对称四极法在土壤电阻率测试中的应用

黄启春

(山东正元工程检测有限公司，山东济南 250101)

0 引言

接地系统是电站安全运行的基本保证之一，因为电气设备的工作接地、保护接地与建筑物的防雷使用接地系统的接地电阻大小是该系统重要指标之一，接地电阻是直接反映出接地情况是否符合规范要求的一个重要指标［3］。对于接地装置而言，要求其接地电阻越小越好，因为接地电阻越小，散流越快，跨步电压、接触电压也越小。土壤电阻率的大小直接关系接地网的设计的难易和工程造价的高低。而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，而土壤电阻率的高低又是直接影响接地电阻大小的重要条件。因此，测试土壤电阻率，对接地装置的正确设计起着决定性作用，具有重要的意义。

测量土壤电阻率的方法较多，有土壤试样分析法、电磁测探法、两极法、三极法和四极法等。四极法操作方便，准确性满足工程计算的要求，成为土壤电阻率测试中常用的方法之一。

1 四极法测试土壤电阻率的工作原理与方法1．1 土壤电阻率测试工作原理

土壤电阻率测试是采用电阻率法来测试的，电阻率法中的对称四极电测深法通过实践检验，其准确性完全能满足一般工程的需要，这种测量方法所需仪表设备少，操作简单，而且在电力接地工程中根据土壤电阻率值来进行有效的接地设计，故这种电法测试技术引用前景较广泛，成为工程中一种常用的测试技术。

对称四极电测深法的工作原理:不同地层或同一地层由于成分或结构等因素的不同，而具有不同的电阻率，通过接地电极将直流电供入地下，建立稳定的人工电场在地表观测某点在垂直方向的电阻率变化，从而了解地层土壤电阻率的分布特点。对称四极电测深法的装置示意图如图1所示，AB为供电电极，MN为测量电极，当AB供电时用仪器测出供电电流I和MN处的电位差ΔV，则地层的电阻率用式(1)计算:

其中，ρ为岩层的电阻率，Ω·m;ΔV为测量电极间的电位差，mV;I为供电回路的电流强度，mA;K为装置系数，m，与供电和测量电极间距有关，按式(2)计算:

但实际工作中所遇到的地层既不同性又不均匀，故所测到的电阻率为视电阻率ρs值。

图1 土壤电阻率测试原理图

1．2 四极法测试土壤电阻率的工作方法

测量土壤电阻率的方法较多，有土壤试样分析法、电磁测探法、两极法、三极法和四极法等。四极法操作方便，准确性满足工程计算的要求，成为土壤电阻率测试中常用的方法之一。

测试布极时将四个测试接地电极以相等的间距打入地下(测试仪以德国美翠MI2127多功能接地电阻测试仪为例)电极打入深度应小于电极间距的5%，如图2所示。图中“a”表示电极间距。

测量结果计算:

将上述装置系数(K=πAM·AN/MN)代入:

令R=ΔV/I，则上式可写为:

其中，R可直接从仪器读出，在测试中只需要确定好电极间距即可。

图2 土壤电阻率测试示意图

1．3 接地网设计时土壤电阻率ρ的取值要求

土壤电阻率ρ是决定接地网的关键参数，如果土壤电阻率太大，接地网的接地电阻就很难满足Rg≤2 000/I的要求(I为入地电流)。

2 工程应用

山东省某新建铁路工程位于胶东半岛与内陆地区咽喉地带，线路全长约90．7 km。线路所经地区主要为滨海平原区及冲积平原区。地形平坦开阔，地表多为耕地。表层为第四系地层覆盖，覆盖层的厚度22．9 m～30．2 m，下伏下元古界粉子山群及荆山群变质岩，主要岩性有片麻岩、页岩、大理岩、变粒岩等。

本次土壤电阻率测试采用德国美翠MI2127多功能接地电阻测试仪进行测试。仪器性能指标如表1所示。

表1 德国美翠(METREL)MI2127性能指标

MI2127接地电阻测试仪可以直接测读到电阻率，在测试中只需要确定好电极间距即可。在确定好电极间距后，将四根测试电极以相等的极距打入待测点，连接MI2127接地电阻测试仪导线，在MI2127接地电阻测试仪中设置好测试接地电极之间的电极距，即可测试该点的土壤电阻率。

沿线路位置共测试6处位置的土壤电阻率。测试点位如下:DK23+800，DK32+900，DK44+060，DK46+100，DK68+900．01，DK80+330．6。在距线路中线点位两侧50 m位置处各测试一组土壤电阻率，分别测试1 m，2 m，3 m，4 m，5 m深度的土壤电阻率，完成12组土壤电阻率组测试，每组测试5个深度的土壤电阻率数据，共获得测试数据60个。测试成果如表2所示。

表2 土壤电阻率测试成果表

从测试成果分析看出，沿线各测试点的土壤电阻率在5 m深度内随测试深度的增加呈减小的趋势。个别测试点受表层土壤结构松散的影响，电阻率较大。

3 结语

1)本次测试数据为该工程接地网设计提供了关键的电阻率参数。

2)土壤电阻率的大小不仅直接关系到接地装置接地电阻的大小，而且还直接关系接地网的设计的难易程度和工程造价的高低。是接地计算中一个重要的参数。而四极法测量土壤电阻率，准确性能满足工程计算的要求，成为土壤电阻率测试中常用的方法之一。

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