土壤电阻率测试分析

谭永池，钟鸣峻，陈 超，谢芷澄，彭进辉，欧 萍

(广东省肇庆市气象局，肇庆 526060)

0 引言

在现代防雷工程设计、施工和验收中，接地装置的正确设计是其中的主要工作，土壤电阻率是侧面反映接地装置是否符合施工设计要求的一个重要指标，土壤电阻率对接地电阻的大小起着重要作用[1，2]。因此，在防雷工程设计和施工前，必须先了解接地装置所处位置的土壤电阻率的有关情况，并对其进行测量[3]。实验通过利用控制变量法验证结果，因现场登记数据繁多；影响因素间的定量与变量交错变换，容易混淆；影响土壤电阻率的不可控因素多而杂，所以试验中要做到条理清晰，循序渐进[4]。

1 定义

土壤电阻率是土壤在一定单位长度空间内导电性能的表现，在固定磁场场强作用下单位长度土壤电阻的平均值，土壤电阻率符号为ρ，单位为Ω·m[5]。

2 试样制备

2.1 土壤电阻率试验箱

文章实验使用的土壤电阻率试验箱如图1所示。土壤电阻率试验箱整体框架使用绝缘玻璃，试验箱两端的电流极A、B由可自由移动钢柱制成，A、B距离LAB=30 cm，中间两电压极M、N由可自由移动的黄铜棒制成，使距离LAM=LMN=LNB=10 cm，试验箱截面设计为足够大的矩形箱。

图1为四极对称测深法的原理图。首先在箱内外分别埋入相同深度的A、B、M、N四极。在电极A、B端施加稳压直流电源，为IAB。电流从A端流入，B端返回，此时电极M和N之间会产生电势，用电位差计或高阻电压表测量电压为UMN，则接地电阻值为UMN/IAB，根据公式(1)计算得出土壤电阻率ρ为：

图1 土壤电阻率试验箱

ρ= 2πLMN×(UMN/IAB)

(1)

2.2 试样土壤制备

试样土壤为肇庆某发电厂与北江交界处现场采集的土壤，挖地约30～50 cm深度取样，按土壤种类分类，其中包含黄沙、沙土、含沙粘土和粘壤土。试样土壤测试前经过数道工序制备。每次试验都在同一条件下按常态干密程度称量，然后调制成相应饱和率(含水率)的试样，将土壤置于图1的试验箱中进行测试。土壤电阻率的测试需在短时间内完成，避免因通电影响温度造成测试结果出现较大误差。

3 试验结果与分析

3.1 土壤含水量的比较

将表1中4种土壤配制成饱和度为100%的试样，然后利用挥发原理减少不同试样中水分含量，通过观察辨别多种不同饱和度的土壤，其土壤电阻率的变化规律见图2。由于各土壤在饱和度低于20%时出现开裂、结块现象，导致误差较大，故该段数据不纳入数据测试统计。观察发现，在完全饱和状态下，4种土壤的测试结果几乎一样。但随着土壤含水率的降低，土壤电阻率逐渐变大，另一方面则相反。理论上，越干旱的土壤，导电性能越差，原因是含水量越少，ρ越大；相反则越小。

表1 试样土壤的基本物理特性

图2 不同含水量下土壤电阻率测量结果

3.2 导电离子浓度的影响

导电离子浓度和含水饱和度能够直观反映土壤中自由移动离子量对土壤电阻率的作用，是互为倒数的变化关系，因此土壤导电离子浓度变化时直接影响土壤的导电性能。导电离子浓度变小时，土壤电阻率变大，相反则变小。实验中通常通过改变盐水溶液中含盐量浓度大小来控制土壤电阻率的变化，导电离子浓度与土壤电阻率间的关系见图3。

图3 土壤电阻率随含盐量的变化

3.3 不同土质种类的比较

通过对比，不同土质土壤电阻率不同，在含水量不变时多种土质的土壤电阻率变化见图2；表1、表2则反映出含水量不同的各种土质，其土壤电阻率差距悬殊。

表2 不同土质的土壤电阻率

3.4 温度变化的影响

温度与土壤电阻率呈负相关，即土壤电阻率随温度的降低而升高。文章整理多组试验数据得出：在含水量为30%时，温度对样本土壤的土壤电阻率变化见图4，温度在0 ℃时，土壤电阻率变化曲线呈现突然上升的明显趋势，随温度的不断下降土壤电阻率增幅越大，表明在温度小于0 ℃时土壤电阻率受温度影响较大；而当温度从0 ℃慢慢增加时，ρ稳定下降。

图4 不同温度下不同土壤的测试结果

3.5 紧密度变化的影响

土壤电阻率与土壤的紧密程度呈线性变化关系(图5)。通过试验及查阅数据，不同土壤在外部影响因素不变时，使作用于土壤的压力由1961 Pa上升到19，610 Pa，在压力逐渐增加的情况下，土壤电阻率反而越来越小，最后降低了约65%。因此，为了降低接地装置的土壤电阻率，提升防雷装置的散流能力，必须保证接地极四周土壤回填夯实，以最终实现降低接地装置土壤电阻率的目的。

图5 验证不同压力下不同土壤的测试结果

3.6 季节变化的影响

季节变化也是引起土壤电阻率变化的主要原因之一，在季节交替变换的过程中，降雨和冰冻是对土壤电阻率影响最大的两个主要因素。当发生强降雨时，雨水渗入土壤，地表层土壤含水量增加从而导致土壤电阻率降低，造成地表的土壤电阻率比深层的低。在冬季温度较低时，因土壤出现冰冻的情况，从而造成地表土壤电阻率比深层土壤的土壤电阻率高，导致原来均匀分布的土壤电阻率出现分层的情况。跟一般土壤相比，深层冻土的土壤电阻率可能高出几十倍。

4 降低土壤电阻率的主要方法

土壤电阻率是接地装置布置是否合理的依据之一；是接地网设计的重要数据；是衡量土壤导电性能的主要参数。因此要掌握有效调控、降低土壤电阻率的措施，为设计施工提供有力依据。

4.1 换土法

换土法是通过传统浅层处理地基结构的方法来降低土壤电阻率。通俗的表达是挖出地基局部范围内的土后，以导电性能好的湿粘土、黑土或其他有良好吸水性但不易溶于水的物质代替原土壤。该方法具有施工简便，价格低廉的优点，但工作量大，耗费人力和工时。

4.2 化学处理法

化学剂处理法主要将炉渣、炭粉、食盐等均匀搅拌于接地极周围，采用专用的化学降阻剂等溶液浸灌于接地体周围土壤，可有效降低土壤电阻率。但食盐、炭粉、炉渣等会在雨水的冲洗下逐渐流失，降阻效果不能长久，因此正确选用化学降阻剂是实现长效降低土壤电阻率的有效控制措施。

降阻剂是通过其组成物质的电离作用，让土壤中自由移动的离子增多，使存在大量金属离子的土壤与金属接地体紧密接触，增加其电流面；遇水后导电离子向周围土壤渗透，形成低土壤电阻率区域，为接地装置接地极提供良好的接地环境，实现土壤电阻率的有效降低。

在选用化学物质材料时应注意以下几点：选用的材料要和接地体及原土壤能够紧密接触；选用材料是中性或碱性，避免腐蚀接地体，导致使用寿命缩短；选用降阻剂时，应以降阻效果长效稳定、无毒性、无污染为优。

4.3 外引接地法

外引接地法是在其他条件不能改变的前提下，增加电气设备的接地极于土壤电阻率低的地方。通过将接地体敷设在土壤电阻率较低的土壤上，并将金属引线至电气设备，实现整体土壤电阻率的有效降低。

4.4 埋深法

埋深法适用于表层是极高阻抗的接触面，而紧邻下卧层则是土壤电阻率较低的土壤。通过把接地极深埋进土壤电阻率较低的深层土壤里，从而达到增加接地极有效接触面积的效果，实现土壤电阻率的降低。该方法在土壤电阻率极高的花岗石、沙石、沙土等环境使用广泛。

5 结束语

文章通过试验得出，土壤电阻率在系统中是一个被动变量，主要受土壤的湿度、土质、温度、导电离子量、季节交替变化以及土壤受力程度等因素的控制。现实生活与实际工程应用中可通过换土法、化学处理法、外引接地法和埋深法等方法来有效降低土壤电阻率。主观条件下土壤电阻率越小，则接地系统散流越快，作用于系统高电位时间越短，生命财产安全才能得到有效保障。对土壤电阻率的研究为防雷安全的有效改善提供了重要参考。