降低电极接地电阻的方法

摘要：介绍影响电极接地电阻的因素，通过分析影响土壤电阻率的因素及接地电极与接地电阻值间的关系，总结了通过降低土壤电阻率与改进接地电极两种类别总共七种降低接地电阻的方法，为需要进行电极接地的电法类检测及测试提供参考和选择。
关键词：接地电极；接地电阻；土壤电阻率；电法类检测

在众多电法类的检测中，如管道渗漏检测、土壤电阻率检测等，需要将电极接地。电极接地无可避免会产生接地电阻。接地电阻是接地电极的对地电阻，对检测结果有着重大的影响。如果接地电阻过大，必然会造成采集的电压或电流值降低，影响采集的准确度。因此在电法类的检测中，需尽量降低接地电极的接地电阻值。电极接地电阻值主要由与接地电极相接触的土壤的电阻率及接地电极的尺寸决定。因此，要降低接地电极的接地电阻，可以从土壤电阻率和接地电极尺寸两方面着手。由此，将降低电极接地电阻的方法分为两类：降低接地电极周围土壤的电阻率；改进接地电极。

1 降低土壤电阻率
影响土壤电阻率的因素有土壤的含盐量、温度、湿度及土壤的紧密度，它们之间的关系图如图1～图3所示。

从图1～图3可知，土壤电阻率随着土壤中含盐量的增加而降低；随着土壤的湿度及温度的上升而降低。因此要降低土壤电阻率，从而降低接地电极的接地电阻，需要从土壤的含盐量、温度、湿度着手。除此之外，土壤的电阻率还与土壤的紧密度有关，还可以从土壤的紧密度方面去降低接地电极的接地电阻。[p]
1．1 增加土壤的含盐量、湿度、温度
表1中列出的是土壤温度在0℃以上时，常见的黄土和砂土的土壤电阻率随温度及湿度(含水量)变化的情况。从表1可以看出，在含水量一定的条件下，土壤的电阻率随着温度的升高而降低。砂土在含水量为16．2％时，电阻率从3℃时的156Ω·m降至22℃时的52 Ω·m，降幅达67％；在温度相同的情况下，土壤的电阻率随着含水量的增加而明显降低。温度为22℃时，黄土在含水量为19．6％时的电阻率仅为含水量为4．75％时的3％。温度上升及含水量增加之后，土壤中电解质的溶解度以及电离度都将上升，导致土壤电阻率降低。因而再适当增加土壤中的含盐量，即增加电解质浓度，还能进一步降低土壤的电阻率。

因此在室外进行检测工作时，可选择在夏季或气温较高时进行作业，同时在接地电极附近洒些盐水，增加土壤的湿度和土壤中电解质的浓度。
1．2 增加土壤的致密性
土壤的致密程度对土壤电阻率也产生一定的影响。试验表明，在温度不变的条件下，含水量为10％的粘土，在单位压力由196 Pa增大10倍到1 960 Pa时，土壤电阻率下降到原来的65％。因此，为了减少接地电极的接地电阻值，可以将接地电极四周的土壤夯实，增加土壤的致密性。一方面可以降低土壤电阻率，另一方面还可以使接地极与土壤紧密接触，从而达到减小接地电阻的效果。
1．3 换土法
对于高电阻率的土壤层，增加湿度等方法有时不一定能够有效地降低电极的接地电阻。此时可以考虑运用换土法。换土法是用电阻率低的土壤替代电阻率高的土壤。可以在高电阻率土壤及电极难以插入的石砾土壤层上直接覆盖一层电阻率低，湿度高的土壤，然后将检测电极插入低电阻率的土壤层中。将换土法应用于高电阻率土壤中降低电极的接地电阻，能够获得很好的效果。在所换土壤中还可以适当添加食盐来增加土壤中导电离子浓度，降低土壤的电阻率。
在选用换土法时应注意两点：
(1)所选择的土壤应能与接地电极及原土壤紧密接触，否则效果将大大削弱，甚至比直接将电极插入原土壤的接地电阻更大；
(2)选用的土壤最好呈中性或碱性。避免使用酸性土壤，否则会腐蚀接地电极，导致接地电阻增加。
1．4 降阻剂法
除了换土法能有效降低接地电极在高电阻率土壤中的接地电阻值外，还可以采用另外一种有效的方法：降阻剂法。降阻剂法是将降阻剂施加在接地电极周围，利用它的扩散和渗透作用来改善土壤电阻率。降阻剂由多种成份组成，其中含有细石墨、膨润土、固化剂、润滑剂、导电水泥等。降阻剂是一种良好的导电体，将它使用于接地体和土壤之间，一方面能够与接地电极紧密接触，形成足够大的电流流通面；另一方面随着降阻剂的扩散与渗透，增加土壤中的导电离子的浓度，降低接地电极周围土壤的电阻率。同时降阻剂的吸水性和保水性能够改善并保持土壤导电性能。
降阻剂的种类很多，选用降阻剂主要考虑其降阻性、稳定性、长效性和污染问题。通常选用自身电阻率低、对接地电极的腐蚀率低、降阻效果稳定、长效以及对环境无毒、无污染的降阻剂。

2 改进接地电极
在实际的检测工作中，将接地电极插入土壤后，在电极周围浇洒盐水同时夯实土壤，能够显著降低电极的接地电阻。如果在降低电极周围土壤的电阻率的同时，进一步改进接地电极，则电极的接地电阻还能进一步降低。
2．1 电极材料的选择
接地电极一般选用导电性能良好的铁质圆柱状电极，在特殊场合下也可以选用电化学稳定性好的紫铜电极。不应使用带有螺纹的柱状电极，如螺纹钢。因为螺纹卷起的泥土会在电极螺纹面上形成空隙，使电极与土壤不能充分接触，从而提高电极的接地电阻。同时，电极表面的光滑程度也对电极的接地电阻有影响，表面愈光滑，电极与土壤接触愈充分，愈有利于降低电极接地电阻。
2．2 增加电极与土壤的接触面积
垂直接地体接地电阻，如图4所示，可通过式(1)计算。

当L>>d时：

式中：ρ为土壤的电阻率，单位为Ω·m；L为电极的埋深，单位为m；d为电极的直径或等效直径，单位为m。[p]
型钢等效直径如表2所示。

根据式(1)可知，在土壤电阻率一定的情况下，增加电极的埋地深度可以有效地减小电极的接地电阻，同时适当增加电极的直径，增大电极与土壤的接触面积也能够降低接地电极的接地电阻值。当电极埋深超过40 cm时，随着埋深的增加，接地电阻的减小趋势变缓。所以电极埋深并非越深越好。电极的直径可以选取大一些，但随着电极直径的增加，电极的质量也会显著增加，会给操作带来不便。
从表2可知，在同样的接地环境下，如果扁钢、角钢的宽度与圆钢的直径相等，则圆钢的接地电阻值要比扁钢、角钢的接地电阻值小，因此首选圆钢作为接地电极。同样大小的钢管与圆钢相比，能增加与土壤的接触面积，因此钢管的接地电阻值会比圆钢的接地电阻值小。但从实用角度来看，钢管不如实心的圆钢使用方便。所以在实际应用中接地电极以圆钢为主。
2．3 多个电极并联
除通过增加电极与土壤接触面积来减小电极接地电阻外，还可以采用电极组并联接地的方法。电极组并联接地是几根至十几根接地电极按一定间隔并联垂直插入土壤中，如图5所示。电极组接地电阻大小可通过并联电阻的计算方法得到：

从上述公式可知，电极组接地电阻比单个电极的接地电阻减小了n倍(n是电极数量)。所以在检测工作中，可以采用电极组并联接地的方法减少接地电阻。但是，电极组的各电极间要有一定的间隔，否则电极间电场的相互干扰，反而会使接地电阻增大。一般电极间距大于电极埋深度的两倍时，干扰可忽略不计。

在实际应用中，并联接地电极的数目也并不是越多越好，决定检测电流或电压大小是整个系统回路的总电阻，接地电阻仅仅是其中的一部分，因而单纯地追求电极的数目，只会增加工作负担，并不会过多地增加电流或电压大小，要根据检测环境选择适当的电极数目。

3 结语
在管道渗漏检测、土壤电阻率测试等需要电极接地的电法类检测中，电极的接地电阻对检测结果存在着不可忽略的影响。本文介绍了各种降低电极接地电阻的方法，为检测工作者寻找和选择合适的降低电极接地电阻的方法提供有益的参考。