土壤電阻率(Earth Resistivity)在我國相關標準中給出的定義為:表征土壤導電性能的參數(shù),它的值等于單位立方體土壤相對兩面間測得的電阻,通常用的單位是Ω·m。我們知道,通信接地系統(tǒng)的接地電阻主要由大地土壤電阻、接地體本身的電阻、接地引線電阻等組成,而起決定性作用的是土壤電阻,衡量土壤電阻大小的物理量即是土壤的電阻率。因此,土壤電阻率成為影響接地系統(tǒng)中接地電阻大小的關鍵因素。
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一、土壤的導電性
土壤是一種多孔并具有毛細管作用的物質,它由固體、液體和氣體三部分組成,電流能在土壤內傳導,主要是土壤溶液的作用。電流通過土壤的固體部分的能力很弱,它與固體顆粒大小和顆粒之間的接觸的緊密程度有關。在外加電場的作用下,土壤的溶液內產(chǎn)生離子位移,因而引起土壤的導電現(xiàn)象。土壤內離子密度越大,導電性能越好。土壤電阻率是土壤的一種基本物理特性,是土壤在單位體積內的正方體相對兩面間在一定電場作用下,對電流的導電性能。一般取每邊長為10mm的正方體的電阻值為該土壤電阻率ρ,單位為Ω·m。影響土壤電阻率的因子主要有:土壤類型、含水量、含鹽量、溫度、土壤的緊密程度等化學和物理性質,同時土壤電阻率隨時深度變化較橫向變化要大很多。常見材料的電阻率詳見下圖1-0,由圖1-0可以看出土壤為半導體材料。
圖1-0:常見材料的電阻率
二、土壤的電阻率
土壤電阻率的大小與土壤地質期和地質構造有極大的關系,對于土壤地質期和地質構造與土壤電阻率的關系詳見下表2-1。下表2-2和下表2-3分別匯總了各種性質土壤的電阻率和各種性質土壤的電阻率平均值,以供查閱參考。
表2-1:土壤電阻率與土壤地質期和地質構造的關系表
表2-2:各種性質土壤的電阻率
表2-3:各種土壤的電阻率的平均值
上述表中給出了許多性質的土壤和石質,如何識別呢?請參見下附錄。
附錄:土、石質的分類
三、土壤電阻率的影響因素
1、溫度的影響
溫度對土壤電阻率的影響主要表現(xiàn)在,當溫度超過100℃時由于水分的蒸發(fā)使電阻增大;當溫度為0℃,水變?yōu)楸鶗r土壤電阻率突然上升。土壤電阻率與溫度的關系如下表3-1所示,下圖3-1給出了土壤電阻率與溫度的變化曲線。
表3-1:土壤與沙混合的粘土電阻率與溫度的關系(含水量約為15%)
圖3-1:土壤電阻率與溫度的變化曲線示意圖
2、濕度的影響
土壤的導電作用是由土壤中所含有的可溶性酸、堿、鹽類造成的。當它們溶解時,就會發(fā)生電解作用。所以濕度對大地電阻系數(shù)的影響很大。在一年之中,土壤電阻率的變化很大,一般說來,土壤濕度愈大,土壤電阻率就愈小,但濕度達到25%以上時,變化就較小了,如下表3-2-1所示;下圖3-2給出了土壤電阻率與濕度的變化曲線。另外,從電解的觀點看,含水量對土壤電阻的影響正與所含水的成份有關,各種水的電阻率詳見下表3-2-2。
表3-2-1:土壤電阻率與含水量的關系
圖3-2:土壤電阻率與濕度的變化曲線示意圖
表3-2-2:各種水的電阻率
3、化學成分的影響
從電解導電的機理來看,當土壤中含有鹽、碳、堿成分的,其電阻率會顯著下降,一般以含鹽最有代表性。下表3-3是在含水量為15%、地溫為17℃時土壤含鹽率與土壤電阻率的關系;下圖3-3給出了土壤電阻率與含鹽量的變化曲線。
表3-3:沙黏土中含鹽量與土壤電阻率的關系
圖3-3:土壤電阻率與含鹽量的變化曲線示意圖
4、物理性質的影響
土壤物理性質是指土壤物理顆粒的大小、顆粒的分布、顆粒的密度性與土壤物質結構的分布等。土壤的密度愈小、土壤微粒之間的接觸面積就愈小,接觸電阻增大,因而土壤電阻率就愈大,反之亦然。由此可見,埋射接地裝置時,回填土時一定要壓緊土壤,充分夯實。
應當注意,以上各表提供的數(shù)字只能在缺乏土壤電阻率的實際資料時作為參考用,且只能當作可能存在的電阻率的數(shù)量級參考,在具體設計接地系統(tǒng)時,還應到現(xiàn)場實測。
四、土壤電阻率的測量
依據(jù)GB/T 17949.1《接地系統(tǒng)的土壤電阻率、接地阻抗和地面電位測量導則 第1部分:常規(guī)測量》,測量土壤電阻率ρ的主要方法有:土壤試樣法、三點法(深度變化法)、兩點法(西坡Shepard土壤電阻率測定法)、四點法(又有等距法或溫納(Wenner)法和非等距法或施倫貝格-巴莫(Schlumberger-Palmer)之分)等。若要詳細了解這些測量方法具體內容的請查閱GB/T 17949.1標準的原文,見下附件。為了得到較為準確的結果,標準中還給出了各測量方法下相關因素的分析。
附件:GB/T 17949.1-2000《接地系統(tǒng)的土壤電阻率、接地阻抗和地面電位測量導則 第1部分:常規(guī)測量》
在GB 50689《通信局(站)防雷與接地工程設計規(guī)范》中,也推薦了一種土壤電阻率的測量方法,其選用的是等距四點法。
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五、土壤電阻率的季節(jié)修正系數(shù)
由于土壤電阻率受上述各種因素的影響而隨月份、季節(jié)發(fā)生變化,為了保證在全年中土壤電阻率最大的月份,接地體的接地電阻仍能滿足使用要求,應按下式進行季節(jié)修正,其中ρ0表示實測土壤電阻率;Ψ表示季節(jié)修正系數(shù)。
ρ = Ψ ρ0
表5-1給出了北京地區(qū)測量的季節(jié)修正系數(shù),表中8月份為上限(最大值),2月份為最小值。至于我國其它地區(qū)根據(jù)氣象條件,可參考表5-2作為選取季節(jié)修正系數(shù)的上限范圍。
表5-1:北京地區(qū)季節(jié)修正系數(shù)表(根據(jù)氣象條件)
表5-2:季節(jié)修正系數(shù)表(根據(jù)氣象條件)
早期西北電力設計院編制的《電力工程設計手冊》中,根據(jù)不同土壤性質確定的季節(jié)修正系數(shù),其GB 50689標準中也采用了此修正系數(shù),具體詳見下表5-3。
表5-3:季節(jié)修正系數(shù)表(根據(jù)土壤性質)
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