周權(quán)
摘要:接地網(wǎng)建設(shè)是水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)遙測(cè)站建設(shè)工作的重要基礎(chǔ)。響洪甸水庫(kù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)接地網(wǎng)在建造、鋪設(shè)過(guò)程中,針對(duì)不同遙測(cè)站所在位置、土壤環(huán)境,因地制宜,分別設(shè)計(jì)了不同的接地網(wǎng)施工方案,采取了土壤化學(xué)處理法、深埋接地極法、外引式接地裝置、利用接地電阻防腐降阻劑、專用接地降阻模塊以及伸長(zhǎng)水平接地體等多種方法,使所有遙測(cè)站的防雷接地電阻降到了10Ω以下,取得了良好的接地網(wǎng)接地效果。本文以響洪甸水庫(kù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的燕子河雨量遙測(cè)站接地網(wǎng)改造處理成功為案例,分析該站接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)、施工過(guò)程和材料性能,旨在為水情自動(dòng)測(cè)報(bào)遙測(cè)站建造或其他有戶外防雷、接地網(wǎng)改造需求者提供參考。
關(guān)鍵詞:遙測(cè)站;防雷;接地網(wǎng);接地電阻;降阻劑
隨著水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)的普及,對(duì)戶外水情遙測(cè)站防雷接地技術(shù)或戶外建筑物防雷需求日益增加。遙測(cè)站接地網(wǎng)接地電阻偏高或接地網(wǎng)損壞故障造成野外遙測(cè)站雷擊事故時(shí)有發(fā)生,給水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了較大的隱患。遙測(cè)站的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)建造,對(duì)遙測(cè)站設(shè)備的避雷防雷成功與否,保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行,至關(guān)重要。
響洪甸水庫(kù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)于1997年底建成,1998年元月正式投入運(yùn)行。在水庫(kù)的上游,共建有8個(gè)野外雨量站遙測(cè)站,建設(shè)的位置有山坡、街道、路邊、住宅區(qū)、農(nóng)田,由于保障無(wú)線通信信道暢通特殊需求,有的測(cè)站位置較高,處于雷擊破壞多發(fā)區(qū)域。為確保遙測(cè)站設(shè)備的運(yùn)行安全可靠,在建設(shè)初期,響洪甸水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的接地網(wǎng)建設(shè),嚴(yán)格按相關(guān)規(guī)范要求,采取多種降低接地電阻措施,進(jìn)行防雷接地地網(wǎng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)施工,促使各遙測(cè)站接地網(wǎng)的接地電阻值均降到相關(guān)防雷規(guī)范要求的10Ω以內(nèi)。經(jīng)過(guò)二十多年的運(yùn)行,沒(méi)有一例遙測(cè)站房頂天線、雨量桶、太陽(yáng)能電池板以及房?jī)?nèi)的終端機(jī)等設(shè)備因遭受雷擊而被損壞。
一、接地網(wǎng)改造背景概述
響洪甸水庫(kù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的燕子河雨量遙測(cè)站位置設(shè)在海拔400m的山上。地質(zhì)結(jié)構(gòu)表層為5cm厚的風(fēng)化沙土,下面是沙巖石,電阻率為4000Ω·m。站房最初的接地網(wǎng)建造在站房周圍,采用輻射狀水平接地體末端包圍閉合,面積為900m2左右,沿山體坡度開挖深0.8m、寬0.3m的溝槽,并施用防腐降阻劑包裹接地體,用黃粘土回填鋪設(shè)。
施工完成后,測(cè)得接地網(wǎng)接地電阻為75Ω左右,不能滿足防雷避雷規(guī)范要求,需要進(jìn)一步改造接地網(wǎng)。
二、接地網(wǎng)改造設(shè)計(jì)分析
水平接地網(wǎng)接地電阻的計(jì)算
(1)
式中,R—水平接地體接地電阻,Ω;ρ—埋設(shè)接地體的土壤電阻率,Ω·m;l—水平接地體總長(zhǎng)度,m;d—水平接地極的直徑或等效直徑,m;h—水平接地極的埋設(shè)深度,m;A—水平接地極的形狀系數(shù)。
水平接地極為主邊緣閉合的復(fù)合接地極(接地網(wǎng))接地電阻簡(jiǎn)化計(jì)算
(2)
式中,ρ—埋設(shè)接地體的土壤電阻率,Ω·m;S—接地網(wǎng)的總面積,m2。
從上述兩個(gè)接地電阻計(jì)算公式(1)(2)關(guān)系可以看出,接地電阻除與接地極的長(zhǎng)度、接地網(wǎng)的總面積、埋設(shè)深度有關(guān)外,還與接地體處的地質(zhì)構(gòu)造(即地質(zhì)的電阻率)有關(guān);接地網(wǎng)的形狀影響不是很明顯可忽略考慮(可取近似值1)。其中,土壤電阻率、接地極長(zhǎng)度、接地網(wǎng)總面積對(duì)接地電阻值影響較明顯。那么,在設(shè)計(jì)接地網(wǎng)時(shí),要盡量選擇土壤電阻率低的位置鋪設(shè),或同時(shí)配合使用特效防腐降阻劑,降低土壤電阻率,進(jìn)行物理降阻,增加接地體長(zhǎng)度(或擴(kuò)大接地網(wǎng)包圍面積),以此減少接地網(wǎng)接地電阻。
三、新接地網(wǎng)鋪設(shè)
(一)新地網(wǎng)建設(shè)方案
燕子河雨量站接地電阻超標(biāo),主要原因是站房周圍沙巖石電阻率較大。采用常規(guī)降阻方法不僅施工難度大、成本高,也較難實(shí)現(xiàn)接地電阻達(dá)標(biāo)?,F(xiàn)場(chǎng)觀察雨量站周圍發(fā)現(xiàn),在距離站房120m的下方有面積約為300m2的開闊地洼地。洼地以沖積沙土為主,測(cè)得電阻率平均300Ω·m。因此,可采用外引接地網(wǎng)加施用特效防腐降阻劑的方式進(jìn)行降阻,如圖1所示。
圖1 新舊地網(wǎng)埋設(shè)位置
(二)具體做法
第一,在距離站房120m下方的開闊地帶洼地處,新建一個(gè)矩形封閉式接地網(wǎng);根據(jù)地形,長(zhǎng)、寬分別為55m、37m,用扁鐵鋪設(shè)。
第二,開挖埋設(shè)接地體的溝槽,橫截面尺寸如圖2所示。
第三,施用特效防腐降阻劑。
第四,將新老兩個(gè)接地網(wǎng)用雙根扁鐵連接,連接的引接線也埋設(shè)在溝槽內(nèi),并施用防腐降阻劑。
第五,在矩形接地網(wǎng)的四角,分別打入長(zhǎng)2.0m的角鋼地樁,并與地網(wǎng)扁鐵焊接。
圖2 ?新舊地網(wǎng)尺寸示意圖
(三)用材
1.用材選擇
接地極盡量選用耐腐蝕的熱鍍鋅鋼材,可以延長(zhǎng)接地極的使用壽命;配合施用降阻劑。降阻劑由多種成分組成,含有電解質(zhì)、固化劑、潤(rùn)滑劑及填充材料等,也是一種良好的導(dǎo)電體,用于接地體和土壤之間,一方面,能與金屬接地體緊密接觸,形成足夠的電流流通面;另一方面,能向土壤滲透,在接地體周圍形成一個(gè)變化平緩的低電阻區(qū)域。這些強(qiáng)電解質(zhì)和水分被網(wǎng)狀膠體包圍,網(wǎng)狀膠體的空格又被部分水解的膠體填充,避免隨地下水和雨水流失,因而能長(zhǎng)期保持良好的導(dǎo)電作用。在接地極周圍敷設(shè)降阻劑后,可以起到增大接地極外形尺寸、降低與周圍大地介質(zhì)之間接觸電阻的作用,因而能在一定程度上降低接地極的接地電阻。降阻劑在用于小面積的集中接地、小型接地網(wǎng)時(shí),降阻效果較顯著。
2.具體采用型號(hào)規(guī)格
第一,接地體采用熱鍍鋅扁鋼,規(guī)格尺寸不小于40mm×4mm。
第二,垂直接地樁采用鍍鋅角鋼,規(guī)格尺寸不小于50mm×50mm×5mm。
第三,降阻劑采用的是“威速”GR-25P強(qiáng)效物理降阻劑,用量如表1所示。
3.GR系列接地降阻劑性能
GR系列接地降阻劑,采用VSSIO新一代Dercipe配方,由超高鉬石墨、膨潤(rùn)劑、吸附劑、電解質(zhì)和防腐材料調(diào)配而成,所有成分均無(wú)毒無(wú)污染,屬于環(huán)保型的優(yōu)質(zhì)接地材料。其中,吸附劑能吸附周圍的水分以及有毒的離子質(zhì),凈化周圍土壤環(huán)境。
該防腐劑有較突出的優(yōu)點(diǎn):
(1)綜合性能佳
吸水保濕性突出,內(nèi)含吸附劑,吸水率近20倍,成品吸水率達(dá)50%,可以大幅提升降阻效果。添加膨潤(rùn)劑和凝膠,在水化情況下,凝成一個(gè)整體,減少因雨水因素造成的流失,增加降阻效果持續(xù)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于土壤電阻率>3000Ω·m的環(huán)境,GR降阻效果可達(dá)60%以上,遠(yuǎn)高于同行業(yè)產(chǎn)品。
(2)輔助性能突出
細(xì)度達(dá)300目以上,滲透能力強(qiáng),能瞬間填充土壤的所有細(xì)微空隙,減少接觸電阻。同時(shí)產(chǎn)品對(duì)其他材料的腐蝕<0.015mm/年,是其他接地材料的最佳輔助,適合高山、干旱等土壤電阻率大的環(huán)境。
(3)綠色環(huán)保
無(wú)毒無(wú)污染,對(duì)人體和環(huán)境不構(gòu)成任何危害。
四、施工
(一)施工要求
第一,埋設(shè)接地體的溝槽要開挖到位,溝槽底部要鋪10cm厚的黃土或黃粘土,再鋪撒防腐降阻劑,最后鋪設(shè)鍍鋅扁鋼并焊接。
第二,所有接地極扁鋼、角鋼的焊接疊加接觸長(zhǎng)度不小于15cm,滿焊縫。焊縫要做防腐保護(hù)處理,刷涂防銹漆。
第三,無(wú)法埋設(shè)暴露在空氣中的引接鍍鋅扁鋼,都要刷涂防銹漆。
第四,鍍鋅角鋼接地樁往下打時(shí),如果下方有進(jìn)一步深打的可能,應(yīng)使用加長(zhǎng)角鋼往下打,越深越好。
(二)接地體埋設(shè)溝槽回填步驟
第一,鋪撒降阻劑并覆蓋住鍍鋅角鋼,尤其是在各個(gè)焊接位置,應(yīng)多施用降阻劑完全覆蓋住焊接部位。
第二,鋪撒20cm以上厚度細(xì)土或黃粘土覆蓋住降阻劑,并澆水潤(rùn)濕踩實(shí)。
第三,用本地沙土填滿溝槽剩余空間,并壓實(shí)。
五、接地電阻的測(cè)量
影響測(cè)量接地電阻大小的因素很多,例如,測(cè)量?jī)x表連接接地極的位置、電流線電壓線布設(shè)的位置、插入測(cè)量極的周圍地理環(huán)境(如深度、平地、溝渠、坡地、土壤濕度、土壤緊實(shí)度等)、測(cè)量人員的經(jīng)驗(yàn)、測(cè)量?jī)x表的精度、儀表與接地極連接的接觸電阻等。
為了驗(yàn)證接地網(wǎng)設(shè)計(jì),正確判斷接地網(wǎng)建設(shè)是否滿足防雷避雷要求,選擇符合實(shí)際的測(cè)量方法尤為重要。測(cè)量?jī)x器選定后,先在已知防雷避雷合格的接地網(wǎng)上測(cè)試,再投入測(cè)量使用。
新建成的燕子河雨量遙測(cè)站接地網(wǎng),初次測(cè)量后,分別在半年、一年后進(jìn)行測(cè)量,觀察測(cè)量值有逐漸變小趨勢(shì)。以一年后的測(cè)量值為新地網(wǎng)接地電阻值。
一般情況下,已建成投入使用的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)遙測(cè)站接地網(wǎng),接地電阻測(cè)量應(yīng)選擇在雷雨季節(jié)前土壤電阻率較大的季節(jié)進(jìn)行,即夏季土壤最干燥時(shí)期或冬季土壤冰凍最甚時(shí)期,以確保所測(cè)接地電阻的準(zhǔn)確性。每2~3年測(cè)量一次接地電阻。根據(jù)檢查情況,如果發(fā)現(xiàn)有不合乎要求的地方,應(yīng)及時(shí)作補(bǔ)救處理。
響洪甸水庫(kù)水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)的接地網(wǎng)接地電阻測(cè)量,常用的測(cè)量?jī)x器是ES3001防雷接地電阻測(cè)試儀,測(cè)量精度較高,操作簡(jiǎn)單、便捷。
六、結(jié)語(yǔ)
燕子河雨量遙測(cè)站的接地網(wǎng)經(jīng)過(guò)改造后,接地網(wǎng)接地電阻明顯下降,阻值降到了5Ω以下。經(jīng)過(guò)前十年逐年測(cè)量統(tǒng)計(jì),接地電阻值有逐年下降趨勢(shì),如圖3所示。
圖3 ?燕子河雨量遙測(cè)站接地網(wǎng)改造前后
接地電阻變化趨勢(shì)
響洪甸水情自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)遙測(cè)站建設(shè)的接地網(wǎng),經(jīng)過(guò)20多年的使用表明,設(shè)計(jì)、建設(shè)的防雷避雷措施可以有效保護(hù)各遙測(cè)站設(shè)備,提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性,降低水情系統(tǒng)運(yùn)行成本,可為大型水庫(kù)的水情自動(dòng)測(cè)報(bào)野外遙測(cè)站防雷避雷建設(shè)提供有價(jià)值的參考。
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