CN110542797B - 一种测试不同接地材料与土壤接触性能差异的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测试不同接地材料与土壤接触性能差异的方法，分别制作金属接地体A和石墨基柔性接地体B，将接地体放在金属回流极的正中间、周围填入模拟土壤，通过四极法测量模拟土壤的电阻率，计算出模拟土壤的电阻，再结合试验测量得到的A、B不同材料接地模型的电阻值、金属回流极、金属材料与模拟土壤之间的接触电阻，得出A、B不同材料接地体与模拟土壤之间的接触电阻的差别；本发明的装置和方法方便金属回流极的安装和拆卸、模拟土壤的更换，适用性高，操作简单，可有效提高试验效率。

Description

一种测试不同接地材料与土壤接触性能差异的方法

技术领域

本发明涉及岩土工程测量领域，更具体地说，涉及一种测试不同接地材料与土壤接触性能差异的方法。

背景技术

土壤电阻率是土壤的一种基本物理特性，是土壤在单位体积内的正方体相对两面间在一定电场作用下，对电流的导电性能。土壤电阻率的测量的测量方法很多，如地质判定法、双回路互感法、自感法、线圈法、偶极法以及四电极测深法等。四极电测深法通过实践检验，其准确性，完全能满足工程计算要求，这种测量方法所需仪表设备少，操作简单，成为工程设计中的一种常用的方法。

目前接地体与土壤之间接触电阻的测量方法比较少，因此，本申请设计一种接地体接触电阻的测量装置，为接地体接触电阻的科学测量推算提供一种思路，利用此装置可以针对多种类型的土壤、接地体进行电阻率测试，具有精度高、操作简单、便捷有效等特点。

发明内容

有鉴于此，为解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种测试不同接地材料与土壤接触性能差异的方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种测试不同接地材料与土壤接触性能差异的方法，包括以下步骤：

(1)分别制作两个相同的半径为94～100mm的金属半球体，其中一个金属半球体上设置第二接线端子作为金属接地体A，另一个金属半球体上设置第二接线端子和石墨带作为石墨基柔性接地体B；

(2)将金属接地体A放置于金属回流极的正中间部位，在周围填入模拟土壤，振动实在，将电压表、电流表和电源与第一接地端子和第二接线端子连接好，采用伏安法测量并计算金属接地体A与模拟土壤的接触电阻值R^J _J1：

①采用4极法测量模拟土壤的电阻率，模拟土壤的电阻由式(1)进行计算：

式中：R₁——模拟土壤的电阻，Ω；

ρ——模拟土壤的电阻率，Ω·m；

D₂——金属回流极的内直径，m，本试验中D₂＝980～1000mm；

D₁——金属接地体A的直径，m，本试验中D₁＝94～100mm；

r₂——金属回流极的内半径，m，本试验中r₂＝470～500mm；

r₁——接地体的半径，m，本试验中r₁＝47～50mm；

②金属材料与模拟土壤的接触电阻R_J1为金属回流极以及金属接地体A与模拟土壤接触电阻之和，如式(2)：

上标H和J分别表示金属回流极和接地体；

③由试验过程中电压表和电流表测出的电压值U与电流值I，计算得出R，R_J1数值上等于每次测量的金属接地体模型(即采用金属接地体A)时的总电阻R减去模拟土壤的电阻R₁，如式(3)：

R_J1＝R-R₁……(3)

式中：R——金属接地体A每次试验测量得到的电阻值，Ω。

④金属接地体A与模拟土壤的接触电阻，以及金属回流极与模拟土壤的接触电阻可分别由式(4)和式(5)进行计算：

式中：S₁——金属接地体A与土壤的总接触面积，mm²；

S₂——金属回流极与土壤的总接触面积，mm²。

(3)将石墨基柔性接地体B放置于金属回流极的正中间部位，在周围填入模拟土壤，振动实在，将电压表、电流表和电源与第一接地端子和第二接线端子连接好，采用伏安法测量并计算石墨基柔性接地体B与模拟土壤中的电阻值R^S _J2：

每次测量石墨基柔性接地体模型(即采用石墨基柔性接地体B)时得到的电阻值R'减去模拟土壤电阻、金属回流极与模拟土壤的接触电阻，得到石墨基柔性接地体B与模拟土壤的接触电阻R^S _J2，如式(6)：

式中：R'——石墨基柔性接地体B每次试验测量得到的电阻值，Ω；

(4)比较步骤(2)中得到的R^J _J1、以及步骤(3)中得到的R^S _J2，由此得出金属接地体A与模拟土壤的接触电阻、石墨基柔性接地体B与模拟土壤的接触电阻的差别。

本发明的有益效果是：

本发明的方法是通过四极法测量模拟土壤的电阻率，进而计算出模拟土壤的电阻，再结合多次试验测量得到的不同材料接地模型的电阻值、金属回流极、金属材料与模拟土壤之间的接触电阻，最终得出不同材料接地体与模拟土壤之间的接触电阻的差别，该方法通用性强，可根据试验需求设置多种不同的接地体，进行比较，方法简单，结果准确。

附图说明

图1为本发明测试方法使用试验装置的结构示意图；

图2为本发明测试方法使用试验装置的移动腔的结构示意图；

图3为本发明测试方法使用试验装置中金属回流极与接地体的结构示意图；

图4为本发明测试方法使用试验装置中金属接地体A的结构示意图；

图5为本发明测试方法使用试验装置中石墨基柔性接地体B的结构示意图；

图6为本发明测试方法使用试验装置中伸缩轴的结构示意图；

图7为本发明测试方法使用试验装置中试验装置采用内接法的结构示意图；

附图标记：1、移动腔，101、面板，102、土壤倾泻口，103、倾斜下料板，104、滚轮，2、方形孔，3、电阻率测试装置，4、金属回流极，401、半球形槽，402、第一接线端子，403、模拟土壤，404、球状凹槽，5、接地体，501、金属半球体，502、第二接线端子，503、石墨带，6、伸缩轴，601、套筒，602、弹簧，603、支撑轴，604、外螺纹，7、固定轴，8、铜板，9、螺母螺栓套件，10、置物槽，11、通孔，1101、内螺纹，12、透明防护盖，13、接线孔。

具体实施方式

下面给出具体实施例，对本发明的技术方案作进一步清楚、完整、详细地说明。本实施例是以本发明技术方案为前提的最佳实施例，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种不同接地材料与土壤接触性能差异试验装置，用于测量不同材料的接地体与模拟土壤之间的接触电阻率，如图1和图2所示，包括移动腔1，所述移动腔1的上表面设有带方形孔2的面板101，所述面板101下方的移动腔内设有电阻率测试装置3，如图2所示，所述面板101四周设有置物槽10和接线孔13，所述置物槽10包括接地体槽、铜板槽、电压表槽、电流表槽以及备用槽，可用于放置试验需要的器材，如接地体、铜板、电压表、电流表等，所述接线孔13供与第一接线端子402连接的导线穿过；所述移动腔1的底板上设有土壤倾泻口102，所述移动腔1的侧壁与所述土壤倾泻口102之间设有倾斜下料板103；所述移动腔1上方设有遮雨的透明防护盖12，可避免试验装置及试验器材受到外力或者恶略天气如雨水的损坏，所述移动腔1的底部设有两对滚轮104，方便试验装置随时移动；

所述电阻率测试装置3包括金属回流极4、接地体5、电压表、电流表和电源；如图3所示，所述金属回流极4包括半球形槽401和第一接线端子402，所述半球形槽401为直径在980～1000mm之间的镀锌钢半球形槽，所述半球形槽401内装有模拟土壤403，外侧面设有第一接线端子402，所述第一接线端子402下方的槽壁上对称设有球状凹槽404；

所述接地体5设置在所述金属回流极4的正中心，如图4和图5所示，包括金属半球体501和第二接线端子502，所述金属半球体501的直径为94～100mm，所述第二接线端子502的宽度为10～12mm、长度为48～50mm，所述第二接线端子502设置在所述金属半球体501的圆形平面中心，所述金属半球体501上包裹有石墨带503，所述石墨带503包裹在所述金属半球体501上，且下端通过铜板8和螺母螺栓套件9固定在所述第二接线端子502上；采用4极法将电流表、电压表、电源、第一接线端子402、第二接线端子502连接起来，如图7所示，采用内接法连接电压表、电流表和电源；

如图1所示，在所述移动腔1的壁上对称设有固定半球形槽401用的伸缩轴6和固定轴7，如图6所示，所述伸缩轴6包括套筒601、弹簧602和支撑轴603，固定所述伸缩轴6的移动腔1侧壁上设有通孔11，所述通孔11内设有内螺纹1101，所述套筒601外壁上设有与所述内螺纹1101配合使用的外螺纹604，所述套筒601穿过所述移动腔1固定在移动腔的侧壁上；所述支撑轴603一端为与球状凹槽404相匹配的弧面，另一端为平面，所述弹簧602的两端分别与套筒601的顶部和支撑轴603的平面一端固定连接，并将所述支撑轴603伸缩设置在所述套筒601内；所述固定轴7一端设置在移动腔1的内壁上，另一端为与球状凹槽404相匹配的弧面，所述伸缩轴6和固定轴7的弧面端通过插入半球形槽401上对称设置的球状凹槽404内，将所述半球形槽401固定在所述移动腔1内；弹簧602起到压紧支撑轴603的作用，可通过旋转套筒601来调节套筒601伸入移动腔1的长度，当需要拆卸金属回流极4时，可将套筒601向外转出至支撑轴603与球状凹槽404分离，当需要倾倒半球形槽401内的模拟土壤时，可将套筒601向外转出至弹簧602不再绷紧，转动半球形槽401将模拟土壤通过移动腔1下方的土壤倾泻口102倒出。

本发明的试验装置的使用方法如下：

掀开面板101，先将金属回流极4安装在移动1内：将伸缩轴6穿过移动腔1壁上的通孔11，使半球形槽401的第一接线端子402与移动腔1上的接线孔13在同一侧，压缩弹簧602，使支撑轴603和固定轴7分别对准半球形槽401的两个球状凹槽404，然后转动套筒601，将套筒601固定在移动腔1侧壁上的同时，也将半球形槽401通过弹簧602压紧固定在移动腔1内；

往半球形槽401内填充模拟土壤3，在半球形槽401的中心将接地体5上的金属半球体501埋在模拟土壤3里，将电流表、电压表、电源分别与第一接线端子402和第二接线端子502连接，其中第一接线端子402上的导线穿过接线孔13；

盖上面板101，盖上透明防护盖12，进行测试；测试完成后，将电流表、电压表、电源拆除，旋转套筒601使伸缩轴6与半球形槽401之间处于非压紧状态，在移动腔1下方设置收纳盒，然后转动半球形槽401将模拟土壤3沿着倾斜下料板103从土壤倾泻口102倒出至收纳盒中。

一种测试不同接地材料与土壤接触性能差异的方法，包括以下步骤：

(1)分别制作两个相同的半径为94～100mm的金属半球体，其中一个金属半球体上设置第二接线端子作为金属接地体A，如图4所示，另一个金属半球体上设置第二接线端子和石墨带作为石墨基柔性接地体B，如图5所示；

(2)将金属接地体A放置于金属回流极的正中间部位，在周围填入模拟土壤，振动实在，将电压表、电流表和电源与第一接地端子和第二接线端子连接好，采用伏安法测量并计算金属接地体A与模拟土壤的接触电阻值R^J _J1：

①采用4极法测量模拟土壤的电阻率，模拟土壤的电阻由式(1)进行计算：

式中：R₁——模拟土壤的电阻，Ω；

ρ——模拟土壤的电阻率，Ω·m；

D₂——金属回流极的内直径，m，本试验中D₂＝980～1000mm；

D₁——金属接地体A的直径，m，本试验中D₁＝94～100mm；

r₂——金属回流极的内半径，m，本试验中r₂＝470～500mm；

r₁——接地体的半径，m，本试验中r₁＝47～50mm；

②金属材料与模拟土壤的接触电阻R_J1为金属回流极以及金属接地体A与模拟土壤接触电阻之和，如式(2)：

上标H和J分别表示金属回流极和接地体。

③由试验过程中电压表和电流表测出的电压值U与电流值I，计算得出R，R_J1数值上等于每次测量的金属接地体模型(即采用金属接地体A)时的总电阻R减去模拟土壤的电阻R₁，如式(3)：

R_J1＝R-R₁……(3)

式中：R——金属接地体A每次试验测量得到的电阻值，Ω。

④金属接地体A与模拟土壤的接触电阻，以及金属回流极与模拟土壤的接触电阻可分别由式(4)和式(5)进行计算：

式中：S₁——金属接地体A与土壤的总接触面积，mm²；

S₂——金属回流极与土壤的总接触面积，mm²。

(3)将石墨基柔性接地体B放置于金属回流极的正中间部位，在周围填入模拟土壤，振动实在，将电压表、电流表和电源与第一接地端子和第二接线端子连接好，采用伏安法测量并计算石墨基柔性接地体B与模拟土壤中的电阻值R^S _J2：

每次测量石墨基柔性接地体模型(即采用石墨基柔性接地体B)时得到的电阻值R'减去模拟土壤电阻、金属回流极与模拟土壤的接触电阻，得到石墨基柔性接地体B与模拟土壤的接触电阻R^S _J2，如式(6)：

式中：R'——石墨基柔性接地体B每次试验测量得到的电阻值，Ω；

(4)比较步骤(2)中得到的R^J _J1、以及步骤(3)中得到的R^S _J2，由此得出金属接地体A与模拟土壤的接触电阻、石墨基柔性接地体B与模拟土壤的接触电阻的差别。

按照上述试验方法，使用直径为100mm的金属半球体、内直径为1000mm的金属回流极进行试验，记录试验数据如下：

表1试验记录表

根据公式(1)，计算得出，R₁＝2.865ρ＝58.93127Ω；

根据公式(3)，计算得出，R_J1＝R-R₁＝44.6611Ω；

根据公式(4)，计算得出，R^J _J1＝0.99R_J1＝44.21448Ω；

根据公式(5)，计算得出，R^H _J1＝0.01R_J1＝0.4421448Ω；

根据公式(6)，计算得出，R^S _J2＝R'-2.865ρ-0.99R_J1＝0.1455333Ω；

比较R^H _J1和R^S _J2，即可得出金属接地体A与模拟土壤的接触电阻、石墨基柔性接地体B与模拟土壤的接触电阻的差别。

以上显示和描述了本发明的主要特征、基本原理以及本发明的优点。本行业技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会根据实际情况有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种测试不同接地材料与土壤接触性能差异的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)分别制作两个相同的半径为94～100mm的金属半球体，其中一个金属半球体上设置第二接线端子作为金属接地体A，另一个金属半球体上设置第二接线端子和石墨带作为石墨基柔性接地体B；

(2)掀开面板，先将金属回流极通过伸缩轴与固定轴固定安装在移动腔内；

(3)将金属接地体A放置于金属回流极的正中间部位，在周围填入模拟土壤，振动实在，将电压表、电流表和电源与第一接地端子和第二接线端子连接好；

(4)盖上面板，盖上透明防护盖，对金属接地体A进行测试；

(5)采用伏安法测量并计算金属接地体A与模拟土壤的接触电阻值

①采用4极法测量模拟土壤的电阻率，模拟土壤的电阻由式(1)进行计算：

式中：R₁——模拟土壤的电阻，Ω；

ρ——模拟土壤的电阻率，Ω·m；

D₂——金属回流极的内直径，m，本试验中D₂＝980～1000mm；

D₁——金属接地体A的直径，m，本试验中D₁＝94～100mm；

r₂——金属回流极的内半径，m，本试验中r₂＝470～500mm；

r₁——金属接地体A的半径，m，本试验中r₁＝47～50mm；

②金属材料与模拟土壤的接触电阻R_J1为金属回流极以及金属接地体A与模拟土壤接触电阻之和，如式(2)：

上标H和J分别表示金属回流极和接地体；

③由试验过程中电压表和电流表测出的电压值U与电流值I，计算得出R，R_J1数值上等于每次测量的金属接地体A时的总电阻R减去模拟土壤的电阻R₁，如式(3)：

R_J1＝R-R₁……(3)

式中：R——金属接地体A每次试验测量得到的电阻值，Ω；

④金属接地体A与模拟土壤的接触电阻，以及金属回流极与模拟土壤的接触电阻可分别由式(4)和式(5)进行计算：

式中：S₁——金属接地体A与土壤的总接触面积，mm²；

S₂——金属回流极与土壤的总接触面积，mm²；

(6)打开面板，打开透明防护盖，更换石墨基柔性接地体B并进行测试；

(7)将石墨基柔性接地体B放置于金属回流极的正中间部位，在周围填入模拟土壤，振动实在，将电压表、电流表和电源与第一接地端子和第二接线端子连接好；

(8)盖上面板，盖上透明防护盖，对石墨基柔性接地体B进行测试；

(9)采用伏安法测量并计算石墨基柔性接地体B与模拟土壤中的电阻值

每次测量石墨基柔性接地体B时得到的电阻值R'减去模拟土壤电阻、金属回流极与模拟土壤的接触电阻，得到石墨基柔性接地体B与模拟土壤的接触电阻

如式(6)：

式中：R'——石墨基柔性接地体B每次试验测量得到的电阻值，Ω；

(10)测试完成后，将电流表、电压表、电源拆除，旋转套筒使伸缩轴与半球形槽之间处于非压紧状态；

(11)在移动腔下方设置收纳盒，转动半球形槽将模拟土壤沿着倾斜下料板从土壤倾泻口倒出至收纳盒中；

(12)比较步骤(5)中得到的

以及步骤(9)中得到的

由此得出金属接地体A与模拟土壤的接触电阻、石墨基柔性接地体B与模拟土壤的接触电阻的差别。

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