东北浅层冻土结构接地设计...

庄严张毓琦

雷霆防雷网广州华炜

关键词：浅层冻土防雷接地接地电阻非金属接地体

摘要：我国南北方土壤结构不同，气候的季节性差异较大,在北方大部份地区冬季时间长，冻土层深、土壤电阻率普遍较高,在这种环境下在接地施工时往往要求在冻土层以下施工，但对于接地材料的选择上仍存在较大问题,一般金属材料无法适应北方特有的土壤环境而造成接地电阻的巨大差异,使地网改造成本的提高,本文结合东北地区特有的浅层冻土造成接地电阻变化的情况，阐述在浅层冻土环境下的接地施工。

1.冻土及冻土对接地电阻的影响

1.1冻土

冻土是指地表至100cm范围内有永冻土壤温度状况，地表具多边形土或石环等冻融蠕动形态特征的土壤。本土纲相当于美国土壤系统分类的新成土纲（Entisol）、始成土纲（Inceptisol）、有机土纲（Histosol），联合国土壤分类的始成土（Cambisols）、潜育土（Gleysols）、粗骨土（Regosols）、有机土。它包括的土类有冰沼土（冰潜育土）和冻漠土。本文讨论的主要冻土特性是冻土层浅薄的浅层冻土，浅层冻土[浅层冻土按分类归为冰沼土（Tundra soils）]在我国主要分布在东北大部分地区,整个黑龙江省及内蒙、吉林省的北部地区。冰沼土是冻土中具有常潮湿土壤水分状况，具有碳氮比＞13的潜育暗色表层和pH＜4.0的斑纹AB层的土壤。冰沼土土层浅薄，剖面由泥炭层和潜育层组成，土体构型为O-Oi-Cg或Oi-Cg型。冰沼土的有机质含量低，阳离子代换量低，呈微酸性至酸性反应，营养元素缺乏。

1.2.冻土对接地电阻的影响

相关资料表明冻土对接地电阻有非常明显的影响,而造成这种影响的因素很多,从土壤的结构、类型、当地的气温、降水量及土壤中的有机质含量等。而土壤的含水量及土壤的温度是影响土壤电阻率的主要因素。并且通过计算可以直接对冻土环境的接地工程量进行比较，以冻土环境设计5 大型电流回流接地系统为例，通过接地计算公式：

其中：：土壤电阻率

S：接地网面积m²

R：接地电阻

如土壤沙率20%左右的浅层冻土的土壤电阻率取3000 时，使用常规金属接地材料，敷设的地网面积则需要达到90000 m²。这如此大的地网面积无非需要大量经济成本，而且接地电阻的年平均变化率一般在50%左右，增加了地网的维护成本。而目前对于浅层冻土地区的接地方法主要有：1深井法,2换土,3预埋加热装置,防止冻土形成,4.加盐,改变土壤性质.而在使用常规材料进行接地施工时,往往不能得到预期的效果.

2.非金属接地体在浅层冻土环境中的应用

在正常土壤环境中,对接地电阻R有较大影响的两个参数分别是:土壤电阻率和介电常数 , 直接反映土壤的电阻特性,对接地电阻R有直接影响,与R成正比,即土壤电阻率越高土壤电阻越大;而则反映土壤的电容特性（俗称地容）它与R成反比，三者的表征公式为：。而实际工程中的接地电阻的组成是由几个部分组成:

（1）接闪装置到接地体之间连接线上的电阻；

（2）接地装置自身的内阻;

（3）接地装置与土壤之间的接触电阻;

（4）雷电流通过接地体向土壤散流时土壤呈现动态电阻。

而在雷电流入地的整个过程中能起到关键作用的环节是如何降低接地体与土壤之间有电流通过时的动态电阻。非金属接地体的主要构成材料为石墨粉，通常通过高温烧结的石墨接地材料其内部产生比自身体积大50倍以上的石磨蠕虫，而层间裂解形成具有发达孔结构的膨胀石墨蠕虫体，其表面可达50～200m²/g。由于其有超过自身数十倍的等效面积，所以可以达到改变周围土壤和的作用。并且石墨经膨胀后，不仅保留了天然鳞片石墨材料所固有的耐高、低温，耐酸、碱腐蚀，导热，导电，自润滑和抗幅射等诸多优点，而且其特殊的网络状孔结构，还赋予它良好的压缩性、回弹性、低应力高松驰率、高吸水、吸油性，以及热、电导能力的高度异向性等许多独特的功能，其导电性也达到最大化，电阻率可达16.465 10^-6 ，产品长度直流电阻为50 mΩ（相当于铜的导电性），由于理化特性稳定，所以在实际施工环境中不受周围土壤 PH值的影响。大量的工程实践表明，非金属接地材料在东北浅层冻土环境中年电阻平均波动率<15%.

图1 烧结型非金属接地体

3.非金属接地装置在半永冻土环境中的实验数据

05年国内有关单位在四川省巴郎山冻土区对部分非金属接地材料进行了一次对比实验。对比实验中分别选取了圆柱体及烧结型和压制型两个类型的产品。实验场地位于四川阿坝州卧龙自然保护区范围内，平均海拔3900m以上，冬季气温在零下30度左右，土质为黄土加风沙石块，冻土深度大于50cm,最深处达到2m,土质复杂，地层分布不均匀。在该实验地区埋设了两型号共计6块产品，通过不同的埋设方式测试非金属接地装置在冻土环境下的力学特性和物理电阻变化。实验采用相同的计算公式对非金属接地装置进行统一规则的测评。

接地电阻的估算公式为：

其中：为土壤电阻率，N为基地模块的数量，为非金属接地装置的利用系数，其利用系数取值区间为:0.55-0.95,k为非金属接地体的计算数.为了确保试验数据的准确,试验地的土壤电阻率就必须准确,按照一般的土壤电阻率的测试方法,通常使用三极直线法测量,在试验地采用了传统的温纳四极法测量并采用以下公式计算:

其中: :土壤电阻率

:测试极间距m

R:为仪表测量值Ω

并对测试地的土壤电阻率进行了跟踪测试( ):

表1.土壤电阻率跟踪测试

从上表中可以看出土壤电阻率在不同时间出现了较大变动,明显与季节因素有关.土壤电阻率的降低随着温度的上升而下降,温度升高浅层冻土融化,温度降低浅层冻土重新冻结.由此可得出:同一地区,不同时期测量的数值会有很大差别,对于冻土环境,相同的土层,温度是影响土壤电阻率变化的主要因素。

表2 单块非金属接地体接地电阻跟踪测试表(Ω)

表3 并联非金属接地体的接地电阻(Ω)

试验数据表明:1-9月份非金属接地体的接地电阻平均下降了89%,单只非金属接地体的可将电阻降至300Ω左右(表2),并联非金属接地体的接地电阻降低了86%,由387.0Ω降至53.3Ω,9-11月土壤电阻率平均升高了101%(表1),并联非金属接地体的土壤电阻率平均只升高了22%.图2,3显示了1m深度土壤的电阻率变化趋势与并联非金属接地体情况下的接地电阻变化趋势,可看出接地电阻的变化规律,接地电阻的降低是随着温度的升高,非金属接地体内部的孔隙发挥了吸水保水的作用;当温度降低后,土壤重新返冻,虽然接地电阻同样有所上升,但上升的程度远远低于土壤电阻率的升高程度.

通过试验数据表明:在冻土地区可以通过多只非金属接地体并联,增加等效接地面积的方式实现降低和保持接地电阻稳定的目的.采用非金属接地体降浅层低冻土环境接地电阻的方法与使用传统金属材料作为接地主体材料的方法相比在施工上具有降低施工难度,延长接地网的有效周期、节省工程费用。

4．施工工艺对接地电阻的影响

通过实际的工程比较，非金属接地体的置放方式对其散流存在一定影响，垂直置放比水平置放降阻性能提高10%左右，并联非金属接地体比单只非金属接地体降组性能好，由于并联非金属接地体等效增加接地网面积，改变相对环境的接地电容，所以当单只非金属接地体无法满足设计要求时，可考虑使用并联方式满足工程需要。

图4 垂直置放与水平置放

5 结束语

通过多年的工程实践与相关实验说明：非金属接地体在东北浅层冻土环境下具有比较高的稳定性。由于北方冬季时间长，冻土的溶化期一般在4-5月，所以，在浅层冻土区的接地施工尽量在5月以后开始，并且要考虑在冻土层溶化后的含水下沉问题，所以一般情况不建议使用化学降阻剂，使用化学降阻剂时也应考虑北方雨季的降水对化学降阻剂的下沉及冲刷影响。在使用非金属接地体施工时也应注意以下几个影响其降阻性能的因素：

（1）在选型上，烧制的材料比压制的材料电阻率低，降阻效果好；

（2）施工前确认土壤的冻土层深度及土壤含砂率，及冻土周期和年降水量；

（3）在施工时，尽量使非金属接地体的置放层面冻土层以下，避免冬季施工；

（4）施工后测量接地电阻的准确周期是48-72h后,这是由于非金属接地体内部的孔隙与吸收土壤中的水分需要一定时间,并且要确保回填土的密实性,过于松软的回填土会因为沉降而降低密实性而影响非金属接地体的吸水和保水性能.

（5）在施工过程中,单点单只使用非金属接地体制作的地网如果不能满足设计要求,可采用单点并联的方式增加等效面积来达到设计要求.

参考资料:

(1) 庄严接地网建设.第四届中国国际防雷论坛 2005年

(2) 钟连宏常美生土壤电阻率对雷电放电过程的影响,高压电技术1997,23

(3) 吴广宁等高原多年冻土区降低接地电阻的实验研究西南交通大学学报2005年

(4) 孙为民何金良等季节因素对发变电站接地系统安全性能的影响中国电机工程学报 2000年

(5) 雷霆防雷网非金属材料介绍www.furse.cn