土壤电阻率

土壤电阻率

土壤电阻率是大地的一种电性参数。接地体的接地电阻在很大程度上受土壤电阻率的约束。土壤电阻率ρ的定义是当有电流流过1m3土壤时所呈现的电阻值，它的单位为Ω·m。对于通信系统的接地装置，其所处的土壤电阻率越低越好。

一、影响土壤电阻率的因素

土壤电阻率的数值与土壤的种类（如黑土、粘土和沙土等）、湿度及温度等紧密相关。除此之外，影响土壤电阻率的还有溶解在土壤水分中的物质及该物质的浓度，土壤颗粒的大小及疏密程度等。由于因素众多、各因素的差值很大，因此不同土壤的土壤电阻率的数值往往差别很大。其中，影响土壤电阻率的最主要因素是湿度。有试验表明，当土壤含水量增加时，土壤电阻率急剧下降；当土壤含水率（重量百分比）增加到20%~25%时，土壤电阻率将保持稳定。土壤电阻率也受温度的影响，当土壤温度升高时，其电阻率下降，在0摄氏度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用意义。一年之中，在同一地方，由于气温和天气的变化，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，其中以地表土最为显著，所以接地装置埋的深一点对稳定接地电阻有利。通常水平接地装置最少埋深为0.5~1m。

二、土壤电阻率的分布

根据土壤电阻率的不同，一般把其分为低电阻率地带、中电阻率地带和高电阻率地带，其中，低电阻率地带的电阻率小于100Ω·m，主要以常年含有大量水分的河床或沿海低洼地带为主。土壤电阻率大于等于100Ω·m小于1000Ω·m的为中电阻率地带，以容易得到地下水的内陆平原地区为主。土壤电阻率大于等于1000Ω·m称之为高电阻率地带，以容易排水的丘陵地带、山麓、高原等地区较为常见。土壤电阻率的分布见表1。

表1 土壤电阻率的分布

分类电阻率ρ的范围

（Ω·m）

特征

低电阻率地带ρ＜100土壤中长年含有水分的河床或沿海的低洼地

中电阻率地带100≤ρ＜1000容易得到地下水的内陆平原

高电阻率地带ρ≥1000容易排水的丘陵地带、山麓、高原

三、土壤电阻率的测量

从土质可以初略判断其大致的土壤电阻率范围，但有时还是需要更精确的知道土壤的电阻率，这就需要对土壤电阻率进行测量，土壤电阻率的测量方法很多，如地质判定法、双回路互感法、自感法、线圈法、偶极法以及四电极测探法等。其中，四电极测探法通过实践检验，其准确性完全能满足工程计算要求，这种测量方法所需仪表设备少，操作简单，成为工程设计中的一种常用的方法。因此，一般工程应用推荐采用四电极测探法测量土壤电阻率。

四电极测探法的电极配置如图1所示。将电源接在电极C1与C2之间，这时大地中有电流流过。然后将电压表接在电极P1与P2之间，测定在电极P1与P2之间发生的电位差。

图1 四电极测探法

采用四电极测探法时，用电位差的测定值除以通电电流值，即可求出接地电阻值R（Ω）。设电极间距为a（m），则土壤电阻率ρ=2πaR。当然，现在使用测量土壤电阻率的仪表时，一般不需要自己去进行ρ的计算，只要按照仪表的要求将电极按a值打入地下即可，仪表会自动计算出土壤电阻率。

用四电极测探法测量土壤电阻率时的注意事项有：

（1）a的取值为垂直接地体的埋设深度。

（2）四根极棒布设在一条直线上，极棒的间距相等为a。

（3）接线时，将仪表上的P2、C2接线端子间的短路片断开。

（4）极棒与仪表上接线端子的连接顺序不能颠倒。

（5）各极棒的打入地下深度不应超过极棒间距a的1/20。

四、土壤电阻率的改良

从地网的接地电阻原理可知，土壤电阻率对接地效果有直接的影响，土壤电阻率越高，常规的接地效果越不理想，那么如何在高土壤电阻率地区获得较低的电阻率呢？主要方法包括：

（1）换土：用土壤电阻率较低的土壤替换电阻率较高的土壤。

（2）对土壤进行化学处理：将木炭、石灰、食盐等低电阻率的化学物质与土壤混合并夯实。这种方法中使用的化学物往往带有腐蚀性，且易流失，一般只是在不得已时采用。

（3）深埋接地体或深井接地：当地下深处的土壤或水电阻率较低时，可采用深埋接地体的方法。有条件时尚可采用深井接地。其做法是：用钻机钻孔，把钢管打入井内，再向钢管内和井内灌满泥浆。

（4）利用电阻率较低的水和与水接触的钢筋混凝土作为散流介质。

（5）利用长效降阻剂：长效降阻剂是由几种物质配制而成的化学降阻剂，具有导电性能良好的强电解质和水份。这些强电解质和水份被网状胶体所包围，网状胶体的空格又被部分水解的胶体所填充，使它不至于随地下水和雨水流失，因而能长期保持良好的导电作用。目前来说，利用长效降阻剂降低土壤电阻率是一种较为常见和高效的办法。

五、降阻剂的应用

1.降阻剂的降阻原理

降阻剂的电阻率很低，一般可在0.2~0.5Ω·m，将降阻剂敷设在接地体和自然土壤之间

就如同大大增大了接地电极的直径，由于接地体几何尺寸增加，而使接地电阻减小。降阻剂降低土壤电阻率的机理主要包括：

（1）相当于增大了接地体的几何尺寸；

（2）降阻剂刚刚浇灌时是半流体状态，使它与周围的土壤接触紧密，减小了接触电阻，从而使接地电阻显著的减小；

（3）降阻剂渗透在土壤中有良好的吸水保水性能，同时降阻剂自身的电阻率很小，相当于提高土壤的湿度的同时还增加了导电离子的量，从而降低土壤电阻率。一般来说，合格的降阻剂呈现良好的负阻特性，即随着电流密度、电流波形陡度的增加而电阻率自动下降的特性。

2.降阻剂的要求

无论军工、民用电气接地装置都必须做到安全和持久，一般都要求接地装置的使用寿命在15年以上。因此降阻剂在使用时也必须考虑以下长效性问题：

（1）对生态环境的影响：降阻剂本身不能含有有害金属元素和有毒物质如汞、铅等，对水质和土壤不会造成污染，在使用中和人体接触也不应引起不适或其他不良反应；

（2）对金属接地极的影响；降阻剂对金属尤其是钢材和铜材的腐蚀性应不大于土壤对金属的腐蚀性，并尽可能小，好的降阻剂包裹在金属接地装置外，相当于多了一层隔离层，能将土壤对金属接地极的腐蚀速率降低至原来的1/4~1/2，起到了相当好的延缓作用；

（3）地下水的影响：不能因为雨水的浸袭而流失并有较好的保水性能；一般来说，现有的降阻剂技术可以保证降阻剂不会被水溶解且添加少量的固化剂，既便于保水性的改善，也易于形成渗水层帷幕，保证降阻剂的含水量基本稳定在25%~45%之间，且不受环境含水量的变化而产生较大的波动；

（4）要考虑地中电流的影响：不能因为地中的三相不平衡工频电流和其他杂散电流而影响其伏安特性；

（5）应能接受温度的影响：当出现工频接地短路或雷击电流泄放时，接地系统中的线电流密度可达每平方米数百乃至数十万安培，在这种情况下，接地装置及其周围的土壤的局部温度可能上升至120摄氏度左右，在这种情况下，降阻剂应可反复载流并呈现负阻特性；

（6）应能承受大电流冲击的影响：在大电流冲击下，降阻剂的冲击系数应小于1，即不能呈现正阻特性，且大电流冲击时不能出现干裂爆燃等现象，多次冲击性能不能有显著下降。

3.降阻剂的使用

常见的降阻剂的施工工艺非常简单。如图2所示，将降阻剂在与水调和后形成胶状物或泥浆状，再将成为胶状的降阻剂包裹在接地极外面，就形成了比接地极体积大的多的柱状体。施工时应注意将接地极尽可能的处于降阻剂的包覆中心，提高降阻剂的使用效率。相对于其他改良土壤电阻率的措施，降阻剂具有施工方便、工作量少，可少打接地体、节省金属材料，具有长效性和稳定性，防腐性能好，较少受气候的影响，综合技术经济性好等优点。

图2 降阻剂的使用示意