浅析电力工程场地土壤电阻率测试的方法及应用

杜永兵

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663）

0 引言

国内电力事业建设迅速，电网覆盖不断完善，电压及其安全级别也随着技术的成熟而渐渐提升。在系统容量持续扩大中，接地短路电流值明显提高，而且确保接地模块稳定是保障电网安全的有效思路。电阻是评估接地效能的重要指标，应当加强对其的测试力度。

1 影响土壤电阻率的要素

（1）岩土体矿物组分和接触状态，决定着电阻率实际数值，其中后者的影响力更大，前者自有的导电能力与含量均发挥次要作用。简单来讲，矿物颗粒之间的接触状态实际分成蜂窝状、镶嵌式、单粒状，其中蜂窝状对电阻率的影响更大，而镶嵌式矿物成分是由具体含量与导电能力决定其影响力，剩下的单粒状不会对土壤电阻率有明显的作用。

（2）岩土体内的孔隙水。此类孔隙水的盐分含量偏高，容易产生电解液，但其电阻率始终在岩土体矿物之下。孔隙水电阻率一般处于1～10Ω·m 之间，和水矿化度为反向变动。如果是饱和状态，岩土体电阻率和孔隙水含量是负相关，和其电阻率是正相关。同时，孔隙水是弱结合水，逐渐转化成毛细水与自由水，在孔隙水逐渐增加中，电阻率随之下降。

（3）岩土体温度。这项影响要素的实际表现是矿物成分和孔隙水与温度的联系，在岩土体矿物具有导电性，电阻率会在温度上升中相应提高，如果是离子矿物，电阻率则在温度提高中反向变动。在20～25m 深的地层中，不会被自然季节变化影响，温度常年基本不变。

（4）岩土体的围压。围压提高中，电阻率会随之下降。也就是说，在测量深度提高中，不考虑含水量与地下水的干扰，岩土体电阻率会渐渐下降。

2 电力项目土壤电阻率测试方法分析

根据测试设备划分，电阻率测试中可选择二极、三极、中间梯度、对称四级等不同装置。电力项目中，因为场地内的空间、地表形态、测试区域、深度参数等条件的差异，适宜的测试方法会有差异。比较常见的方式是三极装置的电测井法与对称四极装置的电测深法、高密度电法。

2.1 方法原理

电阻率属于土壤一项基本物理特性，单位正方体范围内，相对面之间会受到电场的影响，而电阻率就是对电流的导电作用。通常是1m单位体积中，土壤电阻值就是其电阻率。对此项参数进行测试，主要是为了保障接地设计的合理性。以对称四极电测深法为例，根据图1 所示，将两个供电电极（A、B）以及测量电极（M、N），以A、M、N、B 排序，顺着场内地表，直线式打进土体内，测试过程中确保到测量电极固定不动。布极之处，AM 与NB 相等，在渐渐变大及变小中，根据MN 中心点的位置，测量各个深度条件下的土壤电阻率。相关计算公式如下。

图1 对称四极电测深法布极

其 中：ρ——电 阻 率，Ω·m；K——电 机 装 置 系 数；ΔU——测量电极间的电压值，V；I——供电电极间的电流值，A；AM 与AN、MN——电极的间距，m。

高密度电法属于普通电阻率测深与剖面两种方法的结合体，运行原理和测深法一致，野外作业所选的设备，同样为对称四极装置，都是借助供电电机往地下输送电流，随后测量M、N 电极的电位差，由此确认MN 中心点的电阻率。

2.2 适用条件

电测深法对场地平整度有较高的要求，需要测试区域地表平整或是没有明显起伏的条件。通过该方法得出的突然电阻率结果，其误差主要受到以下4 个方面的影响：①地表形态，起伏越明显，误差相对更大，要根据地形特点加以修正。②测量电极之间、供电电极之间的距离，在距离增加中，误差会随之加重，并且在测量深度加大中，误差会变大。③供电电极和测量之间的距离越远，误差会逐渐缩小。④场地土壤自身的物理性质改变，特别是含水率。

电测深法的应用优势在于，其测试过程不会被地下水位干扰，如果场地环境较好，测点布置比较灵活。测试实践中，技术员用到的设备，装配难度小，容易操作，总体工作成本不高。另外，该种测试方法的缺点也比较明显，其极易被地形条件限值，起伏略大就导致测试结果误差增加。并且支持测量深度范围较小，并且在深度增加中，误差会随之加大。

同样使用四极装置的高密度电法，也容易被现场平整度限制，相对适用测量场地范围大，地表平整的项目。通过该方法进行电阻率测量，引起结果误差的因素和电测深法相同。其应用优势也和上一种类似，地下水位对测试准确性没有任何影响，仪器安设操作简单，支持自动获取测试结果，而且根据电阻率的剖面图，技术员能直观发现各测点的异常，比如分层、孤石、断裂与溶洞等。该测试方法的使用缺陷主要有：容易被地表形态干扰，并且支持测试的土层深度有限，深度增加中，误差会有所提高，现场规划区需保障物理空间足够。此外，和上一种方法相比，高密度电法的投资成本更多，比较适合用于测量土壤电阻率和其他探测数据验证的项目。

2.3 方法选择

在变电项目场地内，电阻率测试要结合工程所处点位、岩土条件特点、测量深度等进行方法筛选。变电项目中，场地不属于岩溶及土洞，或者在基础影响区域内没有孤石、溶洞及土洞。在此种环境前提下，与丘陵及山区等类似，周边低、中间明显高的地表形态场地，并且地下水位片普遍偏深的场地，以及场地范围内地形起伏较小的项目，应当首要选择电测深法。如果项目场地内，地形起伏明显、设计和实际的场地标高有较大差值，需要提前将场地进行平整处理，才能运用电测深法，测试场地内土壤电阻率。另外，对于地下水偏浅以及孔中水位和泥浆水位稳定时间较长，建议选择电测井方法。而类似于盆地，周围高于中间，以及冲积平原等较为平缓的场地，并且地下水深度不大，可以优先选择电测井法。在测量水位条件未达到测试标准，以及地表形态起伏较小的场地，建议选择电测深法。

基础影响区域内，存在溶洞、孤石及土洞的项目。通常面对该种工程，技术员要进行适宜的物探处理，如此才能根据现场钻探数据，确认岩土分布状况，所以，测试电阻率中，建议选择高密度电方法。不仅能获取比较精准的电阻率数据，还可以借助岩土剖面上的电阻率情况，参考钻孔信息，比较精确地体现出场地内岩土分布特点，确保岩土勘察结果的品质，并能控制前期物探的任务量。此种场地条件下进行钻探处理，经常会出现漏水及下套管成孔的情况，很难发挥出电测井法的作用。再加上套管的干扰，导致测量的电阻率并不精准，所以不建议选择电测井法。

3 电力项目土壤电阻率测试方法的应用

广东省500kV 电白输变电工程，规划场地南侧600m 左右是高速公路，东北侧2km 左右是观珠镇。本项目电阻率的测试任务是在地表下0～60m 的区域。外业操作共有五日，需要进行13 处测点的工作。在该项目场地中，站址是花岗岩的剥蚀残丘，地表起伏不大，并有良好的植被发育，大多数是经济作物，区域内局部开发程度不高。总体来看，拟建区域的地球物理电性并不复杂，浅表相对偏高，中间略低，具有深部高电的特点，各个区域的电性有所不同。

3.1 仪器设备

本项目选择的测试设备是DDC-BA 型号仪器（图2），在使用前经过技术校准。此型号仪器在面对50Hz 的工频干扰时，压制程度好于80dB。在现场测试中，四个电极和仪器外壳的绝缘电阻均超过300MΩ，同时，供电及测量线路、设备外壳，绝缘电阻超过100MΩ。本次测量中使用的导线，其本身的导电性能较佳，而且绝缘性能较佳，材质柔软抗拉。另外，该导线的电阻值不足10Ω/km；绝缘电阻超过2MΩ/km，达到电力工程的物探技术标准。

图2 DDC-8A 型电阻率仪

该电阻率仪各个部分的技术参数为：①接收模块。电压区间是±32V，属于24 位A/D；电压分辨率是luV；电压数值精度，在电压超过3mV 的情况下，精度未超过5‰，电压没有超出3mV 时，测量精度在±luV。电流测量区间是0～5000mA；分辨率是10uA；测量精度是±5‰。仪器输入阻抗达到50MΩ；对于50Hz 工频的干扰压制程度超过80dB；SP 补偿，仪器支持全量程动态跟踪进行数字补偿。②发射模块。供电电压最高限值是1000V；电流最高限值是5A；输出功率最高是5000W。仪器运行中，正供以及停供时长都是0.5～60s。另外，发射模块还自带过压及过流保护，有利于现场测试的安全性。③工作温度在（-10）℃～（+50）℃。

3.2 野外测试

本项目选择的是对称四极电测深法，野外测试作业中，站址场地范围内均分布测点，现场布点是按照设计师确认的点位坐标，技术员利用手持定位设备，完成实地测点放样。供电与测量电极的间距设置根据设定参数布设，在本次野外测试中，供电电极的最远间距（AB/2）是180m，包含13 处测点，供电电压数值最大数值是380V。

考虑到电测深法，放线尽可能选择地表变化偏小的区域。并且为确保采集到的原始信息具备可靠性，各组数据均应当连续测试2 回，并确保记录重复误差在±5%以内。四个电极均需布置在一条线上，误差间距需在电极间距的5%以内。现场测线布设中，技术员要结合场地内的地形地貌，与工程建设条件，做好综合性定位。

3.3 结果推演

场内测试中，技术人员逐次调整供电电极的距离，增加探测深度，从浅到深，分析地表之下的岩土层纵向上，土壤电阻率情况与分布规律。技术员直接在双对数的坐标中，绘制测试数据的变化曲线，借助软件模拟，逆向推演出各个电性层中的实际电阻率。实际推演运行过程为：在VES-2005 版程序中导入实测值，生成相应曲线图，经过曲线平滑修正后，进行拟合分析，在平均方差在5%以内，就可直接输出记录保存，反之需重新拟合分析，直至平均方差达到精度标准后才能输出。

3.4 测试结论

本项目测试土壤电阻率时，以降雨为主，地表比较潮湿。该电力工程场地内，地表起伏不大，上层土体是第四系的花岗岩残积土。此土层包含粘性土、风化角砾以及石英颗粒等，存有少量孤石。在场地内浅层土体中，石英储存量较大，而且其电阻率值都超过下方土体。纵向来看，测试电阻率60m 深的土层中，绝大部分的测点深部电阻率数据，都反映出随着深度加大逐渐提高的分布规律。出现此种情况的主要原因应当是花岗岩本身的风化特点。仅有一处测点的数据表现略有不同，其深部电阻率反映正常，60m 处有较大幅度的衰减，这意味着该点及其附近可能会有构造裂隙带，在电力施工中应当格外注意。

4 结语

结合实测案例，电测深法的可用性较佳，适合地势起伏与目标深度较小、存在钻探作业的测试项目中，特别是变电站与配电房等电力工程。实践中，技术员要结合场地条件以及项目投资等诸多条件，选择合适的测试方法，保障电阻率数据的准确度。