李超，宣浩，侯骏 ，姚传山，阮培培

（1.安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

0 引言

1 土壤电阻率的检测

针对接地系统土壤电阻率的检测不仅需要在接地装置地网结构设计之前进行取样测量，为设计地网电阻提供重要的参考依据，也应在项目接地装置验收过程中对其进行检测，以判断接地电阻的可靠性。土壤电阻率检测是否准确是受土质结构和性质不同的影响，不同形式的土壤其导电性是不同。准确测量确定土壤电阻率对建筑物及电气设备的接地设计有着重要意义。到目前为止，经过长期的研究探索出以下几种方法可以测量土壤电阻率：①土壤试样法；②三点法（深度变化法）；③两点法（西坡土壤电阻率测定法）；④四点法；⑤大电流法；⑥变频法等。我们在工程实际应用中主要以四点法为主，分为等距法和非等距法，现对四点测量方法作如下介绍。

1.1 等距法或温纳法

测量方法是将测量电极埋入处于被测土壤环境中的一字排列的四个小洞中，电极埋入大约深度为b。让测试电流I流进处于外侧的两个电极，内侧两电极间呈现的电位差V可用高阻电压表测量。主要适用于电极间距为（2～30）m之间常规测量，设a为两相邻电极间距，则电阻率ρ按式（1）计算：

式中：

ρ——土壤电阻率，单位为欧姆米（Ω·m）；

R——所测电阻，单位为欧姆（Ω）；

a——电极间距，单位为米（m）；

b——电极深度，单位为米（m）

布置电极图如图1所示。

图1 电极均匀布置

测试时当电极埋入地下深度值b小于等于0.1a时，可假设b=0，则计算公式可简化为式（2）:

1.2 非等距法

当电极之间的直线间距增加到40m及以上，宜采用非等距法测量，电极布置方式见图2所示，将电位极摆放在对应的电流极附近，这样可以升高所测的电压值。采用这种布置方法，当电极的埋地深度b与距离d和c相比较小时，所测得电阻率可按式（3）计算：

式中：

P——土壤电阻率，单位为欧姆米（Ω·m）；

R——所测电阻，单位欧姆（Ω）；

c——电流极与电位极间距，单位为米（m）；

d——电位极距，单位为米（m）。

电极布置图如图2所示。

图2 电极非均匀布置

2 土壤电阻率检测深度变化与横向变化影响比较

在工程实际检测中，一般不考虑土壤电阻率的深层变化。因此我们一般根据等距法来测定土壤深度为（2～30）m内的电阻率，测量得到的土壤电阻率并不是电极插入深度处的土壤电阻率而是测量深度约为两个接地电极间距离的土壤电阻率，这点是需要引起注意的。因此为了了解土壤的分层情况，我们可以通过改变“a”值进行测量，可得到更深地层中土壤的电阻率并检查土壤的同质性。为了探究土壤电阻率检测深度变化与横向变化影响比较，我们选取了一块场地进行土壤电阻率检测。项目场地位于合肥市蜀山区产业园某工业园内，检测方法采用等距法，通过改变电极间距及保持同一电极间距条件下，横向移动电极均匀布置方向所得到土壤随深度方向与横向变化电阻率数据如下表所示。

根据检测数据，得出项目场地土壤电阻率为100Ω·m以内，属于低土壤电阻率地区，符合合肥地质情况。同时由于测试环境及场地原位土层条件复杂多变，存在空间变异性，使得实测土壤电阻率很难准确定义且可看出其不与距离变化成线性关系，但可以从数据变化得出土壤电阻率随深度变化较横向变化影响大很多。

图3 四点法测试示意图

图4 探针距离与土壤电阻率关系

3 影响土壤电阻率相关因素

在地球环境中，完全干燥的土壤是不存在的。土壤中物质特性丰富，例如矿物质、水、酸碱电解质等。土壤中包含的物质富含各种金属离子和自由电子，因此土壤具有相应的电阻率，影响土壤电阻率的相关因素如下。

土壤电阻率检测随深度变化与横向变化数值 表1

温度对土壤电阻率的影响 表2

3.1 土壤类型

土壤电阻率主要由土壤性质决定，土壤电阻率因土质不同会相差数百倍至数千倍，甚至更大。国内外研究者根据地表土质情况将土壤分为泥土类（土壤电阻率范围为60Ω·m～200Ω·m）、黏土类（土壤电阻率范围为150Ω·m～300Ω·m）、砂土类（土壤电阻率范围为250Ω·m～500Ω·m）、岩土类（土壤电阻率范围为10000Ω·m～100000Ω·m）。

3.2 土壤含水量

土壤含水量对土壤电阻率也有很大影响，不含水分的土壤是绝缘体。土壤类型的不同，由于含水量增大所引起的土壤电阻率下降梯度也存在着明显差异，例如实验研究对混凝土土壤电阻率与其中水分含量间的变化关系进行实测，结果数据显示当土壤含水量从3%增加到27%时，对应土壤电阻率会降低为初始值的1/28。含水量对土壤电阻系数的影响，不仅随土壤种类不同而有所不同，而且与所含的水质也有关系。

3.3 温度

温度的变化也会影响土壤的电阻率。土壤电阻率随温度变化的实测数据如表2所示。

在温度下降到0℃及以下时，因为冰冻的缘故土壤电阻率会迅速上升。设置温度为10℃时的土壤电阻率为基准值，温度为0℃时数值会增长3倍，零下5℃时会增大到8.5倍。在实际工程应用计算中，当我们计算土壤电阻率时会引入季节性修正系数

3.4 季节性修正系数

测量土壤电阻率应选择在天气晴朗多日后或季节、土壤干燥时进行，因此土壤电阻率应是实验测得的土壤电阻率数据中的最大值，可按式（4）进行季节性修正：

ρ——所测土壤电阻率；

ψ——季节性修正系数。

季节性修正系数确定值如表3所示。

3.5 其他因素

土壤中酸碱盐等无机电解质、土壤的紧实程度、孔隙率等因素同样会对土壤电阻率有一定的影响。在工程实际中为了降低接地电阻，我们通常会通过夯实接地体附近的土壤。

根据土壤性质决定的季节修正系数表 表3

4 土壤电阻率对接地电阻影响

4.1 前期接地系统设计阶段

因为半球形接地极组成的接地装置是研究接地的基础，所以我们实验中可以将半球形电极埋设在地面土壤下作为样点，选取参考镜面为地面，使半球形电极通过镜像法构成全空间球形电极，通过这种方法驱使接地电流流出面积扩大1倍，可以将接地电阻减半。假设镜像全空间球形电极处于静电场中，相对电容率为ε，球体半径为r（m），则球体电容依据式（5）计算：

而半球状导体电极的接地电阻正好是上述R的一半，其他类型接地装置比如单一接地体，复合接地体接地电阻值都可换算得到。现在一些项目设计人员并没有根据项目具体情况进行实际计算，统一按联合接地要求对电气系统接地电阻值提出要求，虽然这种项目实施后大都符合标准或者不合格也可以通过简单整改措施完成要求，但从规范性与经济性上来说，前期进行一定的接地系统接地电阻设计是必要的。从以上分析可看出土壤电阻率对接地电阻起关键性作用，因此需要实施前期场地必要的土壤电阻率检测。

4.2 接地装置验收阶段

根据大量工程验收类检测项目检测经验，项目资料中并没有关于接地系统接地电阻的计算书类文件。现在检测仪器虽然都可以直接测得接地装置包括配电箱接地，电梯接地，等电位接地，防雷接地等接地电阻值，但测得的是工频接地电阻值，有时候我们需要得到冲击接地电阻值，这就存在一个换算系数，而这换算系数是由土壤电阻率所决定的，因此可得出在项目最后验收阶段也是需要测试土壤电阻率。他们之间关系如下图所示。

式中：R——工频接地电阻，单位为(Ω)；

Ri——冲击接地电阻，单位为(Ω)；

A—换算系数，换算系数的值按图5确定。

图5 换算系

5 结语

本文主要介绍影响建筑电气工程接地装置电气安全的关键—土壤电阻率的检测，得出建设项目接地装置土壤电阻率检测受到多种因素影响，并且土壤电阻率对项目前期接地系统方案设计及后期电气装置接地的效率与质量起到关键作用。由上述分析可知，在建筑电气工程整个建设周期内以及后期运行过程中，需要关注接地系统的稳定性与可靠性。在设计接地系统时，应充分考虑项目所在地的地质情况及土壤的电阻率变化情况，通过合理化设计拟定接地方案，配套后期接地装置检测验收来保证接地系统达标。

虽然当前电气装置接地的施工、检测与改进技术越来越先进，但土壤电阻率理论与土壤电阻率测试技术并不十分成熟，由于地下土层条件、空间结构复杂多变，以及季节性因素等都使得实测电阻率资料很难有稳定长期使用价值。因此我们电气从业人员，应进一步学习与探讨，完善土壤电阻率理论，开展丰富实践，有效闭合整个接地系统建设与验收检测环节，使得接地装置更加安全有效的运行，使得建筑电气工程行业发展更长远。