崔健璋
佛山市富兰防雷研究所有限公司南海分所 528208
摘要：本文通过通信基站的实地考察，采用“四极法”、“三极法”去测量土壤电阻率，并通过测量数据的处理、分折、对比，指导人工接地体的设计并得到验证，是理论与实践紧密结合，是人工接地体的设计、施工值得参考的范例。
关键词：通信基站；土壤电阻率；四极法；三极法；分析对比；地网设计
众所周知，土壤电阻率（又叫土壤电阻系数）是决定接地体接地电阻的重要因数。不同性质的土壤固然有不同的电阻率，就是同一种土壤，由于温度、含水量以及水中的电解物质的不同，土壤电阻率也会发生显著的变化。因此，为了在进行接地装置设计时有正确的依据，使所设计的接地装置更能符合实际的需要，必须进行土壤电阻率测量。现在以对平洲夏东移动通信基站为例予以阐述。
1、从测量方法分析利弊，注意减小测量误差
测量土壤电阻率的常用方法有“三极法”和“四极法”。但哪一种方法测量出来的结果对设计接地装置有价值呢？（或者说对通信基站的地网设计更具参考价值及指导性意义呢？）为此，我们比较了两种方法测量土壤电阻率的效果。
“四极法”是一种将四个电极插入同一深度、同一直线上，由外边两个电极使土壤中流过电流，再用中间两个电极测出其附近间土壤的电位差，测量时可用电流电压法分别测得电流和电压或用接地电阻测试仪测得接地电阻R0，从而算出土壤电阻率ρ的方法。即在需要测量土壤电阻率的地方，用四根同样大小尺寸的接地棒（测试接地极）C1、P1、P2、C2在地面沿一直线以等距离a埋设（极间距离为a），四根测试接地极埋入深度为b，b不应大于极间距离a的1/20（即b≤a/20，通常取b = a/20），由外侧两接地棒（测试接地极）C1、C2通以电流，再用测量接地电阻的方法测出其接地电阻，然后计算出该处的土壤电阻率。如下图所示：
显然，“四极法”测得的土壤电阻率所反映的范围与极间距离a有关。当a不大时（即b埋入深度不大时，因取b = a/20）所得土壤电阻率仅为所测地方大地表层的电阻率，深度的土壤电阻率反映随a的增大而增大，反映的范围（或者说阔度）也随极间距离a的增大而增大。
由于采用“四极法”进行土壤电阻率测量时，接地棒（测试接地极）的接地电阻只会影响到通过的电流值I，由于电压差V与I成正比，所以这种方法的测量不会影响接地电阻R0，不会对土壤电阻率ρ的测量造成误差。为避免采用“四极法”进行土壤电阻率测量产生的误差及测量的简单操作，测量时采用圆钢，并尽量使作电流极和电压极的测试接地极引线间保持足够远的距离以减小测试接地极引线相互间互感对测量结果的影响。并应多间距（不同极间距离），分段（不同深度）垂直将接地棒（测试接地极）打入土壤，分别测出其接地电阻，然后计算出该处的土壤电阻率。
“三极法”是一种通过测量接地体的接地电阻，并用均匀电阻率的计算公式来反推土壤电阻率ρ的方法。即在需要测量土壤电阻率的地方，埋入一几何尺寸已知的接地体（通常为垂直接地圆钢、钢管或水平埋入土中的扁钢），用测量接地电阻的方法测出其接地电阻，然后计算出该处的土壤电阻率，如下图所示：
显然，“三极法”的这种测量方法接地棒（测试接地极）附近土壤起着决定性的作用，也就是说，测出的土壤电阻率，在很大程度上只反映测试接地极附近的土壤电阻率大小的局部情况，对于所要设计的接地装置占地面积大或接地装置所在土壤不太均匀有一定的局限性，而且“三极法” 测量土壤电阻率的最大缺点是在所测得的接地电阻R0中包括有接地棒（测试接地极）和土壤间的接触电阻，而该接触电阻和接地棒（测试接地极）对土壤接触的紧密程度（是否能晃动）有很大关系，往往给测量带来很大的误差。
为避免采用“三极法”进行土壤电阻率测量产生的误差及测量的简单操作，测量时采用圆钢，尽量使接地棒（测试接地极）与土壤紧密接触，并应多处（多地点）分段（不同深度）垂直将接地棒（测试接地极）打入土壤，分别测出其接地电阻，然后计算出该处的土壤电阻率。
2、采取多种方法测量，整理分析测量结果
鉴于上述的分析，我们采用了 “三极法”和“四极法”对通信基站的土壤电阻率进行了简单、科学的测量。
A1、用“四极法” 对桂城中心幼儿园进行改变测试接地极极间距离（15m，17m）测量其土壤电阻率，测得接地电阻R0，然后通过公式（1-1）计算出该处的土壤电阻率ρ。
ρ= 2πaR0 （1-1）
式中：a —— 测试接地极极间距离（m）；
R0—— 测得接地电阻（Ω）；
ρ—— 该地区的土壤电阻率（Ω.m）。
平洲夏东通信基站测量记录及计算的结果如下：
A2、用“三极法” 对桂城中心幼儿园进行分段（1m，1.3m，1.5m）垂直打入Φ20热镀锌圆钢（即：外径为0.02m的测试接地体）土壤电阻率测量，测得接地电阻R0，然后通过公式（1-2）计算出该处的土壤电阻率ρ。
ρ= 2πLR0/ln（4L/d） （1-2）
式中：L —— 测试接地极埋入土中长度（m）；
d—— 测试接地极的外径（m）；
R0—— 测得接地电阻（Ω）；
ρ—— 该地区的土壤电阻率（Ω.m）。
平洲夏东通信基站测量记录及计算的结果如下：
A3、平洲夏东通信基站测量结果：基站附近土壤基本均匀，土壤电阻率ρ的范围大约为23Ω.m～27Ω.m
3、科学利用测量结果，指导基站地网设计
实际上，大地土壤电阻率随土壤或岩石的性质而定，在地层的垂直方向和水平方向都不是均匀的。在自然条件下进行测量，如按理想的均匀地层中土壤电阻率公式计算，则求得的数值不是某一地层的真实土壤电阻率，也不是各地层土壤电阻率的平均值，而是在电场作用范围内各个地层综合影响的结果。
再者，土壤电阻率随土壤或岩石的含水量、温度、季节、化学成分、物理性质等情况的不同而不同，上述方法测出的土壤电阻率，不一定是一年中的最大值，因此设计要根据当地的实际地质情况，并要考虑季节的影响，对测出的土壤电阻率用公式（1-3）进行校正，选取其中最大值作为设计的依据。
ρ=Ψρ0 （1-3）
式中：ρ —— 设计所应用的的土壤电阻率（Ω.m）；
Ψ —— 季节系数，可参见下面表1及表2；
ρ0 —— 实测的土壤电阻率（Ω.m）。
表1 各 种 性 质 土 壤 的 季 节 系 数
注：Ψ 1——测量前数天下过较长时间的雨，土壤很湿润时用之；
Ψ 2——测量时土壤较潮湿，具有中等含水量时用之；
Ψ 3——测量时土壤干燥或测量前降雨不大时用之。
表2 接 地 装 置 的 季 节 系 数
由上述的测量方法分析，用“三极法” 实测的土壤电阻率为23.46Ω.m～25.12Ω.m，反映土壤中的局部情况，而“四极法”实测土壤电阻率为23.50Ω.m～26.70Ω.m，反映的是测试电极间附近表土及一定深度的土壤情况（测试接地极插入深度1 m～1.5m），显然基站附近土壤基本均匀，出于设计上留有一定裕度及对不可预见因素的影响有足够的调整空间，因此我们取最大值：ρ0 = 26.70Ω.m作为平洲夏东通信基站实测土壤电阻率。
由于测量时土壤干燥并且测试接地极埋入最大1.5m，对比上面表1及表2，可取季节系数：Ψ =1.4，
ρ=Ψρ0 （1-3）
将两值代入（1-3）式中得设计应采用的土壤电阻率为：ρ=37.38（Ω.m）。
为了达到较小的接地电阻，实际工程上采用的接地装置（接地网）通常由多根垂直接地体和水平接地体组成的所谓复合式的人工接地体，其工频接地电阻可以用复合式的人工接地体简易公式（1-1）进行估算：
c、复合式人工接地体的工频接地电阻：__
R≈0.5ρ/ ? S = 0.28ρ/ r （1-1）
式中：S —— 大于100m2的闭合接地网的面积；
r —— 接地网面积为S的等效半径。
若只用复合的人工接地体实现接地装置（接地网）的工频接地电阻R≤10Ω三类标准，出于设计上留有一定裕度及对不可预见因素的影响有足够的调整空间，可以令（1-1）中的R= 4Ω，进行推算，结果如下表：
复合式接地体的工频接地电阻
由上表的加黑部分可知：地网的工频接地电阻只采用复合式人工闭合接地网的面积约为506.25 m2，接地网所占面积的等效半径约为12.6m，大概相当于长25 m，宽21 m的矩形复合式人工闭合接地网的面积。
国家规范GB-50057-2010《建筑物防雷设计规范》中当土壤电阻率ρ小于或等于500Ω.m时，环行接地体所包围的面积的等效圆半径r：____
r =? A /π≥ 5 m （1-2）
但上述估算出的复合式人工闭合接地网等效面积A=13.97 m2显然不能满足式（1-2）。因此应在每一引下线处补加水平接地体或垂直接地体。
鉴于教师宿舍楼约26米高，从落雷的角度考虑，补加水平接地体或垂直接地体应在附近的复合式人工闭合接地网，并做成网格状或辐射状以利于雷电流的泄散及减少跨步电压。
其每一引下线处补加水平接地体的长度应按（1-3）式确定：
____
l r = 5-? A /π （1-3）
l r ≈ 2.89 m
其每一引下线处补加垂直接地体的长度应按（1-9）式确定：
____其
l v =（5-? A /π）/ 2 （1-4）
l v ≈ 1.45 m
当然，也可以加大复合式人工环状闭合接地网，令所包围的面积等效圆半径r满足（1-2），即：r≥ 5 m或复合式人工环状闭合接地网所包围的等效面积A≥ 80 m2则满足规范要求。
4、设计依据
a、地质及土壤电阻率：地表为含砂粘土，属陈年风化土；估计土壤电阻率为100~180Ω.m左右，且比较均匀，属土壤电阻率低的地方；园内多处有绿化草地，可以用常规的接地体和施工方法达到要求。
b、气象雷电活动情况：地处珠三角多雷区，90多天/年平均雷暴日；教师宿舍楼高约24米，是整个幼儿园的制高点，也是直击雷袭击几率很高的地方，可将防雷的类别从三类提高为二类。
c、周边环境：建筑物相邻围绕而建，探索乐园、中心花园区等紧靠走廊、通道，可以推断日后附近一定经常有人员出入、经过、玩耍，所以设计该部分地网时应考虑落雷时引下线附近跨步电压和接触电压是否会对人伤害。
d、可利用已有资源：建筑物外墙发现旧引下线3处；绘本馆顶层遗漏结构柱钢筋多处；加建的金属扣板房顶有金属栅条（三楼美术室及舞蹈室）；加建的遮阳金属星瓦棚及不锈钢棚；建筑物部分基础地梁钢筋可以凿出。
e、土壤的PH值为6.7，属偏酸性，对接地体仍可按年平均腐蚀10μm的速度推算，按照
《接地系统建设工程验收规范》中技术指标及质量要求“使用期应达到10年”是没有问题的。
5、设计指导思想：
接地系统以复合式人工闭合接地网共用接地为主，辅以网格、环形、辐射状等多种接地形式，以实现等电位的可靠连接，减少雷击时地网相互间的电位差，防止地网之间的反击，将防直击雷接地系统、电力接地系统等多个接地系统科学合理地统一起来，同时充分利用各建（构）筑物的自然基础接地体，强调均压的防雷技术处理，最大限度地降低雷击时引下线附近地网的电位梯度和跨步电压，以确保人员的安全。
6、地网设计方案（参见设计图纸）：
根据有关理论和长期施工的经验，设计时希望落雷时附近的电场分布均匀，以便最大限度地降低落雷时通信铁塔及机房附近的电位梯度和跨步电压；充分利用机房及铁塔基础钢筋的自然接地，减少人工接地网的工程规模、工程费用及完工后日常维护费用，保证完工后接地电阻值在正常范围内。有鉴于此，可将机房地梁对角两主筋凿出与人工接地网焊接连通（机房土建已完成），并将基础留出的3条40X4热镀锌扁钢与人工接地网焊接，以便充分利用资源，预测施工完毕，总地网的接地电阻将在2Ω左右。在施工中有其他不可预算的因素出现，可参考后面附表1、附表2、附表3进行设计调整。
（1）环绕机房安装一个埋深1m的闭合环行接地网，与机房地梁对角两主筋凿出焊接连通；为防止高电压引入，在机房建筑物内地面预留热镀锌扁钢40X4X500mm两条，为机房设备接地提供相对均衡的接地体（方便进入机房的电源线、信号线、屏蔽层等接地及日后与铁塔基础地网及机房外复合式人工闭合接地网焊接连通）。并在机房建筑物背面预留40X4X500mm热镀锌扁钢做测试点。
（2）在铁塔远离机房的外则安装两个半径为3.35米、6.35米，深度1m的近半园辐射状复合式人工环状闭合接地网，与铁塔基础留出的3条40X4热镀锌扁钢焊接连通，以便在铁塔落雷时一方面起地电位飚升的压峰作用；而两个近半园辐射状接地网焊成不大于4mX4m的网格，使地面的跨步电压相对均匀，减少两地网间的电位差，防止地网之间雷电二次反击的发生。
（3）在机房建筑物外靠邻厂围墙2m及靠公路、机房门口1m处做成不大于5mX5m的闭合矩形复合式人工接地网格，与机房地梁凿出的连接点焊接连通，并与半园辐射状复合式人工环状闭合接地网焊接成不大于5mX5m的网格。
（4）接地引入线的引入位置尽量偏离铁塔地网，并在引入点前0.5m处安排一根接地极，以便减小铁塔落雷时地电位飚升，对机房内设备的反击。
（5）如能在铁塔人手容易触及的地方涂上绝缘油并挂上警示标志，及在铁塔基座附近及机房出入口处敷设30公分厚的沥青鹅蛋石混合体高电阻层就更好。
参考文献：
[1]国家规范《建筑物防雷设计规范》GB-50057-2010
[2]《接地技术》曾永林著 水利出版社
论文作者:崔健璋
论文发表刊物:《基层建设》2015年19期供稿
论文发表时间:2015/12/30
标签：电阻率论文; 土壤论文; 测量论文; 电阻论文; 基站论文; 测试论文; 机房论文; 《基层建设》2015年19期供稿论文;