建筑電氣接地裝置土壤電阻率的檢測(cè)探討

李超，宣浩，侯駿 ，姚傳山，阮培培

（1.安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測(cè)站，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

0 引言

1 土壤電阻率的檢測(cè)

針對(duì)接地系統(tǒng)土壤電阻率的檢測(cè)不僅需要在接地裝置地網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前進(jìn)行取樣測(cè)量，為設(shè)計(jì)地網(wǎng)電阻提供重要的參考依據(jù)，也應(yīng)在項(xiàng)目接地裝置驗(yàn)收過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，以判斷接地電阻的可靠性。土壤電阻率檢測(cè)是否準(zhǔn)確是受土質(zhì)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同的影響，不同形式的土壤其導(dǎo)電性是不同。準(zhǔn)確測(cè)量確定土壤電阻率對(duì)建筑物及電氣設(shè)備的接地設(shè)計(jì)有著重要意義。到目前為止，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究探索出以下幾種方法可以測(cè)量土壤電阻率：①土壤試樣法；②三點(diǎn)法（深度變化法）；③兩點(diǎn)法（西坡土壤電阻率測(cè)定法）；④四點(diǎn)法；⑤大電流法；⑥變頻法等。我們?cè)诠こ虒?shí)際應(yīng)用中主要以四點(diǎn)法為主，分為等距法和非等距法，現(xiàn)對(duì)四點(diǎn)測(cè)量方法作如下介紹。

1.1 等距法或溫納法

測(cè)量方法是將測(cè)量電極埋入處于被測(cè)土壤環(huán)境中的一字排列的四個(gè)小洞中，電極埋入大約深度為b。讓測(cè)試電流I流進(jìn)處于外側(cè)的兩個(gè)電極，內(nèi)側(cè)兩電極間呈現(xiàn)的電位差V可用高阻電壓表測(cè)量。主要適用于電極間距為（2～30）m之間常規(guī)測(cè)量，設(shè)a為兩相鄰電極間距，則電阻率ρ按式（1）計(jì)算：

式中：

ρ——土壤電阻率，單位為歐姆米（Ω·m）；

R——所測(cè)電阻，單位為歐姆（Ω）；

a——電極間距，單位為米（m）；

b——電極深度，單位為米（m）

布置電極圖如圖1所示。

圖1 電極均勻布置

測(cè)試時(shí)當(dāng)電極埋入地下深度值b小于等于0.1a時(shí)，可假設(shè)b=0，則計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為式（2）:

1.2 非等距法

當(dāng)電極之間的直線間距增加到40m及以上，宜采用非等距法測(cè)量，電極布置方式見圖2所示，將電位極擺放在對(duì)應(yīng)的電流極附近，這樣可以升高所測(cè)的電壓值。采用這種布置方法，當(dāng)電極的埋地深度b與距離d和c相比較小時(shí)，所測(cè)得電阻率可按式（3）計(jì)算：

式中：

P——土壤電阻率，單位為歐姆米（Ω·m）；

R——所測(cè)電阻，單位歐姆（Ω）；

c——電流極與電位極間距，單位為米（m）；

d——電位極距，單位為米（m）。

電極布置圖如圖2所示。

圖2 電極非均勻布置

2 土壤電阻率檢測(cè)深度變化與橫向變化影響比較

在工程實(shí)際檢測(cè)中，一般不考慮土壤電阻率的深層變化。因此我們一般根據(jù)等距法來(lái)測(cè)定土壤深度為（2～30）m內(nèi)的電阻率，測(cè)量得到的土壤電阻率并不是電極插入深度處的土壤電阻率而是測(cè)量深度約為兩個(gè)接地電極間距離的土壤電阻率，這點(diǎn)是需要引起注意的。因此為了了解土壤的分層情況，我們可以通過(guò)改變“a”值進(jìn)行測(cè)量，可得到更深地層中土壤的電阻率并檢查土壤的同質(zhì)性。為了探究土壤電阻率檢測(cè)深度變化與橫向變化影響比較，我們選取了一塊場(chǎng)地進(jìn)行土壤電阻率檢測(cè)。項(xiàng)目場(chǎng)地位于合肥市蜀山區(qū)產(chǎn)業(yè)園某工業(yè)園內(nèi)，檢測(cè)方法采用等距法，通過(guò)改變電極間距及保持同一電極間距條件下，橫向移動(dòng)電極均勻布置方向所得到土壤隨深度方向與橫向變化電阻率數(shù)據(jù)如下表所示。

根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，得出項(xiàng)目場(chǎng)地土壤電阻率為100Ω·m以內(nèi)，屬于低土壤電阻率地區(qū)，符合合肥地質(zhì)情況。同時(shí)由于測(cè)試環(huán)境及場(chǎng)地原位土層條件復(fù)雜多變，存在空間變異性，使得實(shí)測(cè)土壤電阻率很難準(zhǔn)確定義且可看出其不與距離變化成線性關(guān)系，但可以從數(shù)據(jù)變化得出土壤電阻率隨深度變化較橫向變化影響大很多。

圖3 四點(diǎn)法測(cè)試示意圖

圖4 探針距離與土壤電阻率關(guān)系

3 影響土壤電阻率相關(guān)因素

在地球環(huán)境中，完全干燥的土壤是不存在的。土壤中物質(zhì)特性豐富，例如礦物質(zhì)、水、酸堿電解質(zhì)等。土壤中包含的物質(zhì)富含各種金屬離子和自由電子，因此土壤具有相應(yīng)的電阻率，影響土壤電阻率的相關(guān)因素如下。

土壤電阻率檢測(cè)隨深度變化與橫向變化數(shù)值 表1

溫度對(duì)土壤電阻率的影響 表2

3.1 土壤類型

土壤電阻率主要由土壤性質(zhì)決定，土壤電阻率因土質(zhì)不同會(huì)相差數(shù)百倍至數(shù)千倍，甚至更大。國(guó)內(nèi)外研究者根據(jù)地表土質(zhì)情況將土壤分為泥土類（土壤電阻率范圍為60Ω·m～200Ω·m）、黏土類（土壤電阻率范圍為150Ω·m～300Ω·m）、砂土類（土壤電阻率范圍為250Ω·m～500Ω·m）、巖土類（土壤電阻率范圍為10000Ω·m～100000Ω·m）。

3.2 土壤含水量

土壤含水量對(duì)土壤電阻率也有很大影響，不含水分的土壤是絕緣體。土壤類型的不同，由于含水量增大所引起的土壤電阻率下降梯度也存在著明顯差異，例如實(shí)驗(yàn)研究對(duì)混凝土土壤電阻率與其中水分含量間的變化關(guān)系進(jìn)行實(shí)測(cè)，結(jié)果數(shù)據(jù)顯示當(dāng)土壤含水量從3%增加到27%時(shí)，對(duì)應(yīng)土壤電阻率會(huì)降低為初始值的1/28。含水量對(duì)土壤電阻系數(shù)的影響，不僅隨土壤種類不同而有所不同，而且與所含的水質(zhì)也有關(guān)系。

3.3 溫度

溫度的變化也會(huì)影響土壤的電阻率。土壤電阻率隨溫度變化的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

在溫度下降到0℃及以下時(shí)，因?yàn)楸鶅龅木壒释寥离娮杪蕰?huì)迅速上升。設(shè)置溫度為10℃時(shí)的土壤電阻率為基準(zhǔn)值，溫度為0℃時(shí)數(shù)值會(huì)增長(zhǎng)3倍，零下5℃時(shí)會(huì)增大到8.5倍。在實(shí)際工程應(yīng)用計(jì)算中，當(dāng)我們計(jì)算土壤電阻率時(shí)會(huì)引入季節(jié)性修正系數(shù)

3.4 季節(jié)性修正系數(shù)

測(cè)量土壤電阻率應(yīng)選擇在天氣晴朗多日后或季節(jié)、土壤干燥時(shí)進(jìn)行，因此土壤電阻率應(yīng)是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的土壤電阻率數(shù)據(jù)中的最大值，可按式（4）進(jìn)行季節(jié)性修正：

ρ——所測(cè)土壤電阻率；

ψ——季節(jié)性修正系數(shù)。

季節(jié)性修正系數(shù)確定值如表3所示。

3.5 其他因素

土壤中酸堿鹽等無(wú)機(jī)電解質(zhì)、土壤的緊實(shí)程度、孔隙率等因素同樣會(huì)對(duì)土壤電阻率有一定的影響。在工程實(shí)際中為了降低接地電阻，我們通常會(huì)通過(guò)夯實(shí)接地體附近的土壤。

根據(jù)土壤性質(zhì)決定的季節(jié)修正系數(shù)表 表3

4 土壤電阻率對(duì)接地電阻影響

4.1 前期接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段

因?yàn)榘肭蛐谓拥貥O組成的接地裝置是研究接地的基礎(chǔ)，所以我們實(shí)驗(yàn)中可以將半球形電極埋設(shè)在地面土壤下作為樣點(diǎn)，選取參考鏡面為地面，使半球形電極通過(guò)鏡像法構(gòu)成全空間球形電極，通過(guò)這種方法驅(qū)使接地電流流出面積擴(kuò)大1倍，可以將接地電阻減半。假設(shè)鏡像全空間球形電極處于靜電場(chǎng)中，相對(duì)電容率為ε，球體半徑為r（m），則球體電容依據(jù)式（5）計(jì)算：

而半球狀導(dǎo)體電極的接地電阻正好是上述R的一半，其他類型接地裝置比如單一接地體，復(fù)合接地體接地電阻值都可換算得到。現(xiàn)在一些項(xiàng)目設(shè)計(jì)人員并沒(méi)有根據(jù)項(xiàng)目具體情況進(jìn)行實(shí)際計(jì)算，統(tǒng)一按聯(lián)合接地要求對(duì)電氣系統(tǒng)接地電阻值提出要求，雖然這種項(xiàng)目實(shí)施后大都符合標(biāo)準(zhǔn)或者不合格也可以通過(guò)簡(jiǎn)單整改措施完成要求，但從規(guī)范性與經(jīng)濟(jì)性上來(lái)說(shuō)，前期進(jìn)行一定的接地系統(tǒng)接地電阻設(shè)計(jì)是必要的。從以上分析可看出土壤電阻率對(duì)接地電阻起關(guān)鍵性作用，因此需要實(shí)施前期場(chǎng)地必要的土壤電阻率檢測(cè)。

4.2 接地裝置驗(yàn)收階段

根據(jù)大量工程驗(yàn)收類檢測(cè)項(xiàng)目檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目資料中并沒(méi)有關(guān)于接地系統(tǒng)接地電阻的計(jì)算書類文件。現(xiàn)在檢測(cè)儀器雖然都可以直接測(cè)得接地裝置包括配電箱接地，電梯接地，等電位接地，防雷接地等接地電阻值，但測(cè)得的是工頻接地電阻值，有時(shí)候我們需要得到?jīng)_擊接地電阻值，這就存在一個(gè)換算系數(shù)，而這換算系數(shù)是由土壤電阻率所決定的，因此可得出在項(xiàng)目最后驗(yàn)收階段也是需要測(cè)試土壤電阻率。他們之間關(guān)系如下圖所示。

式中：R——工頻接地電阻，單位為(Ω)；

Ri——沖擊接地電阻，單位為(Ω)；

A—換算系數(shù)，換算系數(shù)的值按圖5確定。

圖5 換算系

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹影響建筑電氣工程接地裝置電氣安全的關(guān)鍵—土壤電阻率的檢測(cè)，得出建設(shè)項(xiàng)目接地裝置土壤電阻率檢測(cè)受到多種因素影響，并且土壤電阻率對(duì)項(xiàng)目前期接地系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及后期電氣裝置接地的效率與質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。由上述分析可知，在建筑電氣工程整個(gè)建設(shè)周期內(nèi)以及后期運(yùn)行過(guò)程中，需要關(guān)注接地系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。在設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮項(xiàng)目所在地的地質(zhì)情況及土壤的電阻率變化情況，通過(guò)合理化設(shè)計(jì)擬定接地方案，配套后期接地裝置檢測(cè)驗(yàn)收來(lái)保證接地系統(tǒng)達(dá)標(biāo)。

雖然當(dāng)前電氣裝置接地的施工、檢測(cè)與改進(jìn)技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，但土壤電阻率理論與土壤電阻率測(cè)試技術(shù)并不十分成熟，由于地下土層條件、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，以及季節(jié)性因素等都使得實(shí)測(cè)電阻率資料很難有穩(wěn)定長(zhǎng)期使用價(jià)值。因此我們電氣從業(yè)人員，應(yīng)進(jìn)一步學(xué)習(xí)與探討，完善土壤電阻率理論，開展豐富實(shí)踐，有效閉合整個(gè)接地系統(tǒng)建設(shè)與驗(yàn)收檢測(cè)環(huán)節(jié)，使得接地裝置更加安全有效的運(yùn)行，使得建筑電氣工程行業(yè)發(fā)展更長(zhǎng)遠(yuǎn)。