的长度（m）；d为接地极用圆导体时，原导体的直径（m）。设计采用钻机钻出孔径为？椎110 mm，深度为31 m的深井，将DN40热镀锌钢管连接后，放入深井中，其余空隙采用泥浆灌满，如图3所示。

将设计垂直接地极数据带入式（2）得

Rv=× ln-1≈158.792 Ω，

上式为一根垂直接地极接地电阻值，则11根垂直接地极合计接地电阻值约为Rv`≈14.436 Ω。

由GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》[1]中在均匀土壤中不同形状水平接地极的接地电阻计算公式可知

Rh=ln+A，（3）

式中：Rh为水平接地极的接地电阻（Ω）；ρ为土壤电阻率（Ω.m）；L为水平接地极的总长度（m）；h为水平接地极的埋设深度（m）；d为水平接地极的直径或等效直径（m）；A为水平接地极的形状系数（详见《交流电气装置的接地设计规范》中表A.0.2）。

设计选用5 mm×50 mm热镀锌扁钢作为水平接地极，全长约654 m，厂区开挖深度为0.6 m，宽度为0.5 m的接地沟，将接地扁钢敷设于接地沟内，如图4所示。

图3" 垂直接地极敷设示意图

图4" 水平接地极敷设示意图

将设计水平接地极数据带入式（3）得

Rh=×ln-0.6≈15.451 Ω。

全厂复合接地网接地电阻值计算如下

R===7.463 Ω。

经计算，布设水平及垂直接地极后接地电阻值仍未达到小于4 Ω的要求，设计采用辅以降阻剂的方式进一步降低接地电阻值。

2.4" 加降阻剂方案计算

设计将前述图3及图4中接地极敷设填充介质由泥浆改为降阻剂，使用前经现场实际实验测得土壤电阻率由4 000 Ω.m降至1 200 Ω.m以下，则改为降阻剂注浆后，单根垂直接地极接地电阻值变为

Rv=×ln-1≈47.637 Ω，

综合11根垂直接地极接地电阻值为Rv``=4.331 Ω；水平接地极接地电阻值变为

Rh`=×ln-0.6≈4.635 Ω。

全厂复合接地网接地电阻值为

R`===2.239 Ω。

3" 现场施工及结果

3.1" 垂直接地极的制作及安装

首先于设计位置附近用钻机钻出孔径为？椎110 mm，深度为31 m的深井，其次将单根长10 m的DN40热镀锌钢管连接后，放入到深井中，由于存在焊接损耗等，共使用40根钢管，接着采用压力灌浆技术，将降阻剂灌入到钢管及深井中，每10 m约消耗1 t百石牌BSJD-G6型降阻剂。

3.2" 水平接地极的制作及安装

为降低跨步电压，在距离建、构筑物3 m及以上位置开挖深0.6 m、宽0.5 m的接地沟，在接地沟能打入垂直接地极的地方增打长1.5 m，L5 mm×50 mm热镀锌角钢作为垂直接地极，垂直接地极间距离不小于5 m，全厂共使用40根。在水平接地沟内敷设一条长约654 m的5 mm×50 mm热镀锌扁钢作为水平接地接，于沟内垂直接地接焊接为完整电气通路。

3.3" 焊接为完整接地网格

新建水平接地极、深井接地极与各建、构筑基础钢筋主筋（基础主筋与屋面避雷带需形成完整电气通路）三者焊接为完整电气通路后，水平接地沟内注入降阻剂并回填夯实接地沟。全厂防雷接地措施实施完成后，实测接地电阻值约为1.86 Ω，满足原设计小于4 Ω的要求。

在本项目中，笔者根据专业工具书提供的资料，集合实际工程设计经验，分析此高原水厂的特点进而设计接地方案，经实际应用，该计算方法及思路具有较高的可靠性和较强的实用性。望借此为高原水厂接地设计提供一点思路，供同行参考。

4" 结束语

《工业与民用供配电设计手册（第四版）》[2]中常见的降低高土壤电阻率地区接地电阻的6种措施各有优劣，针对高电阻率地区的市政设施，由于环境或资金的各方面限制通常只能选用其中的一种或者是几种结合的降阻措施，这就需要设计人员及施工人员具有较为丰富的经验。笔者在此呼吁各位同行大佬在百忙中抽出一点时间在未来能给出完善的市政降阻接地设计方案，不断提高我国市政行业的电气设计水平。

参考文献：

[1] 住房和城乡建设部.交流电气装置的接地设计规范：GB/T 50065—2011[S].

[2] 刘屏周.工业与民用供配电设计手册[M].4版.北京：中国电力出版社，2016.