分層土壤接地電阻測(cè)試方法研究*

曾　勇,　吳安坤,　張淑霞,　劉　波,　龍思朝

(貴州省防雷減災(zāi)中心, 貴州 貴陽(yáng)　550002)

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分層土壤接地電阻測(cè)試方法研究*

曾勇,吳安坤,張淑霞,劉波,龍思朝

(貴州省防雷減災(zāi)中心, 貴州 貴陽(yáng)550002)

摘要：通過MATLAB軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土壤電阻率測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,可定性判斷土壤結(jié)構(gòu)。基于電流場(chǎng)原理,分析了測(cè)量水平分層土壤接地電阻的電極位置布置曲線。結(jié)合土壤的實(shí)際結(jié)構(gòu)和電極位置布置曲線,提出了測(cè)量水平分層土壤接地電阻的方法。采用CDEGS軟件對(duì)土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了反演分析,獲得測(cè)量區(qū)域的實(shí)際土壤結(jié)構(gòu)及參數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了分層土壤接地電阻測(cè)試方法的可靠性。

關(guān)鍵詞：分層土壤; 土壤電阻率; 接地電阻; CDEGS軟件

0引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和信息化技術(shù)的發(fā)展,雷電引發(fā)的災(zāi)害顯著增加,造成的直接損失不可估量。目前接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常按照單層土壤結(jié)構(gòu)考慮,但在實(shí)際中大部分土壤不是單一結(jié)構(gòu),而存在明顯的分層情況,即土壤有明顯的不均勻性。在測(cè)量土壤電阻率時(shí),因各種原因可能導(dǎo)致被測(cè)區(qū)域的土壤不是同性土壤,會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。特別是在貴州的喀斯特地貌,土壤存在明顯的分層結(jié)構(gòu),若再按均勻土壤時(shí)的測(cè)量方法測(cè)量接地電阻,測(cè)量結(jié)果會(huì)存在較大的誤差。

本文在常用均勻土壤環(huán)境下測(cè)量接地電阻三極法的基礎(chǔ)上,提出了土壤水平分層時(shí)接地電阻的測(cè)量方法。利用溫納四極法測(cè)量的土壤電阻率數(shù)據(jù)并通過CDEGS軟件分析,得到土壤分層結(jié)構(gòu)和土壤參數(shù),在此基礎(chǔ)上利用分層土壤接地電阻測(cè)量方法測(cè)量接地電阻。

1土壤模型與定性分析

1.1土壤模型

水平三層土壤結(jié)構(gòu)模型是實(shí)際中常遇到的土壤結(jié)構(gòu)模型,上層是黏土,中層是黃土,下層是石灰?guī)r[1-2]。

垂直三層土壤結(jié)構(gòu)模型在有河流的地方會(huì)常遇到,左層是河道,中層是河流,右層是河道。

1.2土壤分層模型定性判斷

實(shí)際工程中,可通過溫納四極法和三極法測(cè)量土壤電阻率。采用MATLAB軟件將測(cè)量到的數(shù)據(jù)繪制成土壤電阻率-極間距(ρ-a)曲線和電阻率-接地極深度(ρ-l)曲線,通過曲線來判斷土壤的分層結(jié)構(gòu)[3-4]。

溫納四極法測(cè)量數(shù)據(jù)繪制的ρ-a曲線如圖1所示。由圖1可以看出,不同的土壤結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的曲線在形狀上有明顯的差別。對(duì)于兩層土壤結(jié)構(gòu),ρ-a曲線單調(diào)變化,且可以初步判斷第一層和第二層土壤的電阻率,第一層土壤的電阻率約為100 Ω·m,第二層土壤的土壤電阻率為1 000～1 200 Ω·m;對(duì)于三層土壤結(jié)構(gòu),ρ-a曲線一個(gè)明顯的峰值;對(duì)于四層土壤結(jié)構(gòu),ρ-a曲線存在兩個(gè)峰值。

圖1　ρ-a曲線

測(cè)試結(jié)果表明,四極法電極電流穿透深度與相鄰的電極間距相等,即測(cè)量到的是與相鄰電極間距相等深度的土壤電阻率。同時(shí),在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)應(yīng)在一個(gè)測(cè)量路徑方向完成后,再在垂直的方向路徑進(jìn)行相同間距的測(cè)量。兩次測(cè)量數(shù)據(jù)的結(jié)果相差較大,表明該區(qū)域土壤存在橫向的分層,應(yīng)按照分層土壤測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量。

利用三極法測(cè)量土壤電阻率時(shí),垂直接地極的深度越深,則流過大地中的電流范圍越大,所以垂直接地極的深度在一定程度上反映了測(cè)量區(qū)域的范圍。

三極法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)繪制的ρ-l曲線由圖2所示。

圖2　ρ-l曲線

由圖2可知,該區(qū)域土壤為三層土壤結(jié)構(gòu),第一層土壤的土壤電阻率為200～300 Ω·m,中層土壤電阻率約為第一層土壤電阻率的2倍,第三層土壤的導(dǎo)電性較良好,土壤電阻率低于100 Ω·m。

若要得到較為確切的土壤結(jié)構(gòu)參數(shù),可以通過以下兩種方法得到:

(1) 將三極法測(cè)量中測(cè)試電極進(jìn)一步打入土壤深處,繼續(xù)進(jìn)行測(cè)量。繼續(xù)增加測(cè)量次數(shù),更易確定第三層土壤的電阻率。

(2) 根據(jù)測(cè)量得到的數(shù)據(jù),分析測(cè)量區(qū)域的土壤結(jié)構(gòu)。當(dāng)土壤為兩層或以上結(jié)構(gòu)時(shí),可以假設(shè)土壤電阻率隨接地極深度按簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)規(guī)律(指數(shù)規(guī)律)變化,可對(duì)該數(shù)學(xué)模型編寫程序進(jìn)行分析[4]。

2分層土壤接地電阻測(cè)試方法

測(cè)量接地電阻的方法大都按均勻土壤來考慮,但實(shí)際土壤大都分布不均勻,特別是貴州地區(qū)喀斯特地貌的土壤。本文主要對(duì)常見兩層水平分層土壤模型進(jìn)行分析。

三極法測(cè)量水平雙層土壤接地電阻原理如圖3所示。圖3中,接地極E為半球形接地極,半徑為r,且與地面齊平,ρ1為第一層土壤的電阻率,h為第一層土壤的厚度,ρ2為第二層土壤的電阻率,土壤的反射系數(shù)為K=(ρ2-ρ1)/(ρ2+ρ1)。

圖3　三極法測(cè)量水平雙層土壤接地電阻原理

基于電流場(chǎng)及鏡像法相關(guān)理論,電壓極P上的電位[5]為

(1)

同理,接地極E的電位[6]為

(2)

則實(shí)際測(cè)量中電壓極P與接地極E之間的電位差為

(3)

根據(jù)歐姆定律,接地極E的測(cè)量電阻為

(4)

半球形接地極的接地電阻真實(shí)值為

(5)

則接地極的電阻測(cè)量誤差為

(6)

設(shè)x=h/dEC,y=dEP/dEC,令ΔR=0,可以得到y(tǒng)滿足的方程[7]:

(7)利用MATLAB軟件,不同K值時(shí)電壓極P的位置曲線如圖4所示[6-7]。在測(cè)量實(shí)際接地電阻時(shí),根據(jù)實(shí)測(cè)的土壤電阻率數(shù)據(jù)判斷土壤是否出現(xiàn)分層,如土壤均勻,則按照測(cè)量接地電阻方法測(cè)量;如土壤存在分層結(jié)構(gòu),則先利用CDEGS軟件或其他接地分析軟件分析土壤實(shí)際參數(shù),計(jì)算出土壤反射系數(shù),按照?qǐng)D4中對(duì)應(yīng)反射系數(shù)進(jìn)行電壓極和電流極的布置,再利用三極補(bǔ)償法測(cè)試接地電阻。

圖4　不同K值時(shí)電壓極P的位置曲線

3仿真分析

本文在貴陽(yáng)市內(nèi)某空曠場(chǎng)地打入長(zhǎng)度為1.2 m、直徑為2 cm的垂直鋼管接地極,利用溫納四極法測(cè)量該區(qū)域的土壤電阻率。

土壤電阻率實(shí)測(cè)值如表1所示。

表1土壤電阻率實(shí)測(cè)值

測(cè)量間距/m土壤電阻率/(Ω·m)測(cè)量間距/m土壤電阻率/(Ω·m)1103.317132.55122.921140.09127.025146.413130.829165.5

采用CDEGS軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,獲得測(cè)量區(qū)域?qū)嶋H土壤結(jié)構(gòu)及土壤參數(shù)[8]。土壤參數(shù)反演分析結(jié)果如表2所示。

表2土壤參數(shù)反演分析結(jié)果

土壤分層結(jié)構(gòu)土壤電阻率土壤電阻率類型第一層(0～7.190m)109.6971低第二層(7.19m以下)167.1637低

由表2可以看出,測(cè)量區(qū)域土壤為兩層結(jié)構(gòu),可計(jì)算的反射系數(shù)為0.208,則分層擬合結(jié)果的均方根誤差為5.07%,擬合效果好。上述擬合結(jié)果與ρ-a曲線判斷相符,土壤分為兩層結(jié)構(gòu),第一層土壤電阻率低于第二層土壤電阻率。

4試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

選取KY4106測(cè)量?jī)x器,對(duì)打入的垂直鋼管接地極進(jìn)行接地電阻測(cè)試,主要采用以下兩種方法測(cè)量。

(1) 方法一:直接按照三極法進(jìn)行測(cè)量,不考慮該區(qū)域的土壤是否均勻。

(2) 方法二:利用測(cè)量的土壤電阻率數(shù)據(jù),并通過CDEGS軟件反演分析土壤參數(shù),并結(jié)合電極布置方法進(jìn)行接地電阻測(cè)量。

水平雙層土壤中,打入下層土壤內(nèi)的垂直電極接地電阻理論值可以通過簡(jiǎn)化公式計(jì)算[8]。不同測(cè)量方法對(duì)應(yīng)的接地電阻如表3所示。

表3不同測(cè)量方法對(duì)應(yīng)的接地電阻值

測(cè)量方法接地電阻值/Ω方法一(均勻土壤)24.54方法二(均勻土壤)19.61公式計(jì)算20.15

從表3可以看出,方法二測(cè)量的結(jié)果與理論值最吻合,偏差為0.54 Ω;方法一測(cè)量的結(jié)果與理論值相差較大,偏差為4.39 Ω。因此當(dāng)土壤存在分層結(jié)構(gòu)時(shí),不能利用均勻土壤接地電阻測(cè)量方法來測(cè)量,應(yīng)按照分層土壤接地電阻測(cè)量方法來測(cè)量。

5結(jié)語

本文結(jié)合CDEGS軟件對(duì)分層土壤接地電阻測(cè)量方法進(jìn)行了探討,主要得出以下結(jié)論:

(1) 土壤的分層結(jié)構(gòu)可以通過溫納四極法和三極法測(cè)量到的土壤電阻率數(shù)據(jù)繪制成ρ-a曲線和ρ-l曲線,通過曲線走向進(jìn)行初步判定,得出土壤的基本分層模型。

(2) 區(qū)域土壤無分層結(jié)構(gòu),按照均勻土壤接地電阻測(cè)量方法進(jìn)行測(cè)量;土壤存在明顯的水平分層結(jié)構(gòu),可以先獲取土壤的分層結(jié)構(gòu)和土壤參數(shù),計(jì)算出土壤反射系數(shù),再按電極位置曲線布置電極進(jìn)行測(cè)量。

(3) 如果要獲得確切的土壤結(jié)構(gòu)參數(shù),可以利用溫納四極法測(cè)量不同間距下的土壤電阻率數(shù)據(jù),通過CDGES軟件進(jìn)行仿真,得出區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)參數(shù),同時(shí)可以借助其他接地分析軟件。

(4) 處于非均勻土壤條件下的接地裝置接地電阻不應(yīng)按照均勻土壤條件下接地電阻測(cè)量方法測(cè)量,否則測(cè)量結(jié)果存在較大的誤差。

(5) 在進(jìn)行防雷裝置檢測(cè)時(shí),應(yīng)對(duì)存在土壤分層結(jié)構(gòu)的項(xiàng)目加以備注,為下次檢測(cè)時(shí)方法選取提供參考。

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Research on Test Method of Grounding Resistance for Layered Soil

ZENGYong,WUAnkun,ZHANGShuxia,LIUBo,LONGSizhao

(Guizhou Lightning Protection and Disaster Mitigation Center, Guiyang 550002, China)

Abstract：This paper proposed that the qualitative judgment method of soil structure through MATLAB fitting for the resistivity data of field soil.The electrode arrangement position graph of measuring double horizontal soil grounding resistance was analyzed by using current field theory.Combined with the actual structure of the soil and the electrode position arrangement diagram,the measurement method of horizontal layered soil grounding resistance was proposed.The actural soil structure and parameters were obtained by using CDEGS software for soil structure analysis.The field test confirms the reliability of the measuring grounding resistance method for layered soil.

Key words:layered soil; soil resistivity; grounding resistance; CDEGS software

收稿日期：2015-11-25

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.04.009

中圖分類號(hào)：TU 856

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1674-8417(2016)04-0035-04

*基金項(xiàng)目:貴州省氣象局青年基金項(xiàng)目(黔氣科合QN[2015]17號(hào))

吳安坤(1986—),男,工程師,從事建筑物防雷接地工作。

張淑霞(1987—),女,工程師,從事建筑物防雷接地工作。