土壤电阻率及其测试技术

土壤电阻率及其测量技术摘要：接地电阻一直以来对电气设备和通信设备等的安全运行有很大影响。而影响接地电的重要参数就是土壤电阻率，如果土壤电阻率数据不准确，将给工作带来意想不到的麻烦。本文在前人研究的基础上，对土壤电阻率的影响因素及其测量技术进行总结和汇总，为后面的研究打下基础。

关键词：土壤电阻率，影响因素，温纳法

Soil resistivity and measurement techniques

BangWu1

(1.State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment, Xi’an Jiaotong University,

Xi’an 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 datawill bring unexpected trouble.Based on previous 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 way

1.引言

接地电阻是直接反映接地情况是否符

合规范要求的一个重要指标。对于接地装置

而言，要求其接地电阻越小越好，接地电阻

越小，散流越快，跨步电压、接触电压也越小[1]。影响接地电阻的主要因素有土壤电阻率，接地体的尺寸、形状及埋入深度，接地线与接地体的连接等。其中正确分析测量土壤电阻率关系到接地电阻是否达标、接地寿命以及接地系统的成本，故对接地电阻的大小起着决定性作用。因此，研究影响土壤电阻率的主要因素及正确地测量土壤电阻率，对接地装置的正确设计起着决定性作用，具有重要的意义，而本文就是对这些问题进行一定的总结。

2.土壤电阻率的定义

如图2.1所示，土壤电阻率的微观研究模型主要是基于土壤介质多属孔隙结构，也可以说，土壤主要以土质固体微粒和间隙中的液体组成，而一般将孔隙液体（电解质）作为土壤介质导电的主要材料[2]，原因主要有以下两点：

a）土壤中的固体微粒相对于电解质液体导电性能很差；

b）虽说土壤中会出现一些金属微粒、半导体微粒和其他固体导体，但是这些存在于特殊的环境中。

图2.1 土壤介质多属孔隙结构

Fig.2.1 Soil media mostly pore structure

3.影响因素

土壤电阻率不是一个恒定的值，影响土壤电阻率的因素很多，主要有以下几个方面的影响：

（1）湿度对土壤电阻率的影响

一般而言，土壤越湿，含水量越多，导电性能就越好，ρ就越小；反之就越大。这就是接地体的接地电阻随土壤干湿变化的原因。如图3.1为土壤电阻率随湿度的变化，可以得出以上结论，并在含水量达到20%以上时，ρ下降很少。

图3.1 土壤电阻率随湿度变化

Fig.3.1 Soil resistivity with humidity changes （2）

导电离子的浓度对土壤电阻率的

影响

土壤电阻率的大小主要取决于土壤中导电离子的浓度和土壤中的含水量，它是土壤中所含导电离子浓度A的倒数，也就是说，土壤中所含导电离子浓度越高，土壤的导电性就越好，ρ就越小；反之就越大。如沙河中，河底的ρ较大，就是由流水的冲刷，使导电离子浓度减小所致。一般的实验室试验研究导电离子浓度对土壤电阻采用的模拟手段是使用盐水来等效导电离子溶液，改变盐水浓度来调节导电离子浓度，结果如图3.2所示，满足以上特性。

图3.2 土壤电阻率随含盐量的变化

Fig.3.2 Soil resistivity with salinity changes （3）温度对土壤电阻率的影响

温度对土壤电阻率的影响也较大。一般来说，土壤电阻率随温度的升高而下降。当土壤温度＜0℃时，由于其中水分结冰、土壤冻结，电阻率会突然增加。因此，一般都将接地极放在冰冻层以下，以避免产生很高的流散电阻。通常最少埋深为0.5 m（北方地区应为当地冻土层以下为宜）。温度自0℃继续上升时，由于溶解盐的作用，电阻率逐渐减少，但当温度达到100℃时，由于土壤中的水分蒸发，电阻率又增高。具体可见图3.3所示。

图3.3 土壤电阻率随温度的变化

Fig.3.3 Soil resistivity with temperature changes （4）土壤的致密性的影响

土壤的致密与否对土壤电阻率也有一定的影响。试验表明，当粘土的含水量为10%，温度不变，单位压力由1961Pa增大到19610Pa时，ρ可下降到原来的65%。因此，为了减少接地电极的流散电阻，必须将接地体四周的回填土夯实，使接地极与土壤紧密接触，从而达到减小土壤电阻率的效果。（5）季节性因素对土壤电阻率的影响季节的变化也将引起土壤电阻率的变化[3]。季节不同，土壤的含水量和温度也就不同，影响土壤电阻率最明显的因素就是降雨和冰冻。在雨季，由于雨水的渗入，地表层土壤的ρ降低，低于深层土壤；在冬季，由于土壤的冰冻作用，地表层土壤的ρ升高，高于深层土壤。这样，使土壤由原来的均匀结构变成了分层的不均匀结构，引起ρ的变化。多年冻土的ρ极高，可达没有冻土时的几十倍。在我国东北地区，冬季冻土的厚度可达1.6 m。

（6）土质对土壤电阻率的影响

虽说主要的导电材料是孔隙中的电解液，但是不同的土质对土壤电阻率的影响也不容忽略，不同土质的土壤电阻率有的甚至相差几千到几万倍。一些典型的土质土壤率如下图3.4所示

图3.4 不同土质的电阻率 Fig.3.4 Different soil resistivity

4. 土壤电阻率的测试方法

通常土壤有若干层，层与层的土壤电阻率是不同的。同时土壤电阻率的横向变化也存在，但通常是渐变的，在测量地段附近可不考虑土壤电阻率的横向变化[4]。

在大多数情况下，测量数据表明，土壤电阻率ρ主要是深度z 的函数，为便于表达，此函数可写成如下式：

()z ρ?=

式中：ρ为土壤电阻率

z 为深度

函数φ（x ）的特性一般说来不是简单的，因而为分析测试数据，最好先建立一个能给出最优近似值的简单的等值函数，而为了建立这样的函数往往需要建立简化的土壤模型和数据样值，一般选择双层或三层土壤结构，采用以下几种数据样值搜集法 4.1 地质资料

通常，在要安装接地网的地方，总要进行大规模的土建工程，为此要进行地质勘探，以获取有关土壤特性和构造的大量资料，这

对试图取得这些资料的电气工程师会大有帮助，而地质勘探的一般途径如下: (1) 地质图

地质图是将沉积岩层、火成岩体、地质构造等的形成时代和相关等各种地质体、地质现象，用一定图例表示在某种比例尺地形图上的一种图件。它是表示地壳表层岩相、岩性、地层年代、地质构造、岩浆活动、矿产分布等的地图的总称。也即表示地质现象、岩石地层矿产分布及构造特征的专题地图。因此地质图对反映板块的移动和土壤土质的发展有较大的作用。

所以，根据地质图，既可以通过研究板块的移动而推断大地深层基岩的构成又可以通过土壤的发展而得出浅层土壤的土质，从而最终判断土壤电阻率的大小。 （2）井孔数据[5]

井孔勘探是在地面或地面附近激发地震波，而把检波器放在井内接收地震信号的地震方法。井孔勘探是由地震测井衍生而来，自20世纪50年代以来，经过几十年的发展，现在也已逐步成熟并成为常规的地质勘探方法。该法通过分析在震源和探测井之间的波形，得到土层变化的深度，从而区分了不同的土层结构，再根据土质得到电阻率。

具体现场示意图如图4.1所示，振动波在不同的土质边界上会发生反射，从而通过分析井孔中不同位置的信号最终判定分界面的深度。

图4.1 井孔勘测

Fig.4.1 Borehole survey

（3）反射波勘探法

反射波勘探需要进行的是井间勘探，即需要在一口井内激发地震波，另一口井中用检波器记录地震信号的地质勘探技术。它从20世纪80年代开始兴起，今天仍处在发展和完善阶段。由于震源到检波器的方向与产层边界平行，所以当地下介质为水平介质时，井间数据涉及反射体的信息比较少，从这些数据中可以获得井间数据体中的地层速度信息（层析速度）；但是当地下介质构造复杂时，对井间地震反射波成像的优势就可以得到很好的体现。

而人们之所以要把震源和检波器放入井中进行勘探工作，主要是出于以下考虑：

一、地球陆地表面是最年轻的沉积层，并且由于受到风化作用和人类活动的影响，形成了一个疏松的表层。这个疏松的表层的速度很低（300-800m/s），吸收系数很大，对地震波信号的高频成分有极强烈的吸收作用。而将检波器置于井内，就避开了地表低速带对地震信号高频成分的吸收，使接收到的地震信号的频率更高。

二、地表低速带还是干扰波（面波、次生干扰、浅层折射、微震、工业干扰等）最发育的地带，噪声严重干扰地震有效波（直达波、反射波），不仅振幅能量降低，甚至有时连识别和追踪都非常困难。而在地下深部接收地震波，就完全避开了干扰源，大幅度提高了有效波的信噪比，有利于更直接的表现地震波的运动学和动力学特征。

三、在地面，只能接收到自下向上的反射波，而在井中，不仅可以接收到上行的反射波，而且可以接受下行的反射波，这两个波在反射界面处发生振幅和相位的突变。可以在地下地层内部，随处观测地震子波的变化，这对于创立一个更加符合波动原理的环境，研究地下介质中地震波场的实际变化提供了一个非常有利的条件。

同时反射法中，不同性质的波也可以得到不同的特征，如纵波反射可以认为是岩石空隙含有不同流体成分导致变化，而横波反射认为是岩石横向变化才会变化而与流体无关。具体演示图如图4.2所示

图4.2 井间勘探反射波法

Fig.4.2 Crosswell exploration

reflected wave method

（4）地质雷达法

地质雷达（Ground Penetrating Radar(GPR)）是探测地下物体的地质雷达的简称。它利用超高频电磁波来探测地下介质分布。

其基本原理为发射机通过发射天线发射中心频率为35至900MHz的脉冲电磁波讯号。当这一讯号在岩层中遇到电阻率或介电常数差异较大的物体时，会产生一个反射讯号。根据反射讯号到达滞后时间及目标物体平均反射波速,可以大致计算出探测目标的距离。演示图如图4.3所示

图4.3 地质雷达原理图

Fig.4.3 geological radar Schematic （5）土壤电阻率分布图

有时，

可以直接得到某一地区的土壤电

阻率的分布图，如图4.4所示，这时就可以直接使用而不需要再推算，但是由于分化、温度、湿度等原因要求其需要实时更新。

图 4.4 土壤电阻率分布图 Fig.4.4 Soil resistivity distribution

4.2 电气测量方法

通过取得的地质勘探数据来决定土壤电阻率从而决定接地电阻的连接方式的处置方法往往是不够精确的，因为现场土壤的结构和内部含水量，温度等都是会变化的，而实际电气现场中最实用的就是现场测量的方法，下面一一介绍。 （1） 四电极法[6-7]

对大体积未翻动过的土壤进行土壤电阻率的测量，最准确的方法是四电极法。如图4.5所示为Wenner 法，将小电极埋入被测土壤呈一字排列的四个小洞中，埋入深度均为b ，直线间隔均为a ，测试电流流入外侧两电极，而内侧两电极间的电位差可用电位差计或高阻电压表测量。

图4.5Wenner 四电极法

Fig.4.5 TheWenner four electrode method

将模型等效为两个半球电极的叠加，如

图4.6为一个半球电极，得到公式为：

2V

a I

ρπ=

图4.6半球电极模型

Fig.4.6 Hemisphere electrode model

然而Wenner 法的一个缺点是当电极间距增到相当大时，内侧两个电极的电位差迅速下降，通常用仪器测不出如此低的电位差。为了能测量大间距电流极时的土壤电阻率，可用图4.7的布置方式，此时电位极布置在相应的电流极附近，如此可升高所测的电位差值，此方法叫施伦贝格巴莫测试法（Schlumberger-Palmer ）。

图4.7施伦贝格巴莫测试法 Fig.4.7 Schlumberger-Palmer Test

此种布置的计算公式很易于确定，如果电极的埋地深度b 与其距离c 和d 相较甚小时，则所测得电阻率可按下式计算

()/c c d R d ρπ=+

在Wenner 法及Schlumberger-Palmer 法所测的视在土壤电阻率与电极间距a 的关系用曲线表示，此曲线即表示该土壤的构造，但所需的是土壤电阻率随厚度的变化，因此需要有个转化关系，一般根据经验公式如下两条：

1、The Gish and Rooneg 法

该法通过土壤电阻率曲线形状的变化判断在曲线曲率转折或变化时，与电极间距相等的深度处开始出现另一层土壤。

2、The Lancaster-Jone 法

该法认为在出现曲率转折点时即是下一层土壤，其深度为所对应电极间距的2/3处。

于是可以得到视在电阻曲线a ρ-图，然后在以下三条假设下，

构建土壤模型进行

分析。

假设一：土壤的土壤电阻率不变化即土壤是同质的；

假设二：土壤有几个水平土壤层，每层土壤电阻率不变化；

假设三：土壤有按指数函数变化的土壤电阻率。

如图4.8为一个简单的双层土壤模型例子，可以发现实线更准确。

图4.8视在电阻曲线 Fig.4.8 Apparent resistance curve

（2） 深度变化法

相比较四电极法而言，这个方法可以直接得到深度变化的电阻率变化曲线，其实际上就是假定被试电极是一个打入深度为l 的接地棒（与相比较接地棒的半径r 是小的），于是埋在同质土壤内的接地棒的接地电阻为：

2ln 2l R l r

ρπ=

不妨对图4.9土壤电阻率随深度变化进行分析，得到土壤构造至少可分为三层，浅层土壤电阻率为210Ωm ，中层土壤电阻为浅层 2.5倍左右，第三层土壤电阻率低于100Ωm

图4.9土壤电阻率随深度变化图 Fig.4.9 Soil resistivity with depth change map

（3） 瞬变电磁法

变电磁法，是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法。其基本工作方法是:于地面或空中设置通以一定波形电流的发射线圈，从而在其周围空间产生一次电磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流:断电后，感应电流由于热损耗而随时间衰减。衰减过程一般分为早、中和晚期。早期的电磁场相当于频率域中的高频成分，衰减快，趋肤深度小;而晚期成分则相当于频率域中的低频成分，衰减慢，趋肤深度大。通过测量断电后各个时间段的二次场随时间变化规律，可得到不同深度的地电特征。

基本原理图如图4.10所示，相比较地质勘探中的地质雷达，它可以通过不同时间的反射波的频率从而直接判定不同深度的土壤电阻率，要更加快捷精确些。

图4.10基本原理图 Fig.4.10 Fundamentals Figure

5. 结论

本文首先从土壤电阻率的结构出发，分析土壤导电的主要原因，然后依次分析温度，

湿度，导电离子浓度，致密度及土质五个主

要方面的影响，得到如下结论：

（1）土壤越湿，含水量越多，导电性能就越好，ρ就越小；反之就越大；

（2）土壤中所含导电离子浓度越高，土壤的导电性就越好，ρ就越小；反之就越大；（3）土壤电阻率随温度的升高而下降；反之就越大；

（4）为了减少接地电极的流散电阻，必须将接地体四周的回填土夯实，使接地极与土壤紧密接触，从而达到减小土壤电阻率的效果。

（5）不同土质的土壤电阻率有的甚至相差几千到几万倍。

之后，又从地质勘探和电气测量两方面入手，分析了测量土壤电阻率的方法，其中四电极法是电气领域使用最为广泛的方法，一般使用Wenner法，而当电极间距a比较大时，使用Schlumberger-Palmer法。

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