河南四达电力研究团队提出一种石墨接地材料与土壤接触电阻测定的新方法

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河南四达电力研究团队从接地材料与土壤接触电阻与接触面积的线性关系出发，采用同心布置的半球形接地极和回流极，对以往方法进行了改进，包括接地体电阻、接地体-土壤接触电阻和土壤电阻的线性关系，研究了接地材料与土壤之间接触电阻的测定方法，建立了同心布置的半球形试验平台模型。有效测量了硬体和软体两种类型接地材料在不同土壤环境下土壤的接触电阻，并针对热镀锌钢和石墨基柔性接地材料分别进行了试验分析验证。

研究背景

在山地、沙漠、戈壁等高土壤电阻率地区设计接地方案时，接触电阻对接地电阻的影响较为显著，如果忽略接触电阻的影响，可能会导致工程施工后接地电阻达不到设计要求，造成接地装置“欠保护”的问题时有发生。

曾嵘等将接触层分为许多近似正方体的土壤单元和气隙单元，通过改变两类单元的大小、数目和排列形式，模拟不同的接触情况，以及接触面积比、土壤颗粒大小、导体截面大小和形状对接触电阻的影响因素，得到接地体-土壤接触电阻的计算公式，但是接触面积比尚无科学的方法求解，实际工程很难准确评估接触电阻的影响。

论文所解决的问题及意义

准确测量接地材料与土壤的接触电阻，并在此基础上准确计算接触电阻对接地装置接地电阻的影响，对于正确设计接地装置型式、接地材料规格，以及提高接地网设计水平具有重要意义。

试验原理及平台

接触电阻的试验平台模型如图1所示，该试验平台包括半球形的试验装置、交流大电流发生器、保护电阻、试品、交流微安表、交流毫安表、数显电压表、断路器以及继电器，其中半球形的试验装置回流极的材质为热镀锌钢，里面装有特制的模拟土壤，半球形接地极位于半球形回流极的正中心，金属和石墨半球形接地极如图2所示。

图1 试验平台示意图

图2 试验用的半球形石墨接地极

试验验证

采用上述平台，本文对初始温度293 K，气压15 Torr（1 Torr = 133.3 Pa），在测试平台内的模拟土壤水分稳定在13%±2%的条件下，三种模拟土壤的测量参数和土壤电阻率的多组重复性测量结果如表1和图3所示。

图3 模拟土壤的土壤电阻率

由图3可知，5组重复测量的三种类型模拟土壤的土壤电阻率数据基本呈一条直线，田园土、降阻剂、细沙土的平均电阻率分别为20.569Ω•m、19.709Ω•m、81.971Ω•m。

表1 土壤测量参数列表

表2 接地体与土壤接触电阻测量计算结果

由表2可知，三种模拟土壤的颗粒度从小到大的顺序依次为：降阻剂＜田园土＜细沙土。田园土与降阻剂的土壤电阻率值近似，但在颗粒度较小的模拟土壤中，接地体与土壤的接触电阻更小，且颗粒度的大小对镀锌钢接地体与土壤接触电阻的值影响更为显著，石墨接地体和镀锌钢在田园土和降阻剂中与模拟土壤的接触电阻之比为2.43和2.84。

随着试验土壤电阻率的增大，接地体与土壤的接触电阻也逐渐增大，镀锌钢和石墨基柔性接地体与土壤的接触电阻从小到大的顺序依次为：降阻剂＜田园土＜细沙土。

结论

为了揭示接地工程设计中接触电阻的数值对接地电阻的影响，本文建立了接触电阻测量平台，多次重复测量了接地极试验回路电阻和模拟土壤电阻率，得到结论如下：

1）模拟土壤含水率一定时，同心半球形接触电阻试验平台测量结果表明，在田园土、降阻剂、细沙土土壤三种模拟土壤环境中，石墨基柔性接地体与土壤的接触电阻约为热镀锌钢接地体的30%，因此，石墨基柔性接地体对降低接地网的接地电阻的效果较为显著。

2）接地体的形状及柔韧性对接地体与土壤的接触电阻有较大影响，且相同土壤电阻环境中，接地体与模拟土壤的接触电阻随土壤颗粒度的增大而增大，接地体与土壤的有效接触面积越大、接触约紧密，其与土壤的接触电阻越小。

团队介绍

河南四达电力设备股份有限公司成立于2007年6月，是专业服务于线路安全，集研发、设计、制造、销售、服务于一体的高新技术企业。自成立以来，研究团队围绕石墨接地、鸟害生态防治、防松治理、防掉线及无损检测领域开展研究工作。现发表核心期刊论文30余篇，拥有授权发明专利13项，实用新型专利授权251项，软件著作权6项，多项专利技术填补国内及国际空白，连续九年被评为“专利先进企业”，并相继评定为“河南省知识产权强企”、“河南省知识产权先进单位”、“河南省知识产权示范企业”、“国家知识产权优势企业”。研究团队参与编写国家标准1项，主导编写10项团体标准（已发布8项），鉴定成果17项（国际领先6项，国际先进7项，国内领先3项，国内先进1项）。

陈四甫

硕士研究生、高级工程师，研究方向为高电压技术及无损检测技术。

胡松江

学士、工程师，研究方向为高电电压接地技术与工程应用。

张国锋

硕士研究生、工程师，研究方向为材料开发、高电压接地技术、机械设计与工程管理。

丁卫东

博士，教授，博导，主要从事气体放电、高电压测量和脉冲功率技术方面的研究工作。

本文编自2023年第3期《电气技术》，论文标题为“接地材料与土壤接触电阻测定方法研究”，作者为陈四甫、陶晓莉 等。本工作得到许昌市重大科技专项项目的支持。

引用本文

陈四甫, 陶晓莉, 朱渊博, 胡松江, 张国锋. 接地材料与土壤接触电阻测定方法研究[J]. 电气技术, 2023, 24(3): 31-35. CHEN Sifu, TAO Xiaoli, ZHU Yuanbo, HU Songjiang, ZHANG Guofeng. Study on the grounding material and soil contact resistance determination. Electrical Engineering, 2023, 24(3): 31-35.

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