防雷工程中土壤电阻率及其测量
摘要：在防雷工程设计和施工前，必须先了解接地装置设置处的土壤电阻率的有关情况，并对其进行测量。因此，了解和掌握土壤电阻率的一些相关性质及其测量方法，将对接地装置的正确设计起着决定性作用。
关键词：接地电阻；土壤电阻率；测量方法
Abstract: in the lightning protection engineering design and before construction, must first understand grounding device set of soil resistivity in the related conditions and the measurement. Therefore, understanding and mastering soil resistivity of some related properties and measurement method, to the correct design docking device plays a decisive role.
Keywords: grounding resistance; Soil resistivity; Measurement method
土壤电阻率是在防雷工程设计接地装置部分一个重要的参数，它的确定对雷电流尽快地散逸大地，达到足够小的接地电阻及地下部分的合理布局都起到一定的作用。它沿地层深度的变化规律是选择接地装置形式和决定它的尺寸的主要根据。土壤电阻率的数值与土壤的结构（如黑土、粘土和沙土等）、土质的紧密程度、湿度、温度等以及土壤中含有可溶性的电解质（如酸、碱、盐等）有关。由于成份是多种多样，因此不同土壤电阻率的数值往往差别很大[1]。
1影响土壤电阻率的最主要因素
1.1湿度
含水量对土壤电阻率也有很大影响。绝对干燥的土壤电阻率可以认为接近无穷大。含水量增加到15%左右时，土壤电阻率显著降低；如继续增加水分直到75%左右时,电阻率改变很小；当含水量超过75%时,土壤电阻率反而增加。含水量对土壤电阻率的影响不仅随土壤的种类不同有所不同,而且与所含的水质也有关系。例如在土壤电阻率较低的土壤中加上比较纯净的水反而增加土壤电阻率。因此在采用加水改良土壤时应注意这一点。
1.2温度
当土壤温度升高时其电阻率下降，在０℃时土壤由于水份冻结而使电阻率迅速增加。土壤电阻率这些特性在接地装置设计中有重要的实际应用意义。在一年之中，同一地方由于气温和天气的变化受一定的气象因素影响，土壤中含水量和温度都不相同，因此土壤电阻率也不断的变化，其中以表土最为显著。因此，防
雷工程中接地装置埋得深一些对稳定接地电阻有利。通常以最小埋深为0.8m-1m为宜。至于是否应埋更深，那就要看更深的土壤电阻率的大小，很多地方的深层土壤电阻率是很高的，这样埋得太深反而使接地电阻增加，给设计及施工也带来一定的困难，同时也增加了接地工程的费用。本着既安全可靠又节省投资的原则,要根据实际的工作情况进行作业，确实达到设计要求，真正起到防护作用[2]。
1.3土壤热阻系数
不同季节中，土壤的热阻系数也随之变化，接地电阻也随季节不同而有所增减。一般冬季最大，夏季最小。因此推荐将测得数据换算为冬季时的最大值，即保证接地极在最不利温度下也能具备其应有的功能。由于影响土壤电阻率的因素很多，因此在设计时最好选用实测的数值[3]。因为测量时土壤不同，土壤电阻率也有所改变。为了能够使测量所得值反映最不利情况时的土壤电阻率，必须将所测得的土壤电阻率ρ测，根据测量时的具体情况乘以表１的换算系数Ψ, 得到设计时所采用的土壤电阻率ρ±, 即：ρ±= Ψρ测。
表1各种性质的土壤电阻率换算系数
土壤 深度 / m Ψ1 Ψ2 Ψ3
粘土 0.5～ 0.8 3.0 2.0 1.5
0.8～ 3.0 2.0 1.5 1.4
陶土 0.0～ 2.0 2.4 1.4 1.2
沙砾盖陶土 0.0～ 2.0 1.8 1.2 1.1
园地 0.0～ 3.0 - 1.3 1.2
黄沙 0.0～ 2.0 2.4 1.6 1.2
掺杂黄砂的沙砾 0.0～ 2.0 1.5 1.3 1.2
泥炭 0.0～ 2.0 1.4 1.1 1.0
石灰石 0.0～2.0 2.5 1.5 1.2
注：Ψ1测量前几天降过较长时间的雨土壤很潮湿时使用；Ψ2为测量时土壤较潮湿具有中等含水量时使用；Ψ3为测量时土壤干燥或测量前降雨不大时使用。
2 土壤电阻率的测量
测量前，应事先加工一垂直接地极或水平埋入一根扁钢的金属物作为模拟接
地系统。例如：做一垂直接地极，一般可用直径不小于15mm, 长度不小于1 m（垂直插入地下的模拟金属体尺寸和埋深都应与将要施工的接地系统的单根垂直接地的尺寸埋深尽量一致）的镀锌钢管，将其一端加工成尖锥形或斜口形，便于在现场将其击入地下，然后用接地电阻测试仪进行测量接地电阻(Rg)。其方法是，电流极Ｃ离开模拟接地极Ｅ的测量距离为S # 40m, 电压极Ｐ的位置应置于电流极Ｃ和模拟测试点Ｅ的中间位置，分别将３根测试极打入地中。测量时电流极Ｃ的位置不变，移动电压极Ｐ的位置，在上述的区间取3～5个点，其读数平均值作为测量值（Rg）。
实测电阻率ρ的正确方法，是采用四极法。所谓四极法是用两个电极使土壤中流过电流。再用另外两个电极测出其附近某两点间土壤的电位差，从而算出ρ值的方法，四极法又可分为等距四极法和不等距四极法[4]。
等距四极法。
四个电极布置在位于同一深度h的一条直线上，各电极之间的距离均为a，电极打入地中深度h不应大于极间距离a值得二十分之一，即h ≤ a/20。电流极3.3,对里面两个电压极2.2，产生的电位为：V1=Iρ/2π(1/a-1/2a) V2=Iρ/2π(1/2a-1/a)故两个电压极间的电位差为：V=V1-V2=Iρ/2πa。
由此可以得出土壤电阻率为：ρ=2πaV/I=2πaR，公式中R为接地电阻。
不等距四极法。
如果把电极打在大地表层并使备电极的距离均大于10h, 则可得不等距四极法时电阻率ρ的计算公式。δ=2πa/[1-a(a+b)/ c(c+b) ]如果取a=b，c≥10a，则有：ρ≈4πaR，式中R为接地电阻。
采用不等距四极法，可在固定电流位置不变的条件下，用改变电压极位置的方法方便地测出土壤不同点的电阻率ρ，从而对土壤的均匀性作出判定。此外，在受地形地物等条件而不可能采用等距四极法时，宜采用不等距四极法。
注意事项：
1)用交流电源时，为了减小电流线和电压线之间的感应耦合，应尽可能的把它们放的间隔远一些，并且避免将剩余的电线盘绕。电源如工频，还应注意避免地中杂散电流的干扰， 最好是用能够改变测试电源频率的仪器。
2)用直流电源时，为了减小极化作用，仪器需要带南极化补偿装置[5]。
4 结论
在防雷工程设计前，工作人员必须对设置接地装置处的土壤结构进行细致全面的勘察、测量和计算，才能得出正确的设计方案。本文提出的土壤电阻率的测
量方法，只是在工程上较容易实现的方案之一。我们在实际工作中，应多次应用此方法进行土壤电阻率的测量，为防雷接地装置的正确设计及工程的预算提供了第一手资料，为方案的设计提高可信度，同时取得良好效果。
参考文献:
[1] 中华人民共和国机械工业部.建筑物防雷设计规范GB50057-94(2000版).北京:中国计划出版社，2001
[2] 章长东.接地设计.电世界杂志,1996,(6)
[3] 苏邦礼,崔秉球,吴望平,等.雷电与避雷工程. 广州:中山大学出版社,1996
[4] 肖稳安，张小青.雷电与防护技术基础[M].北京：气象出版社，2006:157
[5] Peter Hasse.傅正财，叶蜚誉译.低压系统防雷保护(第2版).北京:中国电力出版社,2005.9～38,46～53
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