譚永池，鐘鳴峻，陳 超，謝芷澄，彭進(jìn)輝，歐 萍

(廣東省肇慶市氣象局，肇慶 526060)

0 引言

在現(xiàn)代防雷工程設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收中，接地裝置的正確設(shè)計(jì)是其中的主要工作，土壤電阻率是側(cè)面反映接地裝置是否符合施工設(shè)計(jì)要求的一個(gè)重要指標(biāo)，土壤電阻率對(duì)接地電阻的大小起著重要作用[1，2]。因此，在防雷工程設(shè)計(jì)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(guān)情況，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量[3]。實(shí)驗(yàn)通過(guò)利用控制變量法驗(yàn)證結(jié)果，因現(xiàn)場(chǎng)登記數(shù)據(jù)繁多；影響因素間的定量與變量交錯(cuò)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(yàn)中要做到條理清晰，循序漸進(jìn)[4]。

1 定義

土壤電阻率是土壤在一定單位長(zhǎng)度空間內(nèi)導(dǎo)電性能的表現(xiàn)，在固定磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)作用下單位長(zhǎng)度土壤電阻的平均值，土壤電阻率符號(hào)為ρ，單位為Ω·m[5]。

2 試樣制備

2.1 土壤電阻率試驗(yàn)箱

文章實(shí)驗(yàn)使用的土壤電阻率試驗(yàn)箱如圖1所示。土壤電阻率試驗(yàn)箱整體框架使用絕緣玻璃，試驗(yàn)箱兩端的電流極A、B由可自由移動(dòng)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(dòng)的黃銅棒制成，使距離LAM=LMN=LNB=10 cm，試驗(yàn)箱截面設(shè)計(jì)為足夠大的矩形箱。

圖1為四極對(duì)稱(chēng)測(cè)深法的原理圖。首先在箱內(nèi)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(wěn)壓直流電源，為IAB。電流從A端流入，B端返回，此時(shí)電極M和N之間會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，用電位差計(jì)或高阻電壓表測(cè)量電壓為UMN，則接地電阻值為UMN/IAB，根據(jù)公式(1)計(jì)算得出土壤電阻率ρ為：

圖1 土壤電阻率試驗(yàn)箱

ρ= 2πLMN×(UMN/IAB)

(1)

2.2 試樣土壤制備

試樣土壤為肇慶某發(fā)電廠與北江交界處現(xiàn)場(chǎng)采集的土壤，挖地約30～50 cm深度取樣，按土壤種類(lèi)分類(lèi)，其中包含黃沙、沙土、含沙粘土和粘壤土。試樣土壤測(cè)試前經(jīng)過(guò)數(shù)道工序制備。每次試驗(yàn)都在同一條件下按常態(tài)干密程度稱(chēng)量，然后調(diào)制成相應(yīng)飽和率(含水率)的試樣，將土壤置于圖1的試驗(yàn)箱中進(jìn)行測(cè)試。土壤電阻率的測(cè)試需在短時(shí)間內(nèi)完成，避免因通電影響溫度造成測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)較大誤差。

3 試驗(yàn)結(jié)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(fā)原理減少不同試樣中水分含量，通過(guò)觀察辨別多種不同飽和度的土壤，其土壤電阻率的變化規(guī)律見(jiàn)圖2。由于各土壤在飽和度低于20%時(shí)出現(xiàn)開(kāi)裂、結(jié)塊現(xiàn)象，導(dǎo)致誤差較大，故該段數(shù)據(jù)不納入數(shù)據(jù)測(cè)試統(tǒng)計(jì)。觀察發(fā)現(xiàn)，在完全飽和狀態(tài)下，4種土壤的測(cè)試結(jié)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(dǎo)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(cè)量結(jié)果

3.2 導(dǎo)電離子濃度的影響

導(dǎo)電離子濃度和含水飽和度能夠直觀反映土壤中自由移動(dòng)離子量對(duì)土壤電阻率的作用，是互為倒數(shù)的變化關(guān)系，因此土壤導(dǎo)電離子濃度變化時(shí)直接影響土壤的導(dǎo)電性能。導(dǎo)電離子濃度變小時(shí)，土壤電阻率變大，相反則變小。實(shí)驗(yàn)中通常通過(guò)改變鹽水溶液中含鹽量濃度大小來(lái)控制土壤電阻率的變化，導(dǎo)電離子濃度與土壤電阻率間的關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 土壤電阻率隨含鹽量的變化

3.3 不同土質(zhì)種類(lèi)的比較

通過(guò)對(duì)比，不同土質(zhì)土壤電阻率不同，在含水量不變時(shí)多種土質(zhì)的土壤電阻率變化見(jiàn)圖2；表1、表2則反映出含水量不同的各種土質(zhì)，其土壤電阻率差距懸殊。

表2 不同土質(zhì)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(fù)相關(guān)，即土壤電阻率隨溫度的降低而升高。文章整理多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出：在含水量為30%時(shí)，溫度對(duì)樣本土壤的土壤電阻率變化見(jiàn)圖4，溫度在0 ℃時(shí)，土壤電阻率變化曲線呈現(xiàn)突然上升的明顯趨勢(shì)，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(shí)土壤電阻率受溫度影響較大；而當(dāng)溫度從0 ℃慢慢增加時(shí)，ρ穩(wěn)定下降。

圖4 不同溫度下不同土壤的測(cè)試結(jié)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(guān)系(圖5)。通過(guò)試驗(yàn)及查閱數(shù)據(jù)，不同土壤在外部影響因素不變時(shí)，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(lái)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(shí)，以最終實(shí)現(xiàn)降低接地裝置土壤電阻率的目的。

圖5 驗(yàn)證不同壓力下不同土壤的測(cè)試結(jié)果

3.6 季節(jié)變化的影響

季節(jié)變化也是引起土壤電阻率變化的主要原因之一，在季節(jié)交替變換的過(guò)程中，降雨和冰凍是對(duì)土壤電阻率影響最大的兩個(gè)主要因素。當(dāng)發(fā)生強(qiáng)降雨時(shí)，雨水滲入土壤，地表層土壤含水量增加從而導(dǎo)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(shí)，因土壤出現(xiàn)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(dǎo)致原來(lái)均勻分布的土壤電阻率出現(xiàn)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(jù)之一；是接地網(wǎng)設(shè)計(jì)的重要數(shù)據(jù)；是衡量土壤導(dǎo)電性能的主要參數(shù)。因此要掌握有效調(diào)控、降低土壤電阻率的措施，為設(shè)計(jì)施工提供有力依據(jù)。

4.1 換土法

換土法是通過(guò)傳統(tǒng)淺層處理地基結(jié)構(gòu)的方法來(lái)降低土壤電阻率。通俗的表達(dá)是挖出地基局部范圍內(nèi)的土后，以導(dǎo)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(zhì)代替原土壤。該方法具有施工簡(jiǎn)便，價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，但工作量大，耗費(fèi)人力和工時(shí)。

4.2 化學(xué)處理法

化學(xué)劑處理法主要將爐渣、炭粉、食鹽等均勻攪拌于接地極周?chē)?，采用?zhuān)用的化學(xué)降阻劑等溶液浸灌于接地體周?chē)寥溃捎行Ы档屯寥离娮杪?。但食鹽、炭粉、爐渣等會(huì)在雨水的沖洗下逐漸流失，降阻效果不能長(zhǎng)久，因此正確選用化學(xué)降阻劑是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)效降低土壤電阻率的有效控制措施。

降阻劑是通過(guò)其組成物質(zhì)的電離作用，讓土壤中自由移動(dòng)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(dǎo)電離子向周?chē)寥罎B透，形成低土壤電阻率區(qū)域，為接地裝置接地極提供良好的接地環(huán)境，實(shí)現(xiàn)土壤電阻率的有效降低。

在選用化學(xué)物質(zhì)材料時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：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(dǎo)致使用壽命縮短；選用降阻劑時(shí)，應(yīng)以降阻效果長(zhǎng)效穩(wěn)定、無(wú)毒性、無(wú)污染為優(yōu)。

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(shè)備的接地極于土壤電阻率低的地方。通過(guò)將接地體敷設(shè)在土壤電阻率較低的土壤上，并將金屬引線至電氣設(shè)備，實(shí)現(xiàn)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(guò)把接地極深埋進(jìn)土壤電阻率較低的深層土壤里，從而達(dá)到增加接地極有效接觸面積的效果，實(shí)現(xiàn)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(huán)境使用廣泛。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)試驗(yàn)得出，土壤電阻率在系統(tǒng)中是一個(gè)被動(dòng)變量，主要受土壤的濕度、土質(zhì)、溫度、導(dǎo)電離子量、季節(jié)交替變化以及土壤受力程度等因素的控制?，F(xiàn)實(shí)生活與實(shí)際工程應(yīng)用中可通過(guò)換土法、化學(xué)處理法、外引接地法和埋深法等方法來(lái)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(tǒng)散流越快，作用于系統(tǒng)高電位時(shí)間越短，生命財(cái)產(chǎn)安全才能得到有效保障。對(duì)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。