东北浅层冻土接地工程设计

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