引外接地技术在冷湖赛什腾山天文观测基地网设计中的应用分析

余振邦¹旭荣花²张仙^1*

（1.海西州气象局，德令哈817000；2.海西州科技局，德令哈817000）

摘要：针对冷湖赛什腾山天文观测基地的接地网设计问题，结合赛什腾山地区特殊的地质、地形条件，对引外接地技术从适用性、经济性等方面进行了分析和总结，通过CDEGS软件对引外接地进行了仿真分析和验证，发现引外接地技术能有效降低冷湖赛什腾山天文观测基地C区接地网的接地电阻值，在赛什腾山天文观测基地网设计中可以先予考虑。

关键词：引外接地；MALZ；降阻措施

中图分类号：TM862 文献标识码：A

文章编号：1005-9393(2022)03-0060-04

作者简介：余振邦（1982-），男，高工，研究方向：防雷与接地技术。E-mail:280797533@qq.com。

*通讯作者：张仙（1978-），男，工程师，从事气象装备保障工作。E-mail：404485820@qq.com。

基金项目：海西州科技计划项目“冷湖赛什腾山天文活动气象条件观测预警研究”（2020-YZ-C201）。

1 引言

自从发现青海冷湖赛什腾山具备世界级天文台址的光学观测条件后，昔日人迹罕至的赛什腾山正逐渐成为青海省乃至我国的一张靓丽的名片。目前，青海冷湖赛什腾山天文基地已经开始建设，中国科学院、清华大学、南京大学等国内高校和科研机构相继在这里落户。但是冷湖赛什腾山为石灰岩、花岗岩、砂岩等组成的石质山地，土壤电阻率普遍大于5000Ω·m，属于高土壤电阻率地区，地网如何设计是当前接地装置施工中的难点。有人提出引外接地网的方法，本文以冷湖赛什腾山天文观测基地C区为例，对引外接地技术进行分析和试验。

2 引外接地

GB/T50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》第4.3.1条第4款“在高土壤电阻率地区，可采取下列降低接地电阻的措施：在发电厂和变电站2000m以内有较低电阻率的土壤时，敷设引外接地极”^[1]。就是在基地四周寻找低土壤电阻率的地方，敷设引外接地网，并与主地网相连^[2]，其原理就是通过增加接地网面积，增大接地体与低电阻率土壤的接触面积来达到降低接地电阻的目的^[3,4]。在高土壤电阻率、施工困难、降阻难度大的地方，引外接地是比较常用的一种方法。

3 引外接地技术的适用性分析

冷湖赛什腾山天文观测基地的天文观测设备高度集成化、电子化、信息化、智能化，多为弱电系统，抵御雷击波侵入和雷电电磁脉冲损害的能力较弱。部分高精密天文观测设备对接地电阻要求非常高，要求接地电阻值R≤1Ω。

由于赛什腾山天文观测基地所在地均为花岗岩和石灰岩，属于高土壤电阻率地区，接地网施工困难，降阻难度大。常规的接地技术如增加地网面积、添加降阻剂、深井接地、换土等成本巨大。而且，赛什腾山周边土壤多为风化砂土，附近没有电阻率较低的土壤，石灰岩、花岗岩、砂岩等土壤电阻率普遍＞5000Ω·m，山下平原处风化砂土的土壤电阻率也在800~1000Ω·m之间，要想置换土壤电阻率较低的粘土、田园土，只能从200km外进行远距离换土，可见全面换土的方法耗费巨大，只能针对性地局部换土。引外接地技术则成本较低，施工方便。因此引外接地加局部换土的方法在赛什腾山天文观测基地C区地网设计中具有一定的适用性。

4 MALZ仿真分析

文章采用国际知名的CDGES软件进行仿真分析，CDGES是计算在稳态、雷击等暂态条件下，地上或地下导体网络的电磁场分布及导体、地表电位分布等常用的工具^[5]，本文主要使用CDGES的MALZ模块。

4.1 地网模型

以赛什腾山天文观测基地C区为例，山顶基地平台最大对角线长度约为200m。建立一个边长200m、网格尺寸10m×10m的方形水平地网，材料为-40×4镀锌扁钢，接地体埋深0.5m，在地网中心位置添加100KA的电流激励，计算频率为50HZ。

图1 C区接地网结构图

4.2 土壤类型选择

由于赛什腾山C区所在地均为花岗岩和石灰岩，且为巨大的岩石体，目测高度达300~400m，水平方向土壤电阻率很高，均在5000~8000Ω·m，故此处可将C区岩石体视做单一均匀土层，土壤电阻率5000Ω·m。

4.3 MALZ仿真分析计算结果

通过MALZ程序计算其接地电阻值为11.20Ω，详见图2所示。

图2 C区接地网接地电阻值

4.4 计算结果的验证

根据均匀土壤情况下水平接地极接地电阻计算公式^[5]：

式中：R_e为任意形状接地网等面积、等水平接地极总长度的方形接地网接地电阻值（Ω）；S为水平接地网面积（m²）；d为导体直径或等效半径（m）；h为水平接地极的埋设深度（m）；L为水平接地极的总长度（m）。

根据公式计算得出R_e=10.91Ω。与MALZ程序计算值的误差为2.5%，说明通过MALZ仿真分析的值是科学有效的。

5 引外接地仿真分析

我们在C区原地网东侧500m山坳处，建立一个边长50m、网格尺寸10m×10m的方形水平地网，材料为-40×4镀锌扁钢，如图3所示。

图3 引外接地网结构示意图

土壤类型为赛什腾山周边的风化砂土，我们采用回填的风化砂土将引外地网完全覆盖，接地体埋深0.5m，回填的风化砂土视做单一均匀土层，土壤电阻率500Ω·m。外引接地线材料为-40×4镀锌扁钢，接地体埋深0.5m。外引接地线一般设置2~4根，本文为了计算方便，只设1根外引接地线。

通过MALZ程序计算其接地电阻值，详见图4。

图4 C区接地网引外接地后接地电阻值

可见，采用引外接地措施后，C区接地网的接地电阻值降低为1.52Ω，接近天文观测设备接地电阻值R≤1Ω的安全需求。

6 地网安全性分析

通过MALZ程序仿真计算C区接地网在采用引外接地技术前后的接地网电位，结果如图5、图6所示。

图5 C区接地网电位示意图

图6 C区接地网引外接地后电位示意图

由图5、图2可见C区接地网未采用引外接地技术时，C区接地网电位高达1120KV；采用引外接地技术后，C区接地网电位降低为151KV，详见图6、图4。可见，引外接地能够有效降低C区接地网上产生电位。

由于采用了网格化的水平接地网，C区接地网电势比较平均，但是电位较高，需要采取其他降阻措施将地网电位降低到合理的范围之内，再通过保持安全距离、等电位连接、SPD等措施，达到降低地电位反击风险的目的。此外，引外接地造成了高电位外引，具有一定的安全隐患，需采取相应安全措施。

7 结论

通过CDEGS软件仿真分析，并经过公式计算验证，发现引外接地技术能有效降低天文观测基地C区接地网的接地电阻值，引外接地技术适用于冷湖赛什腾山天文观测基地网设计。通过换土、添加降阻剂等降阻措施，能够达到更好的效果。

参考文献:

[1]中华人民共和国电力行业标准DL/T621-1997《交流电气装置的接地》[S].

[2]鲁志伟,常树生,东方,等.引外接地对降低接地网接地阻抗的作用分析[J].高电压技术,2006(6):119-121.

[3]中华人民共和国国家标准GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》[S].

[4]余振邦.电位降法在地网接地阻抗测试中的应用研究与改进[J].工程建设与设计,2018(9):84-87.

[5]王小风.CDEGS软件在电力系统中的应用[D].杭州:浙江大学,2007.

Analysis of the Application of External Grounding Technology in the Design of Astronomical Observation Base Network in Saishiteng Mountain of Lenghu
Yu Zhenbang1, Xu Ronghua2, Zhang Xian1

（1. Haixi Meteorological Bureau, Delingha 817000;  2. Haixi Science and Technology Bureau, Delingha 817000）

Abstract: Aiming at the design of the grounding grid in the Lenghu Saishiteng mountain astronomical  observation base, combined with the special geological and topographical conditions of the Saishiteng mountain area,  this paper analyzes and summarizes the external grounding technology from the aspects of applicability and economy.  Through the simulation analysis and verification of the external grounding through the CDEGS software, it is found  that the external grounding technology can effectively reduce the grounding resistance of the grounding grid in the C  area of the Lenghu Saishiteng mountain astronomical observation base. The network design of Saishiteng mountain astronomical observation base can be considered first.

Key words: external grounding; MALZ; resistance reduction measures

（文章内所有图片受版权保护 违者必究）