分层土壤接地电阻测试方法研究*

曾　勇,　吴安坤,　张淑霞,　刘　波,　龙思朝

(贵州省防雷减灾中心, 贵州 贵阳　550002)



分层土壤接地电阻测试方法研究*

曾勇,吴安坤,张淑霞,刘波,龙思朝

(贵州省防雷减灾中心, 贵州 贵阳550002)

摘要：通过MATLAB软件对现场土壤电阻率测量数据进行拟合,可定性判断土壤结构。基于电流场原理,分析了测量水平分层土壤接地电阻的电极位置布置曲线。结合土壤的实际结构和电极位置布置曲线,提出了测量水平分层土壤接地电阻的方法。采用CDEGS软件对土壤结构进行了反演分析,获得测量区域的实际土壤结构及参数。现场试验验证了分层土壤接地电阻测试方法的可靠性。

关键词：分层土壤; 土壤电阻率; 接地电阻; CDEGS软件

0引言

随着社会经济和信息化技术的发展,雷电引发的灾害显著增加,造成的直接损失不可估量。目前接地系统的设计通常按照单层土壤结构考虑,但在实际中大部分土壤不是单一结构,而存在明显的分层情况,即土壤有明显的不均匀性。在测量土壤电阻率时,因各种原因可能导致被测区域的土壤不是同性土壤,会出现分层现象。特别是在贵州的喀斯特地貌,土壤存在明显的分层结构,若再按均匀土壤时的测量方法测量接地电阻,测量结果会存在较大的误差。

本文在常用均匀土壤环境下测量接地电阻三极法的基础上,提出了土壤水平分层时接地电阻的测量方法。利用温纳四极法测量的土壤电阻率数据并通过CDEGS软件分析,得到土壤分层结构和土壤参数,在此基础上利用分层土壤接地电阻测量方法测量接地电阻。

1土壤模型与定性分析

1.1土壤模型

水平三层土壤结构模型是实际中常遇到的土壤结构模型,上层是黏土,中层是黄土,下层是石灰岩[1-2]。

垂直三层土壤结构模型在有河流的地方会常遇到,左层是河道,中层是河流,右层是河道。

1.2土壤分层模型定性判断

实际工程中,可通过温纳四极法和三极法测量土壤电阻率。采用MATLAB软件将测量到的数据绘制成土壤电阻率-极间距(ρ-a)曲线和电阻率-接地极深度(ρ-l)曲线,通过曲线来判断土壤的分层结构[3-4]。

温纳四极法测量数据绘制的ρ-a曲线如图1所示。由图1可以看出,不同的土壤结构对应的曲线在形状上有明显的差别。对于两层土壤结构,ρ-a曲线单调变化,且可以初步判断第一层和第二层土壤的电阻率,第一层土壤的电阻率约为100 Ω·m,第二层土壤的土壤电阻率为1 000～1 200 Ω·m;对于三层土壤结构,ρ-a曲线一个明显的峰值;对于四层土壤结构,ρ-a曲线存在两个峰值。

图1　ρ-a曲线

测试结果表明,四极法电极电流穿透深度与相邻的电极间距相等,即测量到的是与相邻电极间距相等深度的土壤电阻率。同时,在进行现场测量时应在一个测量路径方向完成后,再在垂直的方向路径进行相同间距的测量。两次测量数据的结果相差较大,表明该区域土壤存在横向的分层,应按照分层土壤测量方法进行测量。

利用三极法测量土壤电阻率时,垂直接地极的深度越深,则流过大地中的电流范围越大,所以垂直接地极的深度在一定程度上反映了测量区域的范围。

三极法现场测量数据绘制的ρ-l曲线由图2所示。

图2　ρ-l曲线

由图2可知,该区域土壤为三层土壤结构,第一层土壤的土壤电阻率为200～300 Ω·m,中层土壤电阻率约为第一层土壤电阻率的2倍,第三层土壤的导电性较良好,土壤电阻率低于100 Ω·m。

若要得到较为确切的土壤结构参数,可以通过以下两种方法得到:

(1) 将三极法测量中测试电极进一步打入土壤深处,继续进行测量。继续增加测量次数,更易确定第三层土壤的电阻率。

(2) 根据测量得到的数据,分析测量区域的土壤结构。当土壤为两层或以上结构时,可以假设土壤电阻率随接地极深度按简单的数学规律(指数规律)变化,可对该数学模型编写程序进行分析[4]。

2分层土壤接地电阻测试方法

测量接地电阻的方法大都按均匀土壤来考虑,但实际土壤大都分布不均匀,特别是贵州地区喀斯特地貌的土壤。本文主要对常见两层水平分层土壤模型进行分析。

三极法测量水平双层土壤接地电阻原理如图3所示。图3中,接地极E为半球形接地极,半径为r,且与地面齐平,ρ1为第一层土壤的电阻率,h为第一层土壤的厚度,ρ2为第二层土壤的电阻率,土壤的反射系数为K=(ρ2-ρ1)/(ρ2+ρ1)。

图3　三极法测量水平双层土壤接地电阻原理

基于电流场及镜像法相关理论,电压极P上的电位[5]为

(1)

同理,接地极E的电位[6]为

(2)

则实际测量中电压极P与接地极E之间的电位差为

(3)

根据欧姆定律,接地极E的测量电阻为

(4)

半球形接地极的接地电阻真实值为

(5)

则接地极的电阻测量误差为

(6)

设x=h/dEC,y=dEP/dEC,令ΔR=0,可以得到y满足的方程[7]:

(7)利用MATLAB软件,不同K值时电压极P的位置曲线如图4所示[6-7]。在测量实际接地电阻时,根据实测的土壤电阻率数据判断土壤是否出现分层,如土壤均匀,则按照测量接地电阻方法测量;如土壤存在分层结构,则先利用CDEGS软件或其他接地分析软件分析土壤实际参数,计算出土壤反射系数,按照图4中对应反射系数进行电压极和电流极的布置,再利用三极补偿法测试接地电阻。

图4　不同K值时电压极P的位置曲线

3仿真分析

本文在贵阳市内某空旷场地打入长度为1.2 m、直径为2 cm的垂直钢管接地极,利用温纳四极法测量该区域的土壤电阻率。

土壤电阻率实测值如表1所示。

表1土壤电阻率实测值

测量间距/m土壤电阻率/(Ω·m)测量间距/m土壤电阻率/(Ω·m)1103.317132.55122.921140.09127.025146.413130.829165.5

采用CDEGS软件对测量数据进行反演,获得测量区域实际土壤结构及土壤参数[8]。土壤参数反演分析结果如表2所示。

表2土壤参数反演分析结果

土壤分层结构土壤电阻率土壤电阻率类型第一层(0～7.190m)109.6971低第二层(7.19m以下)167.1637低

由表2可以看出,测量区域土壤为两层结构,可计算的反射系数为0.208,则分层拟合结果的均方根误差为5.07%,拟合效果好。上述拟合结果与ρ-a曲线判断相符,土壤分为两层结构,第一层土壤电阻率低于第二层土壤电阻率。

4试验数据分析

选取KY4106测量仪器,对打入的垂直钢管接地极进行接地电阻测试,主要采用以下两种方法测量。

(1) 方法一:直接按照三极法进行测量,不考虑该区域的土壤是否均匀。

(2) 方法二:利用测量的土壤电阻率数据,并通过CDEGS软件反演分析土壤参数,并结合电极布置方法进行接地电阻测量。

水平双层土壤中,打入下层土壤内的垂直电极接地电阻理论值可以通过简化公式计算[8]。不同测量方法对应的接地电阻如表3所示。

表3不同测量方法对应的接地电阻值

测量方法接地电阻值/Ω方法一(均匀土壤)24.54方法二(均匀土壤)19.61公式计算20.15

从表3可以看出,方法二测量的结果与理论值最吻合,偏差为0.54 Ω;方法一测量的结果与理论值相差较大,偏差为4.39 Ω。因此当土壤存在分层结构时,不能利用均匀土壤接地电阻测量方法来测量,应按照分层土壤接地电阻测量方法来测量。

5结语

本文结合CDEGS软件对分层土壤接地电阻测量方法进行了探讨,主要得出以下结论:

(1) 土壤的分层结构可以通过温纳四极法和三极法测量到的土壤电阻率数据绘制成ρ-a曲线和ρ-l曲线,通过曲线走向进行初步判定,得出土壤的基本分层模型。

(2) 区域土壤无分层结构,按照均匀土壤接地电阻测量方法进行测量;土壤存在明显的水平分层结构,可以先获取土壤的分层结构和土壤参数,计算出土壤反射系数,再按电极位置曲线布置电极进行测量。

(3) 如果要获得确切的土壤结构参数,可以利用温纳四极法测量不同间距下的土壤电阻率数据,通过CDGES软件进行仿真,得出区域土壤结构参数,同时可以借助其他接地分析软件。

(4) 处于非均匀土壤条件下的接地装置接地电阻不应按照均匀土壤条件下接地电阻测量方法测量,否则测量结果存在较大的误差。

(5) 在进行防雷装置检测时,应对存在土壤分层结构的项目加以备注,为下次检测时方法选取提供参考。

参考文献

[1]梅卫群,江燕如.建筑防雷工程与设计[M].北京:气象出版社,2008.

[2]索志刚.分层土壤最优化电阻率模型的研究[D].北京:华北电力大学,2009.

[3]SEEDHER H R,ARORA J K.Estimation of two layer soil parameters using finite wenner resistivity expressions[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1992,7(3):1213-1217.

[4]何金良,曾嵘.电力系统接地技术[M].北京:科学出版社,2007.

[5]邢天放.分层土壤接地测试与计算方法研究[D].成都:成都信息工程学院,2013.

[6]冯志伟,马金福.土壤水平分层情况下三极法测量接地电阻电位极位置分析[C]∥第八届长三角气象科技发展论坛文集,2011.

[7]王小凤.CDEGS软件在电力系统中的应用[D].杭州:浙江大学,2007.

[8]王洪泽.双层土壤中埋入上层土壤内的垂直电极接地电阻的简化公式[J].广西电力,2002(1):27-28.

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

中图分类号：TU 856

文献标志码：B

文章编号：1674-8417(2016)04-0035-04

*基金项目:贵州省气象局青年基金项目(黔气科合QN[2015]17号)

吴安坤(1986—),男,工程师,从事建筑物防雷接地工作。

张淑霞(1987—),女,工程师,从事建筑物防雷接地工作。