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[摘 要] 本文通过对接地降阻的诸多方法进行学习研究，在工程实例设计过程中进行运用，对某高山通信基站接地降阻制定了一套优化设计方案，该方案在工程验收检测时效果显著，在确保地网接地电阻达标的同时，节约了施工成本。因此，在恶劣的施工环境中，因地制宜，找出合适的接地方式和降低接地电阻的措施是必要的。
[关键词] 接地网 接地电阻 土壤电阻率 优化设计
1.接地电阻降阻方法
为了达到降低接地网接地电阻的目的，首先需要从理论上研究降低接地电阻的方法。由公式R=ρε/C可以看出，降低接地电阻有以下两种途径，一是增大接地体几何尺寸，以增大接地体的电容C；二是改善地质电学性质，减小地的电阻率ρ和介电系数ε。
接地网是接地系统的基础，由接地环（网）、接地极（体）和引下线组成，以往常有种误解，把接地环作为接地的主体，很少使用接地体，在接地要求不高或地质条件相当优越的情况下，接地环也能够起到接地的作用，但是通常的情况下，这是不可行的，接地环可以起到辅助接地的作用，主导作用是用接地体来完成的。决定接地电阻大小的因素很多，下面先来分析一下计算传统地网接地电阻的公式（仅以接地环接地时）。
式中：
р（Ω.m）——土壤电阻率；
d(m)——钢材等效直径；
S（m2）——地网面积；
H(m)——埋设深度；
L(m)——接地极长度(m) ；
A——形状系数。
式（1）表明，传统的接地方式在土壤电阻率已经确定的情况下，要想达到设计要求的电阻必须有足够的接地面积，要降低接地电阻只有扩大接地面积，每扩大4倍的接地面积，接地电阻会降低一倍。
式（2）、（3）表明，在上述的接地网中，要降低接地电阻的另一个方法是加大接地材料的尺寸，但是耗材太大而且效果并不理想。以下降低接地电阻的一些常用的合理的方法。
1.1增大接地网面积
由上面接地电阻的物理概念，大地电阻率ρ和介电系数ε不容易改变，而接地电阻R与接地网电容C成反比：从理论上分析，接地网电容C主要由它的面积尺寸决定，与面積成正比，所以接地网面积与接地电阻成反比。减小接地网接地电阻，增大接地网面积是可行途径。一个有多根水平接地体组成的接地网可以近似地看成一块孤立的平板，借用平板接地体接地电阻计算公式，当平板面积增大一倍时，接地电阻减小29.3%。
1.2增加垂直接地体
依据电容概念，增加垂直接地体可以增大接地网电容。当增加的垂直接地体长度和接地网长、宽尺寸可比拟时，接地网由原来的近似于平板接地体趋近于一个半球接地体，电容会有较大增加，接地电阻会有较大减小。由埋深为零半径为ｒ的圆盘和半径为ｒ的半球电容之比４εr／２πεr可得，接地电阻将减小３６％。但是对于大型接地网，其电容主要是由它的面积尺寸决定，附加于接地网上有限长度（２～３ｍ）的垂直接地体，不足以改变决定电容大小的几何尺寸，因而电容增加不大，亦接地电阻减小不多。所以大型接地网不应加以增加垂直接地体作为减小接地电阻的主要方法，垂直接地体仅作为加强集中接地散泄雷电流之用。唯一有效的途径是采用深井接地。
1.3人工改善地电阻率
在高电阻率地区采用人工改善地电阻率的方法，对减小接地电阻具有一定效果。例如，对于一个半径为ｒ的半圆球接地体而言，其接地电阻的50%集中在自接地体表面至距球心2ｒ的半圆球内，如果将ｒ至2ｒ间的土壤电阻率降低，可使接地电阻大大减小。设原地电阻率为ρ2，将ｒ至2ｒ范围内的电阻率为ρ2的土壤用低电阻率的材料ρ1置换，则半圆球接地体的接地电阻为：ＲX=(ρ1+ρ2)/4лr
置换前的接地电阻RX为：
RX=ρ2/2πr
R与RX之比为：
R/RX=(ρ1+ρ2)/2ρ2
当ρ1<<ρ2，上式改写为： R=RX/2=ρ2/4πr
故接地电阻减小的百分数为５０%。另外由上式可以看出，用低电阻率的材料置换半球附近高电阻率的土壤，相当于将半球接地体的半径由Ｒ增大到２Ｒ，由于接地体几何尺寸的增加，而使接地电阻减小。
1.4深埋接地体
在地电阻率随地层深度增加而减小较快的地方，可以采用深埋接地体的方法减小接地电阻。地的电阻率随深度而减小的规律，往往在达到一定深度后，地电阻率会突然减小很多。因此利用大地性质，深埋接地体后，使接地体深入到地电阻率低的地层中，通过小的地电阻率来达到减小接地电阻的目的。对于地电阻率随地层深度的增加而减小不大的地方，由于地电阻率变化不大，增加接地网的埋深只是增大接地网的电容。利用电容的概念，电容具有储藏电场能量的本领，它所储藏的能量，不是储藏在极板上，而是储藏在整个介电质中，即整个电厂中：介电质中的能量密度，既与介电系数有关，又与电场的分布有关，因此，比起接地网的几何尺寸小得多的有限埋深，所增加的储藏能量的介质空间极为有限；在有限空间中的能量密度又小，储藏的总能量也就增加不多，即电容增加不大，所以对减小接地电阻作用不大，不宜采用深埋接地体的方法减小接地电阻。深埋接地体和敷设水下接地网可以大大降低直流电阻，但对降低交流电阻作用不大。
1.5利用自然接地体
充分利用混凝土结构物中的钢筋骨架、金属结购物，以及上下水金属管道等自然接地体，是减小接地电阻的有效措施，而且还可以起引流、分流、均压作用，并使专门敷设的接地带的连接作用得到加强。
2.始兴县某高山通信基站接地降阻设计方案
2.1项目概述
该基站设于始兴县郊区山顶上,基站地处空旷，地质环境恶劣，山体表层为碎石和风化土，测得土壤电阻率高达2300Ω.m左右。基站由一座高15米的三角型铁塔和一间长6米×宽4米×高3米的机房组成，基站现有接地系统有一圈围绕机房和铁塔基础敷设的扁钢组成，接地电阻趋于无穷大，根据甲方招标文件要求该基站接地电阻设计要求为≤10Ω。
2.2项目设计综合分析
若设接地网所占面积为S，则当该面积内全部铺满钢材，即地网成为一面积为S的金属板时，其接地电阻可达到最小值。反之，把水平接地体减少到只剩一个勾划出地网轮廓的外框时，其接地电阻降达到最大值。根据计算和实际工程经验，如果我们将闭合环形地网内部全部铺满钢材，其地网接地电阻约在原有基础上下降大约25～40％；这是因为地网内部的钢材被四周的轮廓所屏蔽，电流绝大部分都是由四周的轮廓所散发出的缘故。可见，在地网内部铺设很多钢材，对降低接地电阻的效果是不明显的。由于土壤电阻的存在，电流自接地电极往周围土壤流散时，会在土壤中产生压降并形成一定的地表电位分布。对接地网接地电阻值和地网的覆盖面积可以估算如下：
式中：
R－接地网接地电阻估算值；
－土壤电阻率；东莞移动大朗镇博贝岭基站取值为2300Ω.m；
S－接地网覆盖面积；单位：m2。
此基站设计接地阻值小于或等于10Ω，这样既可有效地节约成本也能对机房内的设备起到良好的保护,根据计算，该基站接地网需要开挖接地体长度在460米。考虑到接地网建设过程中，由于不可预见的风险情况，以及地网的投资限制，我们建议此通信基站接地网建设中采用接地防腐降阻剂、非金属接地模块和长效离子接地极配合工程施工，在严格控制建设成本的前提下使地网能安全可靠的达到规范和设计要求。
通信基站地网的有效范围确定：接地体的有效长度Le应该按下式确定：
——敷设接地体处的平均土壤电阻率，单位：Ω·m。
由于该通信基站取值为2300Ω.m，所以本地网开挖敷设水平接地体的有效半径长度不可超过96米的长度限制。
2.3项目设计计算过程：
2.3.1垂直接地体的用量设计及效果
根据移动基站的地形特点，采用20根长效离子接地极加40块非金属接地模块较为理想。
2.3.1.1离子接地极设计前的准备工作
设计前必须测试现场的土壤电阻率，特别在需要埋设电解离子长效接地极的地方最好能测试该点的土壤电阻率。根据测得的土壤电阻率数值和系统对接地电阻的要求进行设计估算。
估算时首先要查询以下的数据表：
序号 土壤类别 电阻率约值 离子接地极接地电阻 常规等长接地电阻
1 陶粘土 10 1.54 3.48
2 泥炭、沼泽地 20 3.06 6.97
3 黑土、田园土 50 7.60 17.4
4 粘土 60 9.13 20.9
5 砂质粘土 100 15.2 34.8
6 黄土 200 30.3 69.7
7 含沙粘土 300 45.5 104.5
8 多石土壤 400 60.6 136.4
9 紅色风化粘土 500 75.7 174.2
10 表层土夹石 600 90.9 209.0
11 风化石土 1000 151.5 348.4
b、多个接地极并联的接地电阻值估算
其中：
：单个长效接地极的接地电阻值
：并联长效接地极的个数
：有效利用系数，其取值0.65
根据估计可得到≈350Ω，≈27Ω
2.3.1.2非金属接地模块设计前的准备工作
单个非金属接地模块并联的接地电阻值估算：=0.18＝0.18×2300＝414Ω
多个非金属接地模块并联的接地电阻值估算：
其中：
：单个接地模块的接地电阻值
：并联长效接地极的个数
：有效利用系数，其取值为0.65
根据估计可得到≈414Ω，≈16Ω
垂直接地体的接地电阻＝12.6Ω
2.3.2水平接地体的长度设计
本方案设计垂直接地体间距3米埋设，故与垂直接地相连的水平接地体的长度约为190米。
其中：
r为土壤电阻率
l为水平接地极的长度
d为水平接地极的直径
h为水平接地极的深度
A为水平接地体分布形状系数
计算得到： ≈28W
考虑到地网开挖面积有限，为了提高整个地网的整体降阻效率和瞬间泄流能力，防腐蚀能力以及地网的使用寿命，需要在接地体周围包覆长效防腐降阻剂，用量为20kg/m，加了降阻剂水平接地体的接地电阻为：=×0.6＝28×0.6＝16.8Ω。
2.3.3总的接地系统的接地电阻为：
计算得到：R≈7.2 W
2.3.4结论：
计算得到的理论数据符合设计要求，可根据设计方案指定详细施工计划进行实施（附：地网设计平面示意图见图1）。
图1 通信基站地网设计平面示意图
参考文献:
[1]《建筑物防雷设计规范》GB 50057-94.
[2]《移动通信基站防雷与接地设计规范》YD5068-98.
[3] 苏邦礼等.雷电与避雷工程[M].中山大学出版社，1996，11.
[4] 李景禄.关于大中型接地网接地装置降阻措施的经验.
作者简介：
王飞凤，女，助理工程师，本科，主要从事防雷防护工作。
[关键词] 接地网 接地电阻 土壤电阻率 优化设计
1.接地电阻降阻方法
为了达到降低接地网接地电阻的目的，首先需要从理论上研究降低接地电阻的方法。由公式R=ρε/C可以看出，降低接地电阻有以下两种途径，一是增大接地体几何尺寸，以增大接地体的电容C；二是改善地质电学性质，减小地的电阻率ρ和介电系数ε。
接地网是接地系统的基础，由接地环（网）、接地极（体）和引下线组成，以往常有种误解，把接地环作为接地的主体，很少使用接地体，在接地要求不高或地质条件相当优越的情况下，接地环也能够起到接地的作用，但是通常的情况下，这是不可行的，接地环可以起到辅助接地的作用，主导作用是用接地体来完成的。决定接地电阻大小的因素很多，下面先来分析一下计算传统地网接地电阻的公式（仅以接地环接地时）。
式中：
р（Ω.m）——土壤电阻率；
d(m)——钢材等效直径；
S（m2）——地网面积；
H(m)——埋设深度；
L(m)——接地极长度(m) ；
A——形状系数。
式（1）表明，传统的接地方式在土壤电阻率已经确定的情况下，要想达到设计要求的电阻必须有足够的接地面积，要降低接地电阻只有扩大接地面积，每扩大4倍的接地面积，接地电阻会降低一倍。
式（2）、（3）表明，在上述的接地网中，要降低接地电阻的另一个方法是加大接地材料的尺寸，但是耗材太大而且效果并不理想。以下降低接地电阻的一些常用的合理的方法。
1.1增大接地网面积
由上面接地电阻的物理概念，大地电阻率ρ和介电系数ε不容易改变，而接地电阻R与接地网电容C成反比：从理论上分析，接地网电容C主要由它的面积尺寸决定，与面積成正比，所以接地网面积与接地电阻成反比。减小接地网接地电阻，增大接地网面积是可行途径。一个有多根水平接地体组成的接地网可以近似地看成一块孤立的平板，借用平板接地体接地电阻计算公式，当平板面积增大一倍时，接地电阻减小29.3%。
1.2增加垂直接地体
依据电容概念，增加垂直接地体可以增大接地网电容。当增加的垂直接地体长度和接地网长、宽尺寸可比拟时，接地网由原来的近似于平板接地体趋近于一个半球接地体，电容会有较大增加，接地电阻会有较大减小。由埋深为零半径为ｒ的圆盘和半径为ｒ的半球电容之比４εr／２πεr可得，接地电阻将减小３６％。但是对于大型接地网，其电容主要是由它的面积尺寸决定，附加于接地网上有限长度（２～３ｍ）的垂直接地体，不足以改变决定电容大小的几何尺寸，因而电容增加不大，亦接地电阻减小不多。所以大型接地网不应加以增加垂直接地体作为减小接地电阻的主要方法，垂直接地体仅作为加强集中接地散泄雷电流之用。唯一有效的途径是采用深井接地。
1.3人工改善地电阻率
在高电阻率地区采用人工改善地电阻率的方法，对减小接地电阻具有一定效果。例如，对于一个半径为ｒ的半圆球接地体而言，其接地电阻的50%集中在自接地体表面至距球心2ｒ的半圆球内，如果将ｒ至2ｒ间的土壤电阻率降低，可使接地电阻大大减小。设原地电阻率为ρ2，将ｒ至2ｒ范围内的电阻率为ρ2的土壤用低电阻率的材料ρ1置换，则半圆球接地体的接地电阻为：ＲX=(ρ1+ρ2)/4лr
置换前的接地电阻RX为：
RX=ρ2/2πr
R与RX之比为：
R/RX=(ρ1+ρ2)/2ρ2
当ρ1<<ρ2，上式改写为： R=RX/2=ρ2/4πr
故接地电阻减小的百分数为５０%。另外由上式可以看出，用低电阻率的材料置换半球附近高电阻率的土壤，相当于将半球接地体的半径由Ｒ增大到２Ｒ，由于接地体几何尺寸的增加，而使接地电阻减小。
1.4深埋接地体
在地电阻率随地层深度增加而减小较快的地方，可以采用深埋接地体的方法减小接地电阻。地的电阻率随深度而减小的规律，往往在达到一定深度后，地电阻率会突然减小很多。因此利用大地性质，深埋接地体后，使接地体深入到地电阻率低的地层中，通过小的地电阻率来达到减小接地电阻的目的。对于地电阻率随地层深度的增加而减小不大的地方，由于地电阻率变化不大，增加接地网的埋深只是增大接地网的电容。利用电容的概念，电容具有储藏电场能量的本领，它所储藏的能量，不是储藏在极板上，而是储藏在整个介电质中，即整个电厂中：介电质中的能量密度，既与介电系数有关，又与电场的分布有关，因此，比起接地网的几何尺寸小得多的有限埋深，所增加的储藏能量的介质空间极为有限；在有限空间中的能量密度又小，储藏的总能量也就增加不多，即电容增加不大，所以对减小接地电阻作用不大，不宜采用深埋接地体的方法减小接地电阻。深埋接地体和敷设水下接地网可以大大降低直流电阻，但对降低交流电阻作用不大。
1.5利用自然接地体
充分利用混凝土结构物中的钢筋骨架、金属结购物，以及上下水金属管道等自然接地体，是减小接地电阻的有效措施，而且还可以起引流、分流、均压作用，并使专门敷设的接地带的连接作用得到加强。
2.始兴县某高山通信基站接地降阻设计方案
2.1项目概述
该基站设于始兴县郊区山顶上,基站地处空旷，地质环境恶劣，山体表层为碎石和风化土，测得土壤电阻率高达2300Ω.m左右。基站由一座高15米的三角型铁塔和一间长6米×宽4米×高3米的机房组成，基站现有接地系统有一圈围绕机房和铁塔基础敷设的扁钢组成，接地电阻趋于无穷大，根据甲方招标文件要求该基站接地电阻设计要求为≤10Ω。
2.2项目设计综合分析
若设接地网所占面积为S，则当该面积内全部铺满钢材，即地网成为一面积为S的金属板时，其接地电阻可达到最小值。反之，把水平接地体减少到只剩一个勾划出地网轮廓的外框时，其接地电阻降达到最大值。根据计算和实际工程经验，如果我们将闭合环形地网内部全部铺满钢材，其地网接地电阻约在原有基础上下降大约25～40％；这是因为地网内部的钢材被四周的轮廓所屏蔽，电流绝大部分都是由四周的轮廓所散发出的缘故。可见，在地网内部铺设很多钢材，对降低接地电阻的效果是不明显的。由于土壤电阻的存在，电流自接地电极往周围土壤流散时，会在土壤中产生压降并形成一定的地表电位分布。对接地网接地电阻值和地网的覆盖面积可以估算如下：
式中：
R－接地网接地电阻估算值；
－土壤电阻率；东莞移动大朗镇博贝岭基站取值为2300Ω.m；
S－接地网覆盖面积；单位：m2。
此基站设计接地阻值小于或等于10Ω，这样既可有效地节约成本也能对机房内的设备起到良好的保护,根据计算，该基站接地网需要开挖接地体长度在460米。考虑到接地网建设过程中，由于不可预见的风险情况，以及地网的投资限制，我们建议此通信基站接地网建设中采用接地防腐降阻剂、非金属接地模块和长效离子接地极配合工程施工，在严格控制建设成本的前提下使地网能安全可靠的达到规范和设计要求。
通信基站地网的有效范围确定：接地体的有效长度Le应该按下式确定：
——敷设接地体处的平均土壤电阻率，单位：Ω·m。
由于该通信基站取值为2300Ω.m，所以本地网开挖敷设水平接地体的有效半径长度不可超过96米的长度限制。
2.3项目设计计算过程：
2.3.1垂直接地体的用量设计及效果
根据移动基站的地形特点，采用20根长效离子接地极加40块非金属接地模块较为理想。
2.3.1.1离子接地极设计前的准备工作
设计前必须测试现场的土壤电阻率，特别在需要埋设电解离子长效接地极的地方最好能测试该点的土壤电阻率。根据测得的土壤电阻率数值和系统对接地电阻的要求进行设计估算。
估算时首先要查询以下的数据表：
序号 土壤类别 电阻率约值 离子接地极接地电阻 常规等长接地电阻
1 陶粘土 10 1.54 3.48
2 泥炭、沼泽地 20 3.06 6.97
3 黑土、田园土 50 7.60 17.4
4 粘土 60 9.13 20.9
5 砂质粘土 100 15.2 34.8
6 黄土 200 30.3 69.7
7 含沙粘土 300 45.5 104.5
8 多石土壤 400 60.6 136.4
9 紅色风化粘土 500 75.7 174.2
10 表层土夹石 600 90.9 209.0
11 风化石土 1000 151.5 348.4
b、多个接地极并联的接地电阻值估算
其中：
：单个长效接地极的接地电阻值
：并联长效接地极的个数
：有效利用系数，其取值0.65
根据估计可得到≈350Ω，≈27Ω
2.3.1.2非金属接地模块设计前的准备工作
单个非金属接地模块并联的接地电阻值估算：=0.18＝0.18×2300＝414Ω
多个非金属接地模块并联的接地电阻值估算：
其中：
：单个接地模块的接地电阻值
：并联长效接地极的个数
：有效利用系数，其取值为0.65
根据估计可得到≈414Ω，≈16Ω
垂直接地体的接地电阻＝12.6Ω
2.3.2水平接地体的长度设计
本方案设计垂直接地体间距3米埋设，故与垂直接地相连的水平接地体的长度约为190米。
其中：
r为土壤电阻率
l为水平接地极的长度
d为水平接地极的直径
h为水平接地极的深度
A为水平接地体分布形状系数
计算得到： ≈28W
考虑到地网开挖面积有限，为了提高整个地网的整体降阻效率和瞬间泄流能力，防腐蚀能力以及地网的使用寿命，需要在接地体周围包覆长效防腐降阻剂，用量为20kg/m，加了降阻剂水平接地体的接地电阻为：=×0.6＝28×0.6＝16.8Ω。
2.3.3总的接地系统的接地电阻为：
计算得到：R≈7.2 W
2.3.4结论：
计算得到的理论数据符合设计要求，可根据设计方案指定详细施工计划进行实施（附：地网设计平面示意图见图1）。
图1 通信基站地网设计平面示意图
参考文献:
[1]《建筑物防雷设计规范》GB 50057-94.
[2]《移动通信基站防雷与接地设计规范》YD5068-98.
[3] 苏邦礼等.雷电与避雷工程[M].中山大学出版社，1996，11.
[4] 李景禄.关于大中型接地网接地装置降阻措施的经验.
作者简介：
王飞凤，女，助理工程师，本科，主要从事防雷防护工作。