土壤電阻率測試分析

譚永池，鐘鳴峻，陳 超，謝芷澄，彭進輝，歐 萍

(廣東省肇慶市氣象局，肇慶 526060)

0 引言

在現代防雷工程設計、施工和驗收中，接地裝置的正確設計是其中的主要工作，土壤電阻率是側面反映接地裝置是否符合施工設計要求的一個重要指標，土壤電阻率對接地電阻的大小起著重要作用[1，2]。因此，在防雷工程設計和施工前，必須先了解接地裝置所處位置的土壤電阻率的有關情況，并對其進行測量[3]。實驗通過利用控制變量法驗證結果，因現場登記數據繁多；影響因素間的定量與變量交錯變換，容易混淆；影響土壤電阻率的不可控因素多而雜，所以試驗中要做到條理清晰，循序漸進[4]。

1 定義

土壤電阻率是土壤在一定單位長度空間內導電性能的表現，在固定磁場場強作用下單位長度土壤電阻的平均值，土壤電阻率符號為ρ，單位為Ω·m[5]。

2 試樣制備

2.1 土壤電阻率試驗箱

文章實驗使用的土壤電阻率試驗箱如圖1所示。土壤電阻率試驗箱整體框架使用絕緣玻璃，試驗箱兩端的電流極A、B由可自由移動鋼柱制成，A、B距離LAB=30 cm，中間兩電壓極M、N由可自由移動的黃銅棒制成，使距離LAM=LMN=LNB=10 cm，試驗箱截面設計為足夠大的矩形箱。

圖1為四極對稱測深法的原理圖。首先在箱內外分別埋入相同深度的A、B、M、N四極。在電極A、B端施加穩壓直流電源，為IAB。電流從A端流入，B端返回，此時電極M和N之間會產生電勢，用電位差計或高阻電壓表測量電壓為UMN，則接地電阻值為UMN/IAB，根據公式(1)計算得出土壤電阻率ρ為：

圖1 土壤電阻率試驗箱

ρ= 2πLMN×(UMN/IAB)

(1)

2.2 試樣土壤制備

試樣土壤為肇慶某發電廠與北江交界處現場采集的土壤，挖地約30～50 cm深度取樣，按土壤種類分類，其中包含黃沙、沙土、含沙粘土和粘壤土。試樣土壤測試前經過數道工序制備。每次試驗都在同一條件下按常態干密程度稱量，然后調制成相應飽和率(含水率)的試樣，將土壤置于圖1的試驗箱中進行測試。土壤電阻率的測試需在短時間內完成，避免因通電影響溫度造成測試結果出現較大誤差。

3 試驗結果與分析

3.1 土壤含水量的比較

將表1中4種土壤配制成飽和度為100%的試樣，然后利用揮發原理減少不同試樣中水分含量，通過觀察辨別多種不同飽和度的土壤，其土壤電阻率的變化規律見圖2。由于各土壤在飽和度低于20%時出現開裂、結塊現象，導致誤差較大，故該段數據不納入數據測試統計。觀察發現，在完全飽和狀態下，4種土壤的測試結果幾乎一樣。但隨著土壤含水率的降低，土壤電阻率逐漸變大，另一方面則相反。理論上，越干旱的土壤，導電性能越差，原因是含水量越少，ρ越大；相反則越小。

表1 試樣土壤的基本物理特性

圖2 不同含水量下土壤電阻率測量結果

3.2 導電離子濃度的影響

導電離子濃度和含水飽和度能夠直觀反映土壤中自由移動離子量對土壤電阻率的作用，是互為倒數的變化關系，因此土壤導電離子濃度變化時直接影響土壤的導電性能。導電離子濃度變小時，土壤電阻率變大，相反則變小。實驗中通常通過改變鹽水溶液中含鹽量濃度大小來控制土壤電阻率的變化，導電離子濃度與土壤電阻率間的關系見圖3。

圖3 土壤電阻率隨含鹽量的變化

3.3 不同土質種類的比較

通過對比，不同土質土壤電阻率不同，在含水量不變時多種土質的土壤電阻率變化見圖2；表1、表2則反映出含水量不同的各種土質，其土壤電阻率差距懸殊。

表2 不同土質的土壤電阻率

3.4 溫度變化的影響

溫度與土壤電阻率呈負相關，即土壤電阻率隨溫度的降低而升高。文章整理多組試驗數據得出：在含水量為30%時，溫度對樣本土壤的土壤電阻率變化見圖4，溫度在0 ℃時，土壤電阻率變化曲線呈現突然上升的明顯趨勢，隨溫度的不斷下降土壤電阻率增幅越大，表明在溫度小于0 ℃時土壤電阻率受溫度影響較大；而當溫度從0 ℃慢慢增加時，ρ穩定下降。

圖4 不同溫度下不同土壤的測試結果

3.5 緊密度變化的影響

土壤電阻率與土壤的緊密程度呈線性變化關系(圖5)。通過試驗及查閱數據，不同土壤在外部影響因素不變時，使作用于土壤的壓力由1961 Pa上升到19，610 Pa，在壓力逐漸增加的情況下，土壤電阻率反而越來越小，最后降低了約65%。因此，為了降低接地裝置的土壤電阻率，提升防雷裝置的散流能力，必須保證接地極四周土壤回填夯實，以最終實現降低接地裝置土壤電阻率的目的。

圖5 驗證不同壓力下不同土壤的測試結果

3.6 季節變化的影響

季節變化也是引起土壤電阻率變化的主要原因之一，在季節交替變換的過程中，降雨和冰凍是對土壤電阻率影響最大的兩個主要因素。當發生強降雨時，雨水滲入土壤，地表層土壤含水量增加從而導致土壤電阻率降低，造成地表的土壤電阻率比深層的低。在冬季溫度較低時，因土壤出現冰凍的情況，從而造成地表土壤電阻率比深層土壤的土壤電阻率高，導致原來均勻分布的土壤電阻率出現分層的情況。跟一般土壤相比，深層凍土的土壤電阻率可能高出幾十倍。

4 降低土壤電阻率的主要方法

土壤電阻率是接地裝置布置是否合理的依據之一；是接地網設計的重要數據；是衡量土壤導電性能的主要參數。因此要掌握有效調控、降低土壤電阻率的措施，為設計施工提供有力依據。

4.1 換土法

換土法是通過傳統淺層處理地基結構的方法來降低土壤電阻率。通俗的表達是挖出地基局部范圍內的土后，以導電性能好的濕粘土、黑土或其他有良好吸水性但不易溶于水的物質代替原土壤。該方法具有施工簡便，價格低廉的優點，但工作量大，耗費人力和工時。

4.2 化學處理法

化學劑處理法主要將爐渣、炭粉、食鹽等均勻攪拌于接地極周圍，采用專用的化學降阻劑等溶液浸灌于接地體周圍土壤，可有效降低土壤電阻率。但食鹽、炭粉、爐渣等會在雨水的沖洗下逐漸流失，降阻效果不能長久，因此正確選用化學降阻劑是實現長效降低土壤電阻率的有效控制措施。

降阻劑是通過其組成物質的電離作用，讓土壤中自由移動的離子增多，使存在大量金屬離子的土壤與金屬接地體緊密接觸，增加其電流面；遇水后導電離子向周圍土壤滲透，形成低土壤電阻率區域，為接地裝置接地極提供良好的接地環境，實現土壤電阻率的有效降低。

在選用化學物質材料時應注意以下幾點：選用的材料要和接地體及原土壤能夠緊密接觸；選用材料是中性或堿性，避免腐蝕接地體，導致使用壽命縮短；選用降阻劑時，應以降阻效果長效穩定、無毒性、無污染為優。

4.3 外引接地法

外引接地法是在其他條件不能改變的前提下，增加電氣設備的接地極于土壤電阻率低的地方。通過將接地體敷設在土壤電阻率較低的土壤上，并將金屬引線至電氣設備，實現整體土壤電阻率的有效降低。

4.4 埋深法

埋深法適用于表層是極高阻抗的接觸面，而緊鄰下臥層則是土壤電阻率較低的土壤。通過把接地極深埋進土壤電阻率較低的深層土壤里，從而達到增加接地極有效接觸面積的效果，實現土壤電阻率的降低。該方法在土壤電阻率極高的花崗石、沙石、沙土等環境使用廣泛。

5 結束語

文章通過試驗得出，土壤電阻率在系統中是一個被動變量，主要受土壤的濕度、土質、溫度、導電離子量、季節交替變化以及土壤受力程度等因素的控制?，F實生活與實際工程應用中可通過換土法、化學處理法、外引接地法和埋深法等方法來有效降低土壤電阻率。主觀條件下土壤電阻率越小，則接地系統散流越快，作用于系統高電位時間越短，生命財產安全才能得到有效保障。對土壤電阻率的研究為防雷安全的有效改善提供了重要參考。