破損地網接地改良探討與驗證分析

前言

一般接地系統分成設備接地、系統接地及避雷接地。設備接地為將用電設備的非帶電外殼金屬部份接地，其目的為安全保護，系統接地為發電機或變壓器的繞組，其中性線或低壓導線予以接地，避免電源線路對地的電位升高，一般而言，設備接地與系統接地共用同一接地網，可以降低接地電阻成本，稱作設備系統接地。避雷接地為避雷針裝設在建築物最高處，以低阻抗的銅線引接至避雷地網，在一定範圍內保護建築物或設備遭受雷電的破壞。

新建廠房基地若設置在既有基礎上（基礎混凝土厚度約1.5至2公尺），此時接地網皆已施作完成，為了符合新結構需求，有可能在結構基礎版上進行切割開挖，並且重新配置鋼筋混凝土柱，因此既有地網遭到切斷破壞，幾乎無法避免，如 圖一所示為本案例廠房在建廠時因基礎版切割造成地網破壞狀況（藍色線條為既有地網，橘/黑色方框為切割區域），而 表一則為既有地網接地電阻之量測值。

破損接地網無法供新世代晶圓廠房使用，因此如何改善地網接地電阻值，達到國際標準規範(IEEE-80-2000)及新工處需求建議書(Request for Proposal, RFP)要求，是接下來主要的工作。

計畫方法

依據地網改善及驗證流程圖 圖二，先依接地棒數量、接地網長度規劃，選擇適當接地模型，再以IEEE-80-2000規範進行計算及分析，接地施工過程中進行系統查驗，分成接地棒電阻和接地箱電阻測量，先檢查接地棒電阻值，達到標準值以下，再引接至各樓層接地箱，最後確認每一個接地箱電阻是否正常，完成此接地工程。

確認接地改善模型

在既有基礎版上切割，造成接地網破損，可採兩種改善工法進行評估如 圖三。

方案一為既設地網直接接續法，使用此工法執行接續工程困難度非常高，必須擴大開挖面積，找到被破壞既有地網進行接續修補，因挖掘深度超過五公尺，人員施工時有安全方面風險，工期不易掌握，方案二為新設輔助地網法，為在挖掘樑柱底部位置時，放置接地棒，底部使用土壤改良劑被覆，消除礫石接觸間隙，增加接地棒與原土接觸面積，尾端使用100mm²導線上引至既存混凝土結構面，再鋪設裸銅線作為系統地網，後灌注一層鋼筋混凝土結構，由新設地網上引線至各樓層面位置，完成設備系統接地工程，此工法較節省施工時間，接地系統施工品質也易掌握。

總結上述分析：決定選用方案二之改善模型較符合現況需求。

接地電阻計算分析

接地電阻值定義：由接地點經適當距離後，電位降至零時，所測出的阻抗值。

以單根銅棒（銅包鋼棒）打入或直埋大地，如 圖四，接地電阻公式為

其中：

R：單根接地棒或銅管之接地電阻值(Ω)

L：接地棒或銅管長度(㎝)

ρ：大地土壤電阻係數(Ω-㎝)

r：接地棒或銅管外圍半徑(㎝)

由以上關係式得知，接地電阻值和電極或導體長度及和土壤接觸的截面積外徑有關。

土壤電阻係數(ρ)量測原理

土壤電阻係數測量使用The Wenner's four-pin method (IEEE-80-2000)

• 使用皮尺於地面取一段固定距離L公尺。
• 將直線等分成三份a公尺。
• 在四定點施打電極棒深度b公尺，並且b長度不大於1/20×a，如 圖五。

  圖五、The Wenner’s four-pin method

  
• 此圖型內迴路為電壓迴路，外迴路為電流迴路，從儀表讀取互動比例電阻值R。
• 經由計算式ρ=2πaR，得到土壤電阻係數ρ，單位Ω-m。

土壤電阻係數實際測量

土壤調查資料以臨近區域基地土壤結構做為參考，土壤結構調查結果為在表土3到4公尺以下為大卵礫石及紅土混合地質，測量土壤電阻係數ρ約為150-200Ω-m，ρ平均值為175Ω-m，表二為臨近區域測量數據，測量位置共5處。

系統地網接地電阻值預估

引用IEEE-80-2000 Guide for Safety IN AC Substation（變電所安全指南）中第13及14章節，計算新設輔助地網的接地電阻是否符合標準：

使用IEEE-80-2000-14.2節中Eq.

52 Sverak公式：

其中 :

R：電阻值

ρ：土壤電阻係數=175Ω-m

L_T：導線加地棒總長度=5,600m (約)

A：地網埋設面積=175m×175m = 30,625m²

h：地網埋設深度=0.6m

得到地網接地電阻預估值=0.47Ω，此數據為設定裸銅線及接地棒均埋設在原土壤中，做為設計參考。

接地系統施工

依新設輔助地網法，開挖混凝土結構基礎時，在底部放置19mm×3m接地棒，底部使用土壤改良劑被覆，消除礫石接觸間隙，增加接地棒與原土接觸面積，以三腳鐵架支撐直立，頂端使用XLPE線100mm²導線上引至既存鋼筋混凝土結構面， 圖六、圖七為接地棒施工詳圖及現場施工照片。

完成基礎坑接地棒安裝工作後，鋪設裸銅線地網，如 圖八，將所有基礎坑接地棒並聯及在預設點連接至裸銅線地網，配合基礎版增打灌注一層混凝土，並且連接東側新擴建開挖區地網及相鄰區（CUP棟、辦公棟）地網，後將新設接地網上引線引至各樓層面適當位置。

結果與分析

接地棒電阻值驗證

由於施工範圍廣大，且都為混凝土地面，無法設置參考點檢測單支接地棒埋設後電阻值，故使用接地電阻測量專用的鉗式鉤表為量測工具，將附近2支接地棒使用導線連接，將鉤表鉗住導線，得到2支地棒的串聯電阻值，利用計算方式概算其電阻值，並且監測引出線是否有斷線情況。此案例分成十八區域，如 圖九，各區接地棒經過2支接地棒互相串聯後的測量電阻值， 表三為各區域地棒串聯平均電阻值。

實際土壤電阻係數：

計算此地質結構（混凝土被覆外部為原土的條件）下埋設接地棒平均土壤係數，由測得的2支地棒串聯平均電阻值22Ω，得到單支地棒平均電阻值11Ω。

依IEEE-80-2000-Eq58 (With Bentonite Fill)單支接地棒外被覆改良劑電阻值計算式：

ρB：改良劑及混凝土壤電阻係數= 30Ω-m

D： PC被附平均直徑= 4 m

d：地棒直徑=0.019mm

由上式得到實際土壤平均電阻係數約60Ω-m，比原先估計土壤電阻係數175Ω-m優良，因為接地棒埋設時，加入土壤改良劑及劣質混凝土，降低接地棒的接地電阻值。

依實際土壤電阻係數修正原評估地網接地電阻值：

使用IEEE-80-2000-14.2節中Eq. 52 Sverak公式：

其中：

R：電阻值

ρ：土壤電阻係數=60Ω-m

L_T：導線加地棒總長度=5,600m (約)

A：地網埋設面積=175m×175m = 30,625m²

h：地網埋設深度=0.6m

得到接地電阻評估值=0.16Ω

地網電阻值驗證

各樓層接地箱電阻最終驗證測量採用三點測量法（又稱32/68壓降法/Three Point Method）如 圖十。

測量敘述：

（依據IEEE-81-8.2.2.2-2012）

接地電阻值測量採用62/38劃分法。

• 取一固定距離L兩端分別為：待測地網(E)及電流電極(C)，在CE之間輸入一固定電流，則在CE間將產生壓降變化。
• 將電壓電極(P)放置在距離E約0.62D的地方。可測得電阻值讀數，再將P極前後各移動1-2公尺，觀察數字變化。如果數字變化不大則可斷定此數字是此地網的接地電阻值。（測量時E.P.C.必需在一直線上）

注意：測量時須在斷電維修時進行，否則地網帶電易造成儀表受損及人員傷害。

由 圖十說明的三點測量原理及方法，因為地點環境的限制，無法將參考點延伸較長的距離，以15到25公尺的距離做為參考點位置。

全廠設備接地箱接地測量值在0.11至0.22Ω之間，實際值與修正後評估值0.16Ω接近。

結語

本文所討論之特殊案例，即在已施作完成建築基礎上，配合土建工程進度，費時近十個月完成對破損地網改善及相關驗證工作，期間克服眾多的施工問題，最終接地電阻數據符合預期，達到IEEE-80-2000及新工處RFP標準。本案例亦可作為爾後新建廠面對破碎地網的參考解決方案，達到新工處對工程品質的要求水準。