土壤電阻率及其測試技術(shù)

1、土壤電阻率及其測量技術(shù)摘要：接地電阻一直以來對電氣設(shè)備和通信設(shè)備等的安全運行有很大影響。而影響接地電的重要參數(shù)就是土壤電阻率，如果土壤電阻率數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，將給工作帶來意想不到的麻煩。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對土壤電阻率的影響因素及其測量技術(shù)進行總結(jié)和匯總，為后面的研究打下基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：土壤電阻率，影響因素，溫納法Soil resistivity and measurement techniquesBang Wu1(1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xian Jiaotong Universi

2、ty,Xian 710049, China)Abstract：Ground Resistance has been a great influence on the electrical equipment and communications equipment safe operation. The soil resistivity is an important parameter of ground resistance, and the inaccurate soil resistivity data will bring unexpected trouble. Based on p

3、revious studies, soil resistivity factors and measurement techniques are summarized in this paper, which lay the foundation for the following research.Key words： Soil resistivity; influential factors; the Wenner way1. 引言接地電阻是直接反映接地情況是否符合規(guī)范要求的一個重要指標(biāo)。對于接地裝置而言，要求其接地電阻越小越好，接地電阻越小，散流越快，跨步電壓、接觸電壓也越小1。影響接地

4、電阻的主要因素有土壤電阻率，接地體的尺寸、形狀及埋入深度，接地線與接地體的連接等。其中正確分析測量土壤電阻率關(guān)系到接地電阻是否達標(biāo)、接地壽命以及接地系統(tǒng)的成本，故對接地電阻的大小起著決定性作用。因此，研究影響土壤電阻率的主要因素及正確地測量土壤電阻率，對接地裝置的正確設(shè)計起著決定性作用，具有重要的意義，而本文就是對這些問題進行一定的總結(jié)。2. 土壤電阻率的定義如圖2.1所示，土壤電阻率的微觀研究模型主要是基于土壤介質(zhì)多屬孔隙結(jié)構(gòu)，也可以說，土壤主要以土質(zhì)固體微粒和間隙中的液體組成，而一般將孔隙液體（電解質(zhì)）作為土壤介質(zhì)導(dǎo)電的主要材料2，原因主要有以下兩點：a）土壤中的固體微粒相對于電解質(zhì)液體導(dǎo)

5、電性能很差；b）雖說土壤中會出現(xiàn)一些金屬微粒、半導(dǎo)體微粒和其他固體導(dǎo)體，但是這些存在于特殊的環(huán)境中。圖2.1 土壤介質(zhì)多屬孔隙結(jié)構(gòu)Fig.2.1 Soil media mostly pore structure3. 影響因素土壤電阻率不是一個恒定的值，影響土壤電阻率的因素很多，主要有以下幾個方面的影響：（1） 濕度對土壤電阻率的影響一般而言，土壤越濕，含水量越多，導(dǎo)電性能就越好，就越??；反之就越大。這就是接地體的接地電阻隨土壤干濕變化的原因。如圖3.1為土壤電阻率隨濕度的變化，可以得出以上結(jié)論，并在含水量達到20%以上時，下降很少。圖3.1 土壤電阻率隨濕度變化Fig.3.1 Soil res

6、istivity with humidity changes（2） 導(dǎo)電離子的濃度對土壤電阻率的影響土壤電阻率的大小主要取決于土壤中導(dǎo)電離子的濃度和土壤中的含水量，它是土壤中所含導(dǎo)電離子濃度A的倒數(shù)，也就是說，土壤中所含導(dǎo)電離子濃度越高，土壤的導(dǎo)電性就越好，就越??；反之就越大。如沙河中，河底的較大，就是由流水的沖刷，使導(dǎo)電離子濃度減小所致。一般的實驗室試驗研究導(dǎo)電離子濃度對土壤電阻采用的模擬手段是使用鹽水來等效導(dǎo)電離子溶液，改變鹽水濃度來調(diào)節(jié)導(dǎo)電離子濃度，結(jié)果如圖 3.2所示，滿足以上特性。圖3.2 土壤電阻率隨含鹽量的變化Fig.3.2 Soil resistivity with salin

7、ity changes（3） 溫度對土壤電阻率的影響溫度對土壤電阻率的影響也較大。一般來說，土壤電阻率隨溫度的升高而下降。當(dāng)土壤溫度0時，由于其中水分結(jié)冰、土壤凍結(jié)，電阻率會突然增加。因此，一般都將接地極放在冰凍層以下，以避免產(chǎn)生很高的流散電阻。通常最少埋深為0.5 m（北方地區(qū)應(yīng)為當(dāng)?shù)貎鐾翆右韵聻橐耍?。溫度?繼續(xù)上升時，由于溶解鹽的作用，電阻率逐漸減少，但當(dāng)溫度達到100時，由于土壤中的水分蒸發(fā)，電阻率又增高。具體可見圖3.3所示。圖3.3 土壤電阻率隨溫度的變化Fig.3.3 Soil resistivity with temperature changes（4） 土壤的致密性的影響土壤

8、的致密與否對土壤電阻率也有一定的影響。試驗表明，當(dāng)粘土的含水量為 10%，溫度不變，單位壓力由1961Pa增大到19610Pa時，可下降到原來的65%。因此，為了減少接地電極的流散電阻，必須將接地體四周的回填土夯實，使接地極與土壤緊密接觸，從而達到減小土壤電阻率的效果。（5） 季節(jié)性因素對土壤電阻率的影響季節(jié)的變化也將引起土壤電阻率的變化3。季節(jié)不同，土壤的含水量和溫度也就不同，影響土壤電阻率最明顯的因素就是降雨和冰凍。在雨季，由于雨水的滲入，地表層土壤的降低，低于深層土壤；在冬季，由于土壤的冰凍作用，地表層土壤的升高，高于深層土壤。這樣，使土壤由原來的均勻結(jié)構(gòu)變成了分層的不均勻結(jié)構(gòu)，引起的變

9、化。多年凍土的極高，可達沒有凍土?xí)r的幾十倍。在我國東北地區(qū)，冬季凍土的厚度可達1.6 m。（6） 土質(zhì)對土壤電阻率的影響雖說主要的導(dǎo)電材料是孔隙中的電解液，但是不同的土質(zhì)對土壤電阻率的影響也不容忽略，不同土質(zhì)的土壤電阻率有的甚至相差幾千到幾萬倍。一些典型的土質(zhì)土壤率如下圖3.4所示圖3.4 不同土質(zhì)的電阻率Fig.3.4 Different soil resistivity4. 土壤電阻率的測試方法通常土壤有若干層，層與層的土壤電阻率是不同的。同時土壤電阻率的橫向變化也存在，但通常是漸變的，在測量地段附近可不考慮土壤電阻率的橫向變化4。在大多數(shù)情況下，測量數(shù)據(jù)表明，土壤電阻率主要是深度z的函數(shù)

10、，為便于表達，此函數(shù)可寫成如下式： 式中：為土壤電阻率z為深度函數(shù)（x）的特性一般說來不是簡單的，因而為分析測試數(shù)據(jù)，最好先建立一個能給出最優(yōu)近似值的簡單的等值函數(shù)，而為了建立這樣的函數(shù)往往需要建立簡化的土壤模型和數(shù)據(jù)樣值，一般選擇雙層或三層土壤結(jié)構(gòu)，采用以下幾種數(shù)據(jù)樣值搜集法4.1 地質(zhì)資料通常，在要安裝接地網(wǎng)的地方，總要進行大規(guī)模的土建工程，為此要進行地質(zhì)勘探，以獲取有關(guān)土壤特性和構(gòu)造的大量資料，這對試圖取得這些資料的電氣工程師會大有幫助，而地質(zhì)勘探的一般途徑如下:(1) 地質(zhì)圖地質(zhì)圖是將沉積巖層、火成巖體、地質(zhì)構(gòu)造等的形成時代和相關(guān)等各種地質(zhì)體、地質(zhì)現(xiàn)象，用一定圖例表示在某種比例尺地形圖

11、上的一種圖件。它是表示地殼表層巖相、巖性、地層年代、地質(zhì)構(gòu)造、巖漿活動、礦產(chǎn)分布等的地圖的總稱。也即表示地質(zhì)現(xiàn)象、巖石地層礦產(chǎn)分布及構(gòu)造特征的專題地圖。因此地質(zhì)圖對反映板塊的移動和土壤土質(zhì)的發(fā)展有較大的作用。所以，根據(jù)地質(zhì)圖，既可以通過研究板塊的移動而推斷大地深層基巖的構(gòu)成又可以通過土壤的發(fā)展而得出淺層土壤的土質(zhì)，從而最終判斷土壤電阻率的大小。（2）井孔數(shù)據(jù)5井孔勘探是在地面或地面附近激發(fā)地震波，而把檢波器放在井內(nèi)接收地震信號的地震方法。井孔勘探是由地震測井衍生而來，自20世紀(jì)50年代以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在也已逐步成熟并成為常規(guī)的地質(zhì)勘探方法。該法通過分析在震源和探測井之間的波形，得到土

12、層變化的深度，從而區(qū)分了不同的土層結(jié)構(gòu)，再根據(jù)土質(zhì)得到電阻率。具體現(xiàn)場示意圖如圖4.1所示，振動波在不同的土質(zhì)邊界上會發(fā)生反射，從而通過分析井孔中不同位置的信號最終判定分界面的深度。圖4.1 井孔勘測Fig.4.1 Borehole survey（3）反射波勘探法反射波勘探需要進行的是井間勘探，即需要在一口井內(nèi)激發(fā)地震波，另一口井中用檢波器記錄地震信號的地質(zhì)勘探技術(shù)。它從20世紀(jì)80年代開始興起，今天仍處在發(fā)展和完善階段。由于震源到檢波器的方向與產(chǎn)層邊界平行，所以當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)為水平介質(zhì)時，井間數(shù)據(jù)涉及反射體的信息比較少，從這些數(shù)據(jù)中可以獲得井間數(shù)據(jù)體中的地層速度信息（層析速度）；但是當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)構(gòu)

13、造復(fù)雜時，對井間地震反射波成像的優(yōu)勢就可以得到很好的體現(xiàn)。而人們之所以要把震源和檢波器放入井中進行勘探工作，主要是出于以下考慮： 一、地球陸地表面是最年輕的沉積層，并且由于受到風(fēng)化作用和人類活動的影響，形成了一個疏松的表層。這個疏松的表層的速度很低（300-800m/s），吸收系數(shù)很大，對地震波信號的高頻成分有極強烈的吸收作用。而將檢波器置于井內(nèi)，就避開了地表低速帶對地震信號高頻成分的吸收，使接收到的地震信號的頻率更高。二、地表低速帶還是干擾波（面波、次生干擾、淺層折射、微震、工業(yè)干擾等）最發(fā)育的地帶，噪聲嚴(yán)重干擾地震有效波（直達波、反射波），不僅振幅能量降低，甚至有時連識別和追蹤都非常困難。

14、而在地下深部接收地震波，就完全避開了干擾源，大幅度提高了有效波的信噪比，有利于更直接的表現(xiàn)地震波的運動學(xué)和動力學(xué)特征。三、在地面，只能接收到自下向上的反射波，而在井中，不僅可以接收到上行的反射波，而且可以接受下行的反射波，這兩個波在反射界面處發(fā)生振幅和相位的突變?？梢栽诘叵碌貙觾?nèi)部，隨處觀測地震子波的變化，這對于創(chuàng)立一個更加符合波動原理的環(huán)境，研究地下介質(zhì)中地震波場的實際變化提供了一個非常有利的條件。同時反射法中，不同性質(zhì)的波也可以得到不同的特征，如縱波反射可以認為是巖石空隙含有不同流體成分導(dǎo)致變化，而橫波反射認為是巖石橫向變化才會變化而與流體無關(guān)。具體演示圖如圖4.2所示圖4.2 井間勘探反

15、射波法Fig.4.2 Crosswell exploration reflected wave method（4）地質(zhì)雷達法地質(zhì)雷達（Ground Penetrating Radar(GPR)）是探測地下物體的地質(zhì)雷達的簡稱。它利用超高頻電磁波來探測地下介質(zhì)分布。其基本原理為發(fā)射機通過發(fā)射天線發(fā)射中心頻率為35至900MHz的脈沖電磁波訊號。當(dāng)這一訊號在巖層中遇到電阻率或介電常數(shù)差異較大的物體時，會產(chǎn)生一個反射訊號。根據(jù)反射訊號到達滯后時間及目標(biāo)物體平均反射波速,可以大致計算出探測目標(biāo)的距離。演示圖如圖4.3所示圖4.3 地質(zhì)雷達原理圖Fig.4.3 geological radar Sche

16、matic（5）土壤電阻率分布圖有時，可以直接得到某一地區(qū)的土壤電阻率的分布圖，如圖4.4所示，這時就可以直接使用而不需要再推算，但是由于分化、溫度、濕度等原因要求其需要實時更新。圖 4.4 土壤電阻率分布圖Fig.4.4 Soil resistivity distribution4.2 電氣測量方法通過取得的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)來決定土壤電阻率從而決定接地電阻的連接方式的處置方法往往是不夠精確的，因為現(xiàn)場土壤的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部含水量，溫度等都是會變化的，而實際電氣現(xiàn)場中最實用的就是現(xiàn)場測量的方法，下面一一介紹。（1） 四電極法6-7對大體積未翻動過的土壤進行土壤電阻率的測量，最準(zhǔn)確的方法是四電極法。如圖4

17、.5所示為Wenner法，將小電極埋入被測土壤呈一字排列的四個小洞中，埋入深度均為b，直線間隔均為a，測試電流流入外側(cè)兩電極，而內(nèi)側(cè)兩電極間的電位差可用電位差計或高阻電壓表測量。圖4.5 Wenner四電極法Fig.4.5 The Wenner four electrode method將模型等效為兩個半球電極的疊加，如圖4.6為一個半球電極，得到公式為：圖4.6 半球電極模型Fig.4.6 Hemisphere electrode model然而Wenner法的一個缺點是當(dāng)電極間距增到相當(dāng)大時，內(nèi)側(cè)兩個電極的電位差迅速下降，通常用儀器測不出如此低的電位差。為了能測量大間距電流極時的土壤電阻率

18、，可用圖4.7的布置方式，此時電位極布置在相應(yīng)的電流極附近，如此可升高所測的電位差值，此方法叫施倫貝格巴莫測試法（Schlumberger-Palmer）。圖4.7 施倫貝格巴莫測試法Fig.4.7 Schlumberger-Palmer Test此種布置的計算公式很易于確定，如果電極的埋地深度b與其距離c和d相較甚小時，則所測得電阻率可按下式計算 在Wenner法及Schlumberger-Palmer法所測的視在土壤電阻率與電極間距a的關(guān)系用曲線表示，此曲線即表示該土壤的構(gòu)造，但所需的是土壤電阻率隨厚度的變化，因此需要有個轉(zhuǎn)化關(guān)系，一般根據(jù)經(jīng)驗公式如下兩條：1、The Gish and R

19、ooneg法該法通過土壤電阻率曲線形狀的變化判斷在曲線曲率轉(zhuǎn)折或變化時，與電極間距相等的深度處開始出現(xiàn)另一層土壤。2、The Lancaster-Jone 法該法認為在出現(xiàn)曲率轉(zhuǎn)折點時即是下一層土壤，其深度為所對應(yīng)電極間距的2/3處。于是可以得到視在電阻曲線圖，然后在以下三條假設(shè)下，構(gòu)建土壤模型進行分析。假設(shè)一：土壤的土壤電阻率不變化即土壤是同質(zhì)的；假設(shè)二：土壤有幾個水平土壤層，每層土壤電阻率不變化；假設(shè)三：土壤有按指數(shù)函數(shù)變化的土壤電阻率。如圖4.8為一個簡單的雙層土壤模型例子，可以發(fā)現(xiàn)實線更準(zhǔn)確。圖4.8 視在電阻曲線Fig.4.8 Apparent resistance curve（2）

20、 深度變化法相比較四電極法而言，這個方法可以直接得到深度變化的電阻率變化曲線，其實際上就是假定被試電極是一個打入深度為l的接地棒（與相比較接地棒的半徑r是小的），于是埋在同質(zhì)土壤內(nèi)的接地棒的接地電阻為： 不妨對圖4.9土壤電阻率隨深度變化進行分析，得到土壤構(gòu)造至少可分為三層，淺層土壤電阻率為210m，中層土壤電阻為淺層2.5倍左右，第三層土壤電阻率低于100m圖4.9 土壤電阻率隨深度變化圖Fig.4.9 Soil resistivity with depth change map（3） 瞬變電磁法變電磁法，是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間利用線圈或接地

21、電極觀測地下介質(zhì)中引起的二次感應(yīng)渦流場，從而探測介質(zhì)電阻率的一種方法。其基本工作方法是:于地面或空中設(shè)置通以一定波形電流的發(fā)射線圈，從而在其周圍空間產(chǎn)生一次電磁場，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流:斷電后，感應(yīng)電流由于熱損耗而隨時間衰減。衰減過程一般分為早、中和晚期。早期的電磁場相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小;而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征?；驹韴D如圖4.10所示，相比較地質(zhì)勘探中的地質(zhì)雷達，它可以通過不同時間的反射波的頻率從而直接判定不同深度的土壤電阻率，要更加快捷精確些。圖4.10 基本原理圖Fig.4.10 Fundamentals Figure5. 結(jié)論本文首先從