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深井接地在巖石丘陵地區(qū)的應(yīng)用與探討

陳正鋒

(大同煤礦集團(tuán) 宏遠(yuǎn)工程建設(shè)有限責(zé)任公司,山西大同037003)

摘要在礦山基本建設(shè)中，礦區(qū)變電所、風(fēng)井場(chǎng)地及瓦斯抽放泵站等建(構(gòu))筑物一般建設(shè)在山區(qū)上，該區(qū)域氣候干燥，雨水少，地質(zhì)以巖石為主，場(chǎng)區(qū)傳統(tǒng)的水平式接地網(wǎng)接地電阻滿足不了設(shè)計(jì)規(guī)范要求，故如何降低場(chǎng)區(qū)接地電阻，長(zhǎng)期有效地保證場(chǎng)區(qū)設(shè)備及人身安全，顯得尤為重要。介紹了巖石丘陵地區(qū)的室外防雷接地施工應(yīng)用情況，通過(guò)實(shí)例對(duì)垂直式深井接地與傳統(tǒng)的水平式接地的實(shí)用性進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了巖石地區(qū)采用深井接地的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，符合國(guó)內(nèi)巖石丘陵地區(qū)室外接地網(wǎng)施工、改造的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞深井接地；巖石丘陵地區(qū)；施工

收稿日期：2014-11-21

作者簡(jiǎn)介：陳正鋒(1972—)，男，四川重慶人，2012年畢業(yè)于長(zhǎng)沙理工大學(xué)，工程師，主要從事機(jī)電工程方面的研究工作

中圖分類號(hào)：TD608

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-0652(2015)01-0043-03

AbstractIn the basic construction of coal mine, the buildings such as mine substation, ventilation shaft site, gas drainage pumping station and others are usually in the mountains area. The climate of the region is dry and less rain, rock is the main geology. In the areas, it can't satisfy the design specification requirement of horizontal grounding network grounding resistance in tradition, so it is particularly important that how to reduce the ground resistance and chronically and effectively ensure the safety of equipment and person in court areas. Introduces the application situation of outdoor lightning protection construction in rock hilly region. The practicability of vertical deep well grounding and horizontal grounding in tradition are compared by living example. Verifies the economy and reliability of deep well grounding in rock hilly region, it conforms to construction and reconstruction trend of outdoor grounding grid in domestic rock hilly region.

在礦山基本建設(shè)過(guò)程中，礦區(qū)的變電所、風(fēng)井場(chǎng)地及地面瓦斯抽放泵站等建(構(gòu))筑物一般建設(shè)在礦區(qū)井田區(qū)域的山區(qū)上，該區(qū)域氣候干燥，雨水少，地質(zhì)以巖石為主，地面表皮軟土厚度約為100 mm，碎石結(jié)合體厚度約為1 000 mm，土壤層較薄，對(duì)水、氣隔絕能力較差，水分揮發(fā)向下滲透較為嚴(yán)重，降雨時(shí)上層滯水，即從地面流失，雨過(guò)天晴，土壤很快變干。場(chǎng)區(qū)傳統(tǒng)的水平式接地網(wǎng)接地電阻滿足不了設(shè)計(jì)規(guī)范要求，因此，采取何種接地施工方法，降低場(chǎng)區(qū)接地電阻，長(zhǎng)期有效地保證場(chǎng)區(qū)設(shè)備及人身安全，顯得尤為重要。

1施工實(shí)例

2012年10月—2013年8月，同煤集團(tuán)宏遠(yuǎn)工程建設(shè)有限責(zé)任公司承攬施工了大同煤礦集團(tuán)大唐塔山煤礦有限公司二盤區(qū)風(fēng)井廣場(chǎng)地面瓦斯抽放泵站安裝工程，其中地面防雷接地工程設(shè)計(jì)為5座避雷線塔，每座避雷線塔均采用“口”字型水平接地網(wǎng)獨(dú)立接地。其水平接地線采用-40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼焊接連接，接地極采用G50δ=3.5 mm，L=2 500 mm鍍鋅鋼管，間隔5 m垂直埋入，埋深-800 mm.同時(shí)，在埋設(shè)接地極及接地線時(shí)，全部換填素土及降阻劑。經(jīng)施工后測(cè)試，該避雷線塔獨(dú)立接地電阻分別達(dá)到112 Ω、212 Ω、115 Ω、160 Ω、180 Ω，系統(tǒng)接地電阻為182 Ω，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)及規(guī)范要求(10 Ω)，不能保證場(chǎng)區(qū)設(shè)備安全及人身安全。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)情況(圖1)，由于瓦斯泵站位于山頂位置，該地區(qū)土質(zhì)主要以巖石層為主，表層軟土在100～150 mm，土壤電阻率較高，降低接地電阻難度較大。同時(shí)，當(dāng)?shù)氐哪昀妆┤赵?1.4 d/a，容易受到雷電襲擊。為了保證場(chǎng)區(qū)及設(shè)備安全可靠，經(jīng)施工方與業(yè)主和設(shè)計(jì)院溝通，對(duì)原防雷接地設(shè)計(jì)方案“水平式接地網(wǎng)”進(jìn)行重新改造施工。

圖1　巖石土層結(jié)構(gòu)圖

該方案的改造重點(diǎn)就是如何降低場(chǎng)區(qū)的接地電阻，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為了達(dá)到降低接地電阻的目的，從電阻公式R=ρε/C可知，降低接地電阻有以下兩種途徑：

1) 增大接地體幾何尺寸，以增大接地體的電容C.2) 改善地質(zhì)電學(xué)性質(zhì)，減小土壤的電阻率ρ和介電系數(shù)ε.因此，根據(jù)土壤的特點(diǎn)，當(dāng)土壤電阻率ρ一定(<300 Ω·m)時(shí)，水平接地網(wǎng)的接地電阻基本是由地網(wǎng)面積決定；當(dāng)土壤電阻率ρ較高(≥300 Ω·m)時(shí)，地網(wǎng)接地電阻就很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

從第一種途徑看，增大接地體幾何尺寸就需要增大水平地網(wǎng)，根據(jù)水平地網(wǎng)接地電阻計(jì)算公式：

R=0.443ρS-1/2+ρL-1/2=0.5ρS-1/2

式中：

L—接地體的總長(zhǎng)度，m；

ρ—土壤電阻率，Ω·m；

S—水平地網(wǎng)的面積，m2.

由上可知，要使接地電阻<10 Ω，則水平地網(wǎng)的面積S≥0.002 5ρ2.設(shè)土壤電阻率ρ=300 Ω·m，則每座線塔水平地網(wǎng)面積要>225 m2，5座塔水平接地網(wǎng)就需要>1 125 m2.

故要降低地網(wǎng)的接地電阻，僅僅停留在地層表面，采用傳統(tǒng)的水平擴(kuò)大地網(wǎng)面積的辦法，在巖石高土壤電阻率地區(qū)是不可取的，也無(wú)法得到穩(wěn)定的理想的接地電阻值，這在實(shí)際操作中是極不經(jīng)濟(jì)，也是不可行的。所以，需要在不增加水平地網(wǎng)面積的情況下，將接地體延伸到地下，與地下含水土層接壤，實(shí)現(xiàn)降阻的目的。等效的接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2.

圖2　 等效的接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，原地網(wǎng)設(shè)計(jì)為“口”字型地網(wǎng)，水平接地線為-40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼，垂直接地體為d50 mm熱鍍鋅鋼管。

改造施工時(shí)，在不增加其水平地網(wǎng)的情況下，根據(jù)土壤分層情況，在水平接地網(wǎng)的終端用工程鉆探機(jī)鉆d50 mm,深60 m的接地深井，垂直引長(zhǎng)接地極，并將深井內(nèi)的接地鍍鋅鋼管與水平接地線扁鋼焊接連通，形成一個(gè)獨(dú)立完善的接地網(wǎng)，同時(shí)在接地深井內(nèi)采用壓力灌漿工藝灌注JLD-II物理高效降阻劑，以得到更低更穩(wěn)定的接地電阻值。采用該方案施工后，在晴朗干燥天氣用ZC-8搖表測(cè)試，每座避雷塔接地電阻值分別為2.1 Ω、1.2 Ω、1.2 Ω、1.0 Ω、0.9 Ω，系統(tǒng)接地電阻為1.2 Ω，達(dá)到了設(shè)計(jì)規(guī)范要求(10 Ω).

2應(yīng)用情況及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析

以施工工程為例。

1) 原設(shè)計(jì)水平地網(wǎng)總面積(以電阻R=10 Ω計(jì)算)。

由式(1)，求得：

每座線塔接地面積：S=225 m2

5座線塔接地網(wǎng)總面積：S總=1 125 m2

2) 原設(shè)計(jì)水平地網(wǎng)施工費(fèi)用(元，原地網(wǎng)面積1 125 m2)：

直接費(fèi)用(含其它直接費(fèi))5 000元，間接費(fèi)1 000元，材料費(fèi)2 500元，合計(jì)85 000元。

3) 采用傳統(tǒng)方式向外擴(kuò)大水平地網(wǎng)費(fèi)用(萬(wàn)元)。

a) 水平改造后地網(wǎng)的總面積。

將已改造后的接地電阻值(以施工后最大阻值2.1 Ω計(jì)算)代入式(1)，求得每座線塔接地面積：S=5 102 m2.

5座線塔接地網(wǎng)總面積:S總=25 510.7 m2

b) 增加的地網(wǎng)面積。

S增=25 510.7-1 125=24 385.7 m2

c) 增加的地網(wǎng)面積與原設(shè)計(jì)地網(wǎng)面積比較。

24 385.7÷1 125=21.676(倍)

d) 計(jì)算水平擴(kuò)網(wǎng)所需的費(fèi)用(萬(wàn)元)。

8.5×21.676=184.25萬(wàn)元

4) 采用深井接地發(fā)生的費(fèi)用。

每座線塔鉆孔4個(gè)，每個(gè)單價(jià)為2萬(wàn)元，小計(jì)8萬(wàn)元，灌降阻劑3.84萬(wàn)元，其它費(fèi)用2萬(wàn)元，合計(jì)13.84萬(wàn)元。

企業(yè)應(yīng)該盡量從原產(chǎn)地或者可靠的采購(gòu)?fù)緩侥秘?，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。企業(yè)可以雇傭?qū)I(yè)性較強(qiáng)的采購(gòu)人員設(shè)計(jì)相關(guān)的采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)或由采購(gòu)人親自把握拿貨的質(zhì)量。例如某超市共100平米，用50平米來(lái)賣生鮮，員工一半人負(fù)責(zé)這項(xiàng)業(yè)務(wù)，銷售的業(yè)績(jī)一半也來(lái)自此類產(chǎn)品，此類產(chǎn)品的價(jià)格比市面上低一成。這是因?yàn)檫@個(gè)超市有約三百位員工組成了一個(gè)生鮮采購(gòu)的團(tuán)隊(duì)，大家分別負(fù)責(zé)不同的產(chǎn)品類別，更是有采購(gòu)人員直接在原產(chǎn)地工作，與當(dāng)?shù)厝诉M(jìn)行良性溝通互相幫助，使得他們生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量有保證。再經(jīng)過(guò)仔細(xì)的挑選等一系列步驟，以保證產(chǎn)品在交給承運(yùn)人之前的品質(zhì)。從根源上就能夠把握住產(chǎn)品，來(lái)降低運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)等成本。

5座線塔共計(jì)：69.2萬(wàn)元。

5) 水平擴(kuò)網(wǎng)與深井接地費(fèi)用比較。

節(jié)省費(fèi)用：184.25-69.2=115.05萬(wàn)元。

故根據(jù)上述分析計(jì)算，利用深井接地，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。該方案能有效降低巖石地區(qū)工業(yè)場(chǎng)區(qū)接地電阻，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，達(dá)到降阻持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、系統(tǒng)穩(wěn)定、耐腐蝕、安全可靠的理想效果。

同時(shí)，該方案減少了場(chǎng)區(qū)占地面積，能長(zhǎng)期有效地保證場(chǎng)區(qū)設(shè)備及人身安全，投資少、工期短，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3施工中應(yīng)注意的問(wèn)題

1) 施工中，深井位置必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，一般安設(shè)在地網(wǎng)邊沿效果較好。若選擇在地網(wǎng)中間，由于水平接地極的屏蔽作用，其效果會(huì)大大減少。

2) 鉆探深孔時(shí)，只要找出地下深層土壤電阻率較低的區(qū)域即可。鉆孔深度需結(jié)合地質(zhì)情況，從經(jīng)濟(jì)實(shí)用的角度出發(fā)，一般不穿過(guò)未風(fēng)化的板巖層?？拙嘁话悴荒苄∮谒降鼐W(wǎng)的等值半徑，盡可能使地網(wǎng)形成半球狀。

4總結(jié)

深井接地施工實(shí)際上是在不擴(kuò)大水平地網(wǎng)的基礎(chǔ)上向大地縱深尋求擴(kuò)大地網(wǎng)面積，即在垂直方向加大地網(wǎng)尺寸，與水平地網(wǎng)連接，形成立體地網(wǎng)。它具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1) 接地極能與土壤良好接觸，降低了接地極與周圍土壤的接觸電阻。

2) 由于地網(wǎng)尺寸加大，使接地體等效直徑加大，降低了接地電阻。

3) 深井內(nèi)灌注的長(zhǎng)效物理降阻劑由導(dǎo)電的非電解質(zhì)固體粉末及起固化作用的水泥組成，電阻率低，接地電阻穩(wěn)定，降阻效果不受季節(jié)變化、酸堿、溫度及濕度影響，能長(zhǎng)期保持。

4) 接地極采用鍍鋅材料及深埋，具有可靠的防腐性能，能保證接地的可靠性和有效性。

5) 能減少場(chǎng)區(qū)占地面積，經(jīng)濟(jì)效果明顯。

因此，深井接地對(duì)巖石地區(qū)地網(wǎng)降阻的效果是明顯的，符合國(guó)內(nèi)巖石丘嶺地區(qū)室外接地網(wǎng)施工、改造的發(fā)展趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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Application and Discussion on Deep Well Grounding in Rock Hilly Areas

CHEN Zhengfeng

Key wordsDeep well grounding; Rock hilly region; Construction

·專題綜述·