IEEE_ 交流变电站接地安全指南(摘录)中文版

1、IEEEStd 80-2000 （电气和电子工程师协会） 交流变电站接地安全指南 （摘录） （IEEE Std 80-2000 Guide for Safety in AC Substation Grounding）9 设计的主要考虑9.1 定义注：下面的定义已在条款3列出过，但是为了读者方便这里重复列出。9.1.1辅助接地电极: 有某种设计或操作限制的接地电极。它的主要作用可以不是把故障电流引导入地。9.1.2 接地电极:埋入地中用以收集地电流或把地电流驱散入地的导体。 9.1.3 地垫: 一块实心的金属板或一个密集的裸导体系统，它们与地网相连并放置在地网上、地面下不深处或放在地面上的其它地

2、方，为的是获得额外的保护措施，以便在危险的操作区域或人们频繁出现的地方，使暴露于高跨步电压或接触电压的危险减到最小。放置在地表或地表上方的接地金属栅栏，或直接放置地面材料下面的线网是地垫的常见形式。9.1.4地网: 通常在一个指定的地点，由许多埋在地下互连裸导体组成的一个水平地极系统，为电气设备或金属装置提供共用地。注：水平埋在地面附近的地网，在控制地表电位梯度方面也是有效的。一个典型的地网通常补充了许多地棒且可能与辅助电极进一步联接，以便降低它相对于远地的电阻。9.1.5 接地系统: 在一个指定的区域，；由互联的所有接地装置组成的系统。9.1.6 主接地极: 按接地系统的设计要求（或不明确要

3、求），专门为泄放（通常以一定的放电模式）故障电流入地而设计或改装的地极。9.2概述一个接地系统应该以这样的一种方式安装：它将限制地电位梯度的影响，使得其电压和电流的水平在正常和故障情况下不危及人或设备的安全。该系统也应保证服务的连贯性。在以下的讨论中，假定接地系统的形式是一个地网，由水平埋地的导体组成，并补充了许多与地网相连的直立地棒。基于两次调查：首次报告发表在1954年AIEE应用指南中B3，第二次报告发表于1980(Dawalibi，Bauchard，and MukhedkarB45)，本概述代表了美国和其它一些国家大多数公用事业的主要经验。使用竖直地棒和水平的导体构成联合接地系统的一些

4、原因如下:a) 在变电站中，对于提供一个安全接地系统来说，单一电极本身是不适宜的。而当若干个电极（例如地棒）互连并且连到所有的设备中性线，框架和那些需要接地的装置上，其结果基本上就是地网的布局，不管其原始的目的是什么。如果固定接线碰巧埋在导电率好的土壤中，这个网络单独就可以是一个良好的接地系统。部分是由于这个原因，一些公用事业相信单独使用的地网。然而，地棒有一特特殊的用途，见条款b的解释)。b) 如果驱散入地的电流很大，安装一个电阻如此低的地网又能保证地面电位升所产生地表梯度对接触的人不造成危险是不太可能的。那么，危险的排除只有通过控制整个区域的局部电位。一个把水平地网和许多埋在深土壤中的竖棒

5、组合起来的系统有下列优点:1) 尽管水平(地网)导体在减少地面上的高跨步电压和接触电压的危险非常有效，但是如果地网埋在地下较浅处通常在平整的地下0.30.5m(12in)，足够长的地棒会稳定此一组合系统的性能。因为结冰、上层土壤干燥会按季节改变土壤电阻率，而较低土层的电阻率仍然保持几乎不变，这对许多装置是重要的。2) 只要遇到双层或多层的土壤而上层土壤的电阻率比下层土壤高，则穿过较低电阻率土壤的地棒在消散故障电流方面远为有效。对于许多GIS和空间-有限的其它装置，出现这种情况实际上是最理想的，或通过适当的设计手段(如特长地棒，接地竖井等)实现这种情况。3)（电阻率）由高到低或均匀的土壤条件下，

6、如果地棒主要是沿着地网周边安装，则这些地棒将相当明显地减缓外围网眼地表面梯度的急剧增加。这种安装的细节见条款16。这些细节与决定地表电压梯度简化方法的使用有关。 9.3 主地极和辅地极总的来说，大多数接地系统利用两组地极。主地极是为接地目的而特别设计的。辅地极是由各种各样地下金属装置组成的地极，其安装目的不是为了接地。典型的主地极包括地网、平衡网络、接地棒和接地竖井等。典型的辅地极包括与地网相连的地下金属装置和混凝土内的钢筋等。辅地极可以具有携带有限电流的能力。9.4 地网设计的基本要点变电站地网系统的初步设计分析通常从检查展示所有主要设备和建筑物的布局规划开始。为了建立基本的概念，下列几点可

7、以作为一个典型地网设计开始的指南:a) 应有一个连续的导体环绕周界，以便尽实际可能围住更大的面积。这个措施帮助避免电流的高度集中，并且从而避免在地网中和在伸出的电缆线两端附近出现高的电位梯度。围住更大的面积也减少地网的电阻。b) 在环内，导体一般是平行放置，而且只要实际可能，沿着建筑物平行放置，或沿着设备一排排平行放置使接地线最短。c)变电站的典型地网系统可以包括在平整的地面埋深0.30.5m(12in)、隔开37m(1020ft)网状的4/0裸铜导体。在交叉处导体应安全地绑扎在一起。接地棒可以安在地网的角落和沿着周界的交叉汇合点。接地棒也可以安装在主要设备处，特别是在浪涌避雷器附近。在多层或

8、高电阻率的土壤中，使用更长的地棒或在补加的交叉汇合点安装地棒可能是有用的。d) 地网系统应扩充至整个变电站调度场，且经常超出篱笆之外。在可能发生电流高度集中的地方，例如在发电机的中性线到地的连接处、电容器库或变压器应使用加倍的接地线或更粗大的导体。e) 除非精确的分析 (电脑辅助)给出最终的值，地网网孔的边比通常取1:1到1:3。频繁的交叉连接对降低地网的电阻作用很小。他们的主要作用是保证地面电位的适当控制。交叉连接使故障电流有多条稳定可靠的入地路径、减小地网本身电位降和当某一导体失效的情况下提供一种冗余措施也是有用的。9.5困难条件下的设计在土壤电阻率相当高的地区或变电站空间非常珍贵的情况下

9、，也许不可能像处于更良好条件下所采取的，在一个大区域上扩展地网电极以便使得接地系统低阻抗。许多GIS站和工业变电站通常处于这种情况，它们只占用正常情况下常规设备用地的一部分。这常使地面电位梯度的控制困难。解决的办法有：a) a)把远处的（多个）地网与临近的接地设备、利用多座大楼中分开安装的组合系统和地下室等连接在一起。使用大量远地极要求仔细考虑转移电位、浪涌避雷器的位置和其它的危险点。浪涌，特别是高频浪涌(闪电)可能在本地和远处接地装置之间产生值得注意的电压。b) 使用深埋地棒和钻（接）地井。c) 与地棒和互连导体有关的各种各样添加剂和土壤处理在条款14.5有更完整的描述。 d)使用金属线垫。

10、把地面材料和金属网制成的编织垫组合一起，用来均衡地面附近的 电位梯度场是可行的。典型的金属编织垫由铜包NO.6AWG（译注:美国线规6号,16mm2）钢丝构成，制成0.6m×0.6m(24in×24in)网状，安装在土壤上，地表材料下，并与主地网多处相连。 e)只要可行，有控制地使用其它可得到的降低接地系统总电阻的方法，如把固定导线和中性线接地（见条款15.3）。典型的做法是利用站内适合作为辅助地极或作为其它系统的接地带的金属物体。当然，这种应用的后果，必须仔细估计。f) 只要实际允许，可利用附近有足够体积的低电阻率材料沉积物安装一额外(卫星式)地网。这种“卫星式”地网，当

11、与主地网完全连接，将降低总电阻，从而降低地网的地电位提升。附近的低电阻率材料可能是泥土沉积物或可能是一些大建筑物的一部分，例如一个水电堤坝的混凝土团块(Verma，Merand，and BarbeauB148)。9.6 连接到地网应该用有足够载流量和机械强度的导体(见条款11)连接在下列物体之间：a)所有接地电极，例如地网、地棒(衬)、接地井以及一些可连接的地方、金属、水或气管道、水井盖罩等。b)所有地面上方可能偶尔带电的导电金属部件，例如金属装置、机械框架、常规或气体-绝缘的金属开关装置的护盖、变压器、水箱、防护装置等。那些相对于其它已经带电的金属部件有不同电位的导电金属部件应该连接在一起，

12、通常是通过地网。c) 所有的故障电流源，例如浪涌避雷器、电容器组或耦合电容器、变压器和其它合适的地方，如机器的中性线、照明和电力电路。通常用铜电缆线或铜带作为这些接地导体。但是，变压器外壳有时也用作浪涌避雷器接地通路的部件。同样，如果能确认其电导，包括任何连接处的电导，与那些通常安装的导体电导等效并维持等效，则大多数钢或铝构件可以用作接地路径。这么做的地方，应该把任何可能引进高阻连接的油漆涂层移去，同时使用合适的接头化合物，或采取其它有效的手段，例如用跳线跨接，以免过后连接变坏。在GIS装置的情况下，应额外注意有害的感应电流流通的可能性。条款10更详细地讨论这个题目。 不应在交叉连接点或类似的

13、连接点处采用多条接地线来分流。所有的可接近的接地导线应定期检查。铝热焊、铜焊，或压力型连接器可用于地下的连接(见条款11.4)。应该避免锡焊，因为在高故障电流下连接可能失效。户外电路，即使在显露的地点，也可能逃过检查，而且一旦接地网络安装之后要检测其埋地部分显然是不实际的。确定埋地的接地系统连续性测试方法的更详细讨论见条款19.4。可能提供或携带大电流的那些装置，例如变压器和断路器组、开关架和避雷器座应该用多条导线与地网连接。导线最好反向布线以便排除共模故障9。11 导体和连接的选择在评估用哪种导体材料，多大的导体尺寸或允许的最大限制温度适合时，最终的选择总应体现出条款11.1-11.4所概括

14、出的事项。11.1基本要求每一接地系统的元件，包括地网导体、连接、连接导线和所有的主电极，其设计都应该符合装置的预期寿命要求，这些元件应具备如下特点：a）具备足够的电导率，这样就不会形成明显的局部电位差。b）在最不利的故障大小和持续时间的共同作用下，元件能避免熔化和机械损伤。c）元件应具备机械稳定性和高度的坚固性。d）即使暴露在腐蚀环境中或使用不当，元件也能保持它们的功能。11.2导体材料的选择和相关的腐蚀问题11.2.1铜铜是常用的接地材料。铜导体除了具备高的导电性能外，在防止地下大多数的腐蚀问题也有其优越性，因为相对于可能埋在附近的大部分其它金属而言，铜是阴极。11.2.2镀铜钢材镀铜钢材

15、通常用作接地棒，偶尔也制成地网，特别是在有偷窃情况发生的地区。只要导体具有适当的尺寸和不受损害，且土壤情况对所用的材料没有腐蚀，铜或少量镀铜钢材的使用就能多年确保地网的完整性。11.2.3铝铝很少用于地网。对利用铝或铝合金制外壳的GIS装置而言，虽然初看起来会认为铝应是很自然的选择，但应考虑以下的缺点：a）铝本身在某些土壤中是会被腐蚀的。对所有接地的实际效果而言，被腐蚀的铝材料层是不导电的。b）在某些条件下，交流电导致的逐步腐蚀仍然是一个问题。尽管存在这样一个事实，像钢材一样，铝能减缓别的埋地物体的腐蚀，但也只有在对全部环境作出了全面调查的情况下才能使用铝材。然而，对包括钢材在内的许多金属而言

16、，铝是正极，在有电解质存在时，如果将铝与这些金属之一互连，铝将牺牲自身去保护别的金属。如果要使用铝材，那么高纯度等级的导体比大多数合金更合适。11.2.4钢材钢可以用作地网导体和接地棒。当然，这种设计应注意钢材的腐蚀。配合阴极保护，在钢接地系统中，通常用镀锌或抗腐蚀的钢材。11.2.5其它需要考虑的事项铜质或镀铜钢质地网会跟埋地的钢结构、管道以及任何电缆护套中的铅基合金形成原电池。这种原电池会加速后者的腐蚀。一些公用事业（公司）已尝试给铜镀锡。这会降低钢和锌之间的电池电压约50%，并且能实际上消除与铅之间的电压（锡比铅消耗稍多）。使用镀锡铜材导体的缺点是它会加速和集中在铜材任何小面积裸露处（因

17、土壤化学物质导致）的自然腐蚀。其它常用方法有：a）用塑料带或沥青混合物（或两种方法同时使用）包裹隔离阴极保护金属的表面。b）选择埋地金属元件的路线，让铜基导体尽可能近地以直角跨过水管或由别的无覆盖物的裸露金属制成的同类物体，并为相互接近的金属之一提供隔离外套。通常是在水管上加隔离外套。c）使用牺牲阳极或从外加电流系统的阴极保护；d）使用非金属管道和导管。在GIS中，也可能由于别的原因而要求使用阴极保护。阴极保护通常用于保护GIS的外部装置，例如充气加压管状电缆，铅铠装电缆等。因GIS装置复杂，在接地系统设计前，必须全面考虑所有的腐蚀防护情况。由于电力系统的不同位置和不同应用，变电站的情况可能不

18、尽相同，所以具体指南很难制订。地中腐蚀和阴极防护的课题很复杂。关于这个课题已进行了许多研究，且有许多研究结果已发表。这些现象的详细讨论超出了本指南的范围。11.3导体的尺寸因素11.3.1对称电流从SverakB133推导的公式（37）到（42）可以得到接地导体的短时温升或作为电流函数所要求的导体尺寸。在IEEE标准837-1989的附录B中也有这些公式。在材料常数已知或可算出时，这些公式可以计算确定导体的载流量。常用接地材料的材料常数见表1。对于对称电流（无直流偏置）可推算出公式（37）（42）。 （37）式中:I是电流有效值，单位:kAAmm2是导体截面积，单位:mm2Tm是最大许可温度，

19、单位:T是环境温度，单位:Tr是材料常数的参考温度，单位:o是0时电阻率的温度系数，单位:1/r是参考温度Tr时电阻率的温度系数，单位1/r是参考温度为Tr时接地导体的电阻率，单位:-cmKo是1/o或(1/r)-Tr，单位:tc是电流的持续时间，单位:sTCAP：每单位体积的热容量（表1），单位:J/（cm3·）(详细定义见条款11.3.1.1)应注意在同一参考温度Tr下，能同时找到r和r。表1提供了20时r和r的数据。如果导体尺寸单位用Kcmils（mm2×1.973=Kcmils），公式（37）变为 （38）表1 材料常数材料种类材料电导率（%）20系数r（1/）0时

20、Ko（0）熔化温度aTm（）20时r（cm）TCAP热容量J/(cm3·)退火铜，（软扎）100.00.0039323410831.723.42商用铜，（硬扎）97.00.0038124210841.783.42铜包钢线40.00.0037824510844.403.85铜包钢线30.00.0037824510845.863.85铜包钢棒b20.00.0037824510848.623.85铝，EC级61.00.004032286572.862.56铝，5005合金53.50.003532636523.222.60铝，6201合金52.50.003472686543.282.60铝包

21、钢线20.30003602586578.483.58钢,102010.80.00160605151015.903.28不锈包钢棒c9.80.00160605140017.504.44镀锌钢棒8.60.0032029341920.103.93不锈钢,3042.40.00130749140072.004.03a摘自ASTM标准。b铜包钢棒，铜层厚度0.254mm(0.010in)。c 不锈钢包钢棒用厚度0.508mm(0.020in)NO.304不锈钢包裹NO.1020钢芯。结合公式(39)（用来确定TCAP），公式（37）、（38）表达了两个基本假设：a）所有热量都留在导体中（绝热过程）。b）比

22、热（SH）和比重（SW）的乘积，TCAP近似为常数，因为SH的升高和SW的下降速率几乎相同。对于大多数金属，只要故障持续时间在几钞钟之内，这些假定在相当宽的温度范围内都是适用的。11.3.1.1替代公式由比热和比重，可计算出表1未列出材料的TACP。比热SH 单位cal/（gram×）和比重SW 单位gram/cm3与单位体积的热容量单位J/cm3的关系如下：4.187J（焦耳）=1calorie（卡路里）因此，TCAP定义为：TCAPcal/（cm3×）=SHcal/（gram×）×SWgram/cm3或TCAP J/（cm3×）=4.184

23、(J/cal)×SHcal/（gram×） ×SWgram/cm3 (39)一旦TCAP确定，式（37）、（38）就可用来确定导体的载流量。式（37）和式（38）整理后可用来确定作为电流函数的导体尺寸。 (40) (41)例：用式（41）和表1可以进行计算，得到30%和40%镀铜钢材及100%或97%铜材导体的数据,制成表格。例如，计算电流持续1秒30%镀铜钢材导体的尺寸，得到，tc=1.0, 20=0.00378, 20=5.86, TACP=3.85, Tm=1084, T=40, K0=245因此,当I=1kA时,利用式(41), 或12.06kcmil/k

24、A11.3.1.2公式的简化用英制单位，公式可简化如下： (42)式中：Akcmil是导体的截面积,单位:kcmilI是故障电流有效值,单位:kAtc是电流持续时间,单位:sKf是表2中材料在不同Tm（熔化温度或根据条款11.3.3的导体限制温度）值和环境温度（T）为40时的常数。表2 材料常数材料电导率（）ma()Kf退火铜（软扎）100.010837.00商用铜，（硬扎）97.010847.06商用铜，（硬扎）97.025011.78铜包钢线40.0108410.45铜包钢线30.0108412.06铜包钢棒20.0108414.64铝，EC级61.065712.12铝，5005合金53.

25、565212.41铝，6201合金52.565412.47铝包钢线20.365717.20钢102010.8151015.95不锈钢包钢棒9.8140014.72镀锌钢棒8.641928.96不锈钢3042.4140030.05a见条款11.3.3有关材料选择的注释。例：在20kA和3秒故障持续时间下，用公式（42）a)对软扎制铜材取250kcmilb）对40%电导率的镀铜钢材导体， 取19/#7导体。c）钢导体 取直径7/8英寸的导体。还可以比较不同持续时间下某规定尺寸导体的熔化电流，以4/0AWG（211.6kcmil）软扎铜材为例如果 如果如果因为如下因素的影响，实际选择的导体尺寸往往大

26、于根据熔化条件求得的尺寸，如：a）在接地装置的设计寿命期内，导体的强度应能经受得住任何预期的机械作用或腐蚀引起的机械损伤。b）在接地装置的使用寿命期内，导体应有足够高的电导，以防止故障期间产生任何可能的危险电压降。c）限制导体温度的需要（见条款11.3.3）。d）和对待其它的电子部件一样，对接地系统也应有安全系数。11.3.2不对称电流11.3.2.1使用衰减因子在希望说明故障电流中可能有直流偏置成分的情况下，应用公式(37)到公式(42)之前,利用条款15.10中公式(79)的衰减因子DF,可确定对称电流等效值IF（它表示非对称电流在整个故障持续时间tc上积分的有效值）是X/R的函数。IF=

27、If×Df （43）得到的IF值通常大于If，因为衰减因子是基于一个很保守的假设，即交流成分不随时间而衰减，而是保持起始暂态值不变。11.3.2.2非对称电流表格的使用在相同的故障条件（故障电流持续时间和大小）下，因为故障电流中的直流偏置会而导致导体达到更高的温度，式（43）求出了在直流偏置存在时对称电流的等效值。此外，如果存在直流偏置，它会使机械力和吸收的能量几乎达到等效对称电流情况下的4倍。然而，如果电流持续时间大于等于1秒，或故障处的X/R比值小于5时，直流偏置的影响可以忽略不计。在表3到表6中列出了各种直流偏置下不同尺寸铜质导体的熔化特性。这些熔化特性是理论上推导出的，不过后

28、来为大量的实践所证明。表3 各接地铜缆的最大通流量；电流是频率60Hz，X/R=40时的有效值；电流单位为kA电缆尺寸AWG标称截面积mm26个周期（100ms）15个周期（250ms）30个周期（500ms）45个周期（750ms）60个周期（1s）180个周期（3s）#233.632216121095#142.41282116131171/053.48362620171482/067.424533252118113/085.035742322723144/0107.20725340343017250kcmil126.65856247403521350 kcmil177.3611987675

29、64929表4 各接地铜缆的最大通流量；电流是频率60Hz，X/R=20时的有效值；电流单位为kA电缆尺寸AWG标称截面积mm26个周期（100ms）15个周期（250ms）30个周期（500ms）45个周期（750ms）60个周期（1s）180个周期（3s）#233.632518131195#142.41322216131271/053.48402821171592/067.425136262219113/085.036445332724144/0107.20815742353018250kcmil126.65956750413621350 kcmil177.361349470585029表

30、5 各接地铜缆的最大通流量；电流是频率60Hz，X/R=10时的有效值；电流单位为kA电缆尺寸AWG标称截面积mm26个周期（100ms）15个周期（250ms）30个周期（500ms）45个周期（750ms）60个周期（1s）180个周期（3s）#233.632719131195#142.41352317141271/053.48443021171592/067.425638272219113/085.037048342824144/0107.20896043363118250kcmil126.651057151423621350 kcmil177.361479972595130表6 各接地

31、铜缆的最大通流量；电流是频率60Hz，X/R=0时的有效值；电流单位为kA电缆尺寸AWG标称截面积mm26个周期（100ms）15个周期（250ms）30个周期（500ms）45个周期（750ms）60个周期（1s）180个周期（3s）#233.633119141195#142.41392417141271/053.48493122181592/067.426239282219113/085.037950352825144/0107.20996344363118250kcmil126.651177452433721350 kcmil177.3616510473605230注：1表3到表6的电流

32、值是用计算程序RTGC计算出来的(Reichman，Vainberg，and KuffelB122)。已知X/R值和故障情除时间，这个计算程序可以直接用来计算接地电缆所需的尺寸。2电流值是在直流偏置最大时计算的结果（见条款15.10）。3导体初始温度=40，最终温度=1083。4公制数值是用软件换算的。软件换算是据AWG尺寸直接计算出公制的面积。11.3.3确定导体尺寸大小的附加因素设计者应该注意确保接地装置中的导体和连接点的温度不会对变电所的安全运行造成危险。例如：a）一般，易燃材料附近的导体和连接点应有更严格的温度限制。b）如果对硬轧铜材强度提出要求是由于机械原因，那么就应该小心不让温度超

33、过250，以免导体退火。应仔细检查暴露在腐蚀环境中的可能性。即使正确的导体尺寸和所采用的连接方法完全满足IEEE标准837-1989试验要求，也应注意在装置设计寿命期间，选择更大尺寸的导体以抵补导体截面的逐渐减小，因为土壤环境会加快腐蚀。从设备到地网的引下导线，可能要承受流入地网的全部故障电流，而地网把这个电流分流，使地网中的每段导体只承受全部故障电流的一小部分。因此，引下导线就应该比地网导体更粗大或从设备到地网连接多条引下导线，使之有足够的通流量来承受全部故障电流。传导雷电流的接地导体无需作更多的考虑。根据故障电流要求而选定的导体尺寸，通常也足以通过雷电引起的短时浪涌。实践中，机械可靠性的要

34、求将规定导体的最小尺寸。对设计者而言，虽然根据局部情况确定导体的最小尺寸看来可能是合适的，但保守的要求是值得考虑的。几个特殊原因如下：a）继电器的故障会导致故障持续时间超过原清障时间。后备清障时间适用于确定导体的尺寸。对小型变电站而言，这个后备清障时间可能达到3秒或更长。然而，大型变电站通常会有复杂的保护设计，故障通常能在1秒或更少的时间内清除。b）用于确定导体尺寸的最大电流值，应把将来的发展考虑进去。在设计初期就设定导体尺寸适当的富余量比以后补充许多接地导线成本低。11.4连接的选择在地网中，地上和地下的所有连接都应被评估，以便达到所用导体的全面要求：即电导率、耐腐蚀性、通流量和机械强度。这

35、些连接点应足够大以便保持其温升低于导体的温升，并能抵御热效应的影响。连接点还应该足够坚固，以经受最大预期故障电流的电磁机械力，并使装置能在其预期寿命内耐(得住)腐蚀。变电站接地中的耐久连接的应用和测试，IEEE837-1989提供了详细信息。用于特殊导体尺寸系列和导体材料的接地连接如果通过了IEEE837-1989要求，应能满足有相同尺寸和材料导体的所有标准电导率、耐腐蚀性能、通流量和机械强度。13.土壤结构和土壤模型的选择13.1土壤结构的调查很有必要对变电站所在地土壤电阻率进行调查，以便确定土壤的大体成分和均匀程度。岩心取样试验和其它的地质调查常能提供有关各种土层的存在和土壤材料类型的有用

36、信息，至少能得到有关该站址电阻率范围的一些概念。表7 典型地表材料电阻率序号地面材料的种类（U.S.找到该材料的州）样品的电阻率m干湿1破碎花岗岩成细粒(N.C.)140×1061300 (地下水,45m)2破碎花岗岩成1.5in(0.04m)细粒(Ga.)40001200（雨水，100m）30.751in(0.020.025m)花岗岩细粒(Galif.)-6513（45m水排出10分钟后）4#4(12in)(0.0250.05m)洗过的花岗岩(Ga.)1.5×1064.5×1065000（雨水，100m）5#3(24in)(0.050.1m)洗过的花岗岩(Ga.

37、)2.6×1063×10610000（雨水，100m）6大小未知洗过的石灰石(Mich.)7×10620003000(地下水,45m)7洗过的花岗岩，类似于0.75in(0.02m)的砂砾2×106100008洗过的花岗岩，类似于豌豆大小的砂砾40×10650009#57（0.75in）(0.02m)洗过的花岗岩(N.C.)190×1068000(地下水,45m)10沥青2.6×1063×106100006×10611混凝土1×1061×109 a21100a烤箱烘干的混凝土(Hamm

38、ond and RobsonB78)。自然干燥的的混凝土因含水分其电阻率可能低得多。13.2土壤的分类和电阻率的范围文献中许多表格展示了各种土壤和岩石的电阻率范围。RudenbergB125的表格具有非常简明的优点。工程手册和出版物（比如，SundeB130 and WennerB150）有更多详细的数据资料供使用。13.3电阻率的计算基于土壤分类的估计只给出电阻率的近似值。因此，电阻率的实际测试是必要的。这种测试应该在变电站址内的多个地点进行。在整个站址区域和相当深度的土壤都具有相同的电阻率的变电站很少见到。通常情况是有多层土壤，每层有不同的电阻率。通常，横向（水平方向）的变化也会发生，但与

39、纵向的变化相比，这些变化更为平缓。为了确定电阻率是否随着深度有任何较大的变化，应该进行土壤电阻率的测试。在变化大的地方，读数取值次数应更多，特别是在一些读数高到暗示有安全问题时。表8 土壤电阻率范围土壤类型平均电阻率（m）湿的有机土壤潮湿的土壤干燥的土壤下层的坚石（基岩）如果电阻率随深度略有变化，那么最好加大探针间距以获取深层土壤电阻率的评估。这样做是可能的，因为当探针间距增加时，不管由于不同土壤状况改变有多少电流的路径被扭曲，测试源电流在垂直和水平两个方向上都能渗透到越远的区域(Manual on Ground Resistance TestingB102地阻测试手册)。IEEE81-198

40、3中详尽地描述了一些测量技术。如图19所示，Wenner四极法是最通用的技术。简单地说，四个探头以相同间距a及相同深度b沿一条直线插入土壤中。然后测出两个内电极（电位极）间电压值，除以两个外电极（电流极）间的电流，得到电阻值R。图19 Wenner四极法则, (44)式中:是土壤的视在电阻率,单位:·mR是实测电阻,单位:相邻电极间距,单位:mb电极深度,单位:m如果b小于，即探头插入土中距离很小，式（44）可简化为=2R （45）探头间距小时，电流靠近地表流动,而间距大时，更多电流会渗透到更深的土壤。因此,在土壤各层电阻率差异不太大时，假定给定探头间距下实测的电阻率代表了深度为的土

41、壤视在电阻率，通常这是一种合理的近似。这样,公式（44）和公式（45）就可以用来确定深度的视在电阻率。Schlumburger-PalmerB119是Wenner法的一种改进型。就如IEEE 81-1983中描述的那样，对大探头间距的情况，这种方法更为灵敏。如图20所示和IEEE 81-1983所述，另外一种测量土壤电阻率的方法是基于三极法或电位降法的插棒法(BlattnerB11B12;PurdyB121)。这种方法中，置于待测土壤中插棒的深度Lr是变化的。另外两根棒沿一直线较浅地插入土壤，称为参照棒。电压棒的位置在测试棒和电流棒之间移动。另一可替换的方法是电压棒置于电流棒相对的一侧。其视在

42、电阻为： （46）式中：Lr是棒的长度，单位：md是棒的直径，单位：m实测视在电阻率值与棒长度Lr的关系图，提供了电阻率随深度变化的直观图示。Ohio州立大学领导的试验证明了无论是Wenner四极法还是三极插棒法都能为建立土壤模型提供所需的信息。实际应用中，Wenner四极法是最通用的方法。其通用有几个原因。四极法能获得较深土层的电阻率数据而无需把探棒插到这些土壤层内。四极法测试无需笨重的设备。测试结果不会受到测试极电阻和测试极插入土壤时留下的孔洞电阻的显著影响。虽然并非必然与测量方法有关，但插棒法的优点是能确定地棒可插入土壤多深。如果知道了棒能插入地下多深，就能省去重新设计地网。通常，因为土

43、壤中的坚硬层，如岩石、硬粘土等，实际上不可能把测试棒更深地插入土壤中，这导致了数据不充分。BlattnerB11研发了一种技术，如果土壤某深度电阻率已知，它能预测10倍其深度的土壤电阻率。这种方法能在测试棒无法插入土壤很深的情况下有效地运用。但是，在使用这种方法前，建议再看一下此技术的实际局限性。插棒法的缺点是：当测试棒被深深地插进地下时，因为震动和直径大的联接器，会减少棒与土壤的紧密接触，导致电阻测量值偏高。根据这些较高的土壤电阻率设计的地网可能过于保守。插棒法提供的电阻值是不精确的。电极间距大和均质土壤的情况下，只62%的规则可用。在非均质土壤中，这种假设会影响读数。如果用曲线的平直部分来

44、确定测试棒电阻，在非均质土壤中，这平直部分不能给出正确的电阻，并且除非测试棒和电流棒的间距非常大，甚至不能获得曲线的平直部分（Dawalibi and MukhedkarB39 B44）。图20 三极法或插棒法电路地平线电阻率测量记录应包括测量时的温度数据和土壤的湿度信息。所有研究范围内所能得到的有关已知埋地导电物体的数据也应记录。如果埋地导电物体很靠近足以改变测试电流的流动模式，则与土壤接触的埋地导电物体可能使按上述测试所得到的读数无效，对于大的或长的导电物体尤其如此。为此，在地网导体已安装的地区，土壤电阻率的测量会明显失实，除了在很大的地网内或靠近中心进行浅表测量。在这种情况下，把探头放置

45、得使地网对电流流型的影响降到最小，则在地网外短距离内可得到少量近似读数。虽然地网内的情况并不明确，这些读数可以近似使用，特别是如果有理由相信整个区域内土壤相当均匀时。13.4土壤电阻率测量的数据整理也许整理在一个场地中获得的视在电阻率数据是测量项目中最困难的部分。基本目的是要推导出一个与实际土壤近似的模型。土壤电阻率在横向和不同深度上的变化与土壤的分层有关。正如EPRITR-100863B64所描述的那样，由于天气情况变化，土壤电阻率会有季节性的变化。必须认识到，土壤模型只是实际土壤情况的一个近似模型，完全一致是不太可能的。最常用的土壤电阻率模型是均匀土壤模型和双层土壤模型。双层土壤模型往往是

46、许多土壤结构的很好的近似模型，而多层土壤模型可用于更复杂的土壤情况。土壤电阻测量的数据整理既可手工完成，或使用Blattner and DawalibiB13; BlattnerB11B12; EndrenyiB56; EPRITR-100622B63; EPRIEL-3982B62;EPRIEL-2699B60; Lazzara and BarbeitoB98; Meliopoulos,Papelexopoulos，Webb and BlattnerB105; Meliopoulos and PapelexopoulosB103;MooreB110; Nahman and SalamonB1

47、12; RomanB123;和 TaggB135等人描述的计算机分析技术完成。均匀土壤模型只能用于视在电阻率缓慢变化的场合。在均匀土壤情况下（现实中很少有这种情况），均匀土壤模型是相当精确的。如果所测的视在电阻率有大的变化，均匀土壤模型不太可能产生精确的结果。实际土壤情况更精确的模型是双层土壤模型。双层土壤模型由厚度有限的上层和电阻率不同，厚度无限的下层组成。有几种技术可以从现场测试得到的视在电阻率确定等效的双层土壤模型。在一些场合中，可以通过观察视在电阻率与插棒测试深度的关系曲线，或通过观察视在电阻率与Wenner四极测试中的电极间距的关系曲线来近似得到双层土壤模型(BlattnerB10B

48、12; IEEE辅导教程86B87)。用于工业的计算机程序也可用来推导双层土壤模型和多层土壤模型(Dawalibi and BarbeitoB38; EPRITR-100622B63; EPRIEL-2699B60; Orellara and MooneyB117)。在一些场合中，土壤电阻率可能表现为从最小值到最大值之间变化，所以等效的双层土壤模型并可能不是一个精确模型。在这种情况下，如Dawahbi,Ma,and SoutheyB46和Dawalibi and BarbeitoB38所描述的那样，可能要求有一个不同的土壤模型，例如多层土壤模型。13.4.1均匀土壤的假设只要没有双层或多层土壤

49、的计算工具可供利用，就可以用均匀土壤模型来代替多层土壤模型。不幸的是，通常很难估算相关接地参数的误差上限，但在各层间电阻率变化比较缓慢时，土壤电阻率平均值可以用做初级近似值或用来确定土壤电阻率的数量级。如式（47）所示，取实测视在电阻率的算术平均值，可以得到均匀土壤电阻率的近似值。 （47）式中：a(1)+a(2)+ a(3)+ a(n)是在四极法中不同间距或插棒法中不同深度所测视在电阻率,单位:.mn 是总测量次数大多数土壤并不符合公式（47）的标准。在土壤电阻变化显著时，很难建立起均匀土壤模型。因为本指南的跨步电压和接触电压公式是建立在均匀土壤模型基础上，所以打算确立一个把非均匀土壤近似为

50、均匀土壤的准则。采用四极法从不同的几个地理位置上取得视在土壤电阻率数据。每个位置的土壤数据用三个不同的等效土壤模型近似。这些近似模型由一个计算机（EPRITR-100622B63）产生的双层模型和两个均匀土壤模型组成。均匀土壤模型通过实测视在电阻率数据，利用公式（47）和（48）确立。下一步，利用计算机程序（EPRITR-100622B63）计算一大小为76.2m×76.2m（250ft×250ft）有64个均匀分布接地棒的地网的电阻和跨步/接触电压。接地电极的深度取决于所采用的土壤模型。例如，在双层土壤模型中，接地电极（棒）插到下层。这项研究的细节参见附录E。最后，将双层

51、模型计算的接地参数与均匀土壤模型的计算结果比较。用公式（50）计算出的的均匀土壤模型接地参数与双层模型的计算值进行适当的比较。 （48）式中：(max)是视在电阻率最大值（取自测量数据），单位：m(min)是视在电阻率最小值（取自测量数据），单位：m以上的研究中用到若干假设。因此，使用公式（48）时要注意。例如，在接地地网中没有接地棒时，建议不使用公式（48）(Dawalibi，Ma，and SoutheyB47)。此外，如果公式（48）算出均匀土壤的电阻率用来设计地网，那么接地棒至少应插到实测电阻率与(v2)计算结果一致的深度。不同作者提出了几种使用均匀土壤模型近似非均匀土壤模型的方法。其中

52、之一包含用上层视在电阻率平均值来计算跨步电压和接触电压，用下层视在电阻率平均值来计算接地系统的电阻。Dawalibi，Ma，and SoutheyB46; Dawalibi and BarbeitoB38; EPRITR-100622B63; Fujimoto，Dick，Boggs，and FordB69; and Thapar and GerezB140可以提供关于所测土壤数据整理以及多层、双层和均匀模型对接地参数影响的补充信息。13.4.2非均匀土壤的假设SundeB130以及他所提到的一些地理勘探书中提出另一研究方法，是针对电阻率随深度有显著变化情况下提出的。例如，从较宽探头间距所获得的读数推出有一定厚度的两层或多层的土壤分层情况，这可能解释实际测量值的变化。13.4.2.1双层土壤模型（通用）双层土壤模型可用深度无限的下层和其上面深度有限的上层表示。在两层土壤边界电阻率的突变可以用折射系数来描述。折射系数K由公式（49）确定。 （49）式中：1是上层土壤电阻率，单位：m2是下层土壤电阻率，单位：m虽然对接地系