埋式光缆设计中土壤电阻率及其测量

埋式光缆防雷设计中的土壤电阻率及其测量中国通信建设北京咨询设计二分公司傅来芳摘要本文先指出了直埋光缆遭受雷害的危险及雷害比较高的地点，从而介绍了雷暴日的意义、统计方法及选用敷设排流线的保护措施。

重点介绍了土壤电阻率ρ的物理特性、采用四点测量法的公式及测量方法。

关键词雷害雷暴日防雷线土壤电阻率引言通信行业标准YD5137-2005《本地通信线路工程设计规范》和YD5102-2005《长途通信光缆工程设计规范》中，在光缆线路防雷一节规定：年平均雷暴日数大于20的地区，以及有雷击历史的地段，光缆线路应采取防雷保护措施。

一、雷电对直埋光缆线路的危害光缆受雷击之害是众所关心的，这是一个对直埋式光缆和架空光缆都存在的实际问题。

事实证明，在雷暴多发的地区，雷电对于直埋光（电）缆线路的危害很大，特别是在20世纪九十年代以前，用对称电缆、同轴电缆作为国家通信网的主干传输线路时，由于缆中的传输介质为导电材料，往往造成电缆线路的完全中断或通信质量的明显下降。

九十年代以后，直埋光缆线路成为各通信运营商构成通信网的主干传输线路，由于光缆中的传输介质（光纤）为不导电材料，故雷电产生的电磁影响不会导致直接的传输质量劣化。

但由于直埋式光缆，其缆型结构仍包含有金属构件（如金属加强心和金属铠装护层等），这些金属构件仍会受到雷电的影响。

雷电到达地球表面引起光缆损害的基本机理有二：其一是热效应，它是由于电弧和雷电流通过金属加强心和金属铠装护层等金属构件而进入大地的热效应而引起燃烧、放电并使各种构件熔化。

其二是击坏护套，并使其变形，这是强烈冲击的结果，有时称之为气锤效应，是雷击大地路由中水分瞬间汽化冲击到光缆所造成的。

雷击大地时产生的电弧，会将位于电弧区内的光缆烧坏、结构变形、光纤碎断。

落雷地点产生的“喇叭口”状地电位升高区，会使光缆的塑料外护套发生针孔击穿等，土壤中的潮气和水，将通过该针孔侵袭光缆的金属护套或铠装，从而产生腐蚀，使光缆的寿命降低。

总之，无铜线光缆的通信线路，除直击雷外，主要是雷击针孔影响，也就是说，当光缆埋设处的雷击地电位超过塑料护套的绝缘介质强度时，将发生针孔击穿。

雷击针孔虽不致立即阻断光缆通信，但对光缆通信线路造成的潜在危害仍不应忽视。

二、直埋光缆线路遭受雷害比较高的地点依据工程经验，下列地点可能是雷害事件发生概率比较高的地点，直埋光缆路由选择时应有意识地避免下述地点：10米深处的土壤电阻率ρ10发生突变的地方；在石山与水田、河流的交界处，矿藏边界处，进山森林的边界处，某些地质断层地带；面对广阔水面的山岳向阳坡或迎风坡；较高或孤立的山顶；以往曾屡次发生雷害的地点。

孤立杆塔及拉线，高耸建筑物及其接地保护装置附近；以往曾屡次发生雷害的地点；年平均雷暴日数大于20的地区，以及有雷击历史的地段。

三、雷暴日的意义及统计方法雷暴是大气中的放电现象，是伴有雷击和闪电局部区域的对流天气。

雷暴的持续时间一般较短，单个雷暴的生命史一般不超过2小时。

雷电活动的强度是因地区的不同而不同的。

我国年平均雷暴日数分布大致可以分为4个区域：西北地区一般在15日以下；长江以北大部分地区雷暴日在15～40日之间；长江以南地区在40日以上；北纬23度以南地区超过80日。

海南岛及雷州半岛是我国雷电活动最剧烈的地区，年平均雷暴日数高达130日。

总的说来，我国雷暴日数是南方多于北方；山区多于平原；潮湿地区多于干旱地区。

雷暴多出现在夏季和秋季，冬季只在我国南方偶有出现。

雷暴日的意义：即以一年当中该地区有多少天发生耳朵能听到雷鸣来表示该地区的雷电活动强弱。

雷暴日的统计方法是只要在该日（24小时）内可以听到清晰的雷暴声即为一个雷暴日。

中央气象局《地面气象观测规范》中规定：雷暴——闪电的出现与随后而来的雷电之间的间隔不超过10S 〔秒〕。

远雷暴—闪电与随后而来的雷声之间的间隔超过10S〔秒〕；或仅闻雷声而不见闪电。

远电——远处有闪电而听不见雷声的现象。

雷暴日的统计包括第一项及第二项，把远电排斥在统计之外。

我国雷暴日的观测与国际上是一致的。

依据国际气象组织（WMO）规定，气候背景即气候的平均状况，以近30年（1971～2000年）气象资料的多年平均值（年数不少于10年）表示。

有关雷暴日的确定，应依据光缆敷设地段或区域的当地气象部门提供的有关数据确定。

国家标准及建设部、水电部、公安部的8个标准，也是根据年平均雷暴日的多少，将雷电活动区分为少雷区、中雷区、多雷区和强雷区：少雷区为一年平均雷暴日数不超过15的地区；中雷区为一年平均雷暴日数在15～40以内的地区；多雷区为一年平均雷暴日数在40～90以内的地区；强雷区为一年平均雷暴日数超过90的地区；积累若干年的雷暴日数求得年平均雷暴日是直埋光（电）缆线路防雷保护的重要参考因素。

在年平均雷暴日少的地区（例如15天以下），一般可以不单独考虑线路的防雷保护。

四、埋式光缆线路的防雷保护措施埋式光缆线路的防雷地段，应根据光缆敷设地段的平均雷暴日数、土壤电阻率，所用光缆的塑料护套的绝缘介质强度和地理环境等因素确定。

防雷设计尽量做到既能保护光缆线路的安全，又符合节约投资的要求。

防雷线（也称排流线）是埋式光缆线路防雷中的主要防护措施。

其原理是利用防雷线对雷电流起分流的作用，因土壤中埋设防雷线后，等于改变了土壤成分，减小了土壤的电阻率。

从而降低了雷电流在土壤中产生的压降，故当防雷地区土壤电阻率较大时，可增加防雷线的直径或根数。

防雷线的选材并不是从排流效率而主要是从防蚀角度考虑的，同时又要注意经济上的合理性。

这是因为排流线的排流效果同材料的关系很小，实际上排流线的分流能力几乎是由排流线路的感抗决定的。

感抗主要同长度有关，也即线材不同对于排流效果的影响并不大，仅从分流作用来看，用铁线或铜线都是一样的。

那么，用什么作排流线合适，就要看这种材料能否耐腐蚀了。

铜线作为排流线用本身虽耐腐蚀，但同铁线相比，价钱要贵得多，而且如不注意，一旦与其它金属材料相连接，还可能造成该金属物体迅速腐蚀，因此，实际上多采用铁线作排流线用。

在总截面积相等的情况下，多股钢绞线又不如单一的镀锌铁线好，后者更加耐腐蚀。

正因为如此，现在多趋向于用一根直径6毫米或8毫米的镀锌铁线，只有在雷电活动特别强烈、土壤电阻率又甚高时，才考虑使用两根排流线。

排流线的理论较为复杂，有些机理至今尚不完全清楚，有待深入研究。

尽管如此，实践已证明，它在光（电）缆防雷上是比较有效的，不失为一种重要的防雷手段。

采用防雷线方式防止雷电的地段，应按下述原则布防单条或双条防雷线。

防雷线应布防在光缆上方30cm处，双条防雷线间应保持10cm 的距离。

防雷线的连接处应采用重叠焊接方式。

无金属线对、有金属构件的埋式光缆线路防雷保护可选用下列措施。

1、防雷线的设置应符合下列原则：⑴ρ10＜ 100 Ω·m的地段，可不设防雷线；⑵ρ10为 100 Ω·m ～500 Ω·m的地段，设一条防雷线；⑶ρ10 ＞ 500 Ω·m的地段，设二条防雷线；⑷防雷线的连续布放长度应不小于2Km。

2、当光缆在野外长途塑料管道中敷设时，可参照下列防雷线设置原则：⑴ρ10＜ 100 Ω·m的地段，可不设防雷线；⑵ρ10 ≥ 100Ω·m的地段，设一条防雷线。

3、光缆接头处两侧金属构件不作电气连通。

4、局站内的光缆金属构件应接防雷地线。

5、雷害严重地段，光缆可采用非金属加强芯或无金属构件的结构形式。

五、土壤电阻率ρ土壤电阻率（也称大地电阻率）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，换句话说，是一个单位立方体的对立面之间的电阻。

一般取每边长为10mm的正立方体的电阻值为该土壤电阻率ρ。

以Ω·m 为单位。

在大多数情况下，测量数据表明，土壤电阻率ρa主要是深度z 的函数。

为便于表达，此函数可写成如下式：ρa＝φ（z） (1)式中：ρ a — 土壤电阻率；z — 深度。

函数φ（z ）的特性一般说来不是简单的，因而为分析测试数据，最好先建立一个能给出最优近似值的简单的等值函数φe 。

土壤电阻率的影响因子有：土壤类型、含水量、含盐量、温度、土壤的紧密程度等化学和物理性质，同时土壤电阻率随深度变化较横向变化要大很多。

因此，对测量数据的分析应进行相关的校正。

在通信行业标准规范中只要求对接地装置所在的上层（十米以内）土壤层进行测量，不考虑土壤电阻率的深层变化。

土壤电阻率的测量方法有：土壤试样法、三点法（深度变化法）、两点法（西坡Shepard 土壤电阻率测定法）、四点法等。

要对大体积未翻动过的土壤进行土壤电阻率的测量，最准确的方法是四点法，四点法有两种型式：即等距法或温纳（Wenner ）法及非等距法或施伦贝格-巴莫（Schlumberger - Palmer ）法。

通常采用等距法。

采用等距测量法时，将钢质接地棒的电极垂直打入被测土壤中，并呈一字型排列，打入深度均为b ，两邻近接地棒间距均为a ，则以a ，b 的单位表示的电阻率ρ为ρ＝ ）（22224214b a a b a aaR +-++π ………………………… （2） 式中：ρ— 表示土壤电阻率（是一种近似值），即该地区的土壤电阻系数（Ω·m ）；R — 表示所测电阻，即接地电阻测量仪的读数（Ω）； a -- 表示电极间距，即接地棒之间的距离（m ），它等于所测土壤电阻率位置的深度；b -- 表示电极深度，即接地棒埋入深度（m ）。

当测试电极入地深度b 不超过0.1 a ，可假定b ＝0，则计算公式（2）可简化为ρ＝2πa R （Ω.米） (3)土壤电阻率应在干燥季节或天气晴朗多日后进行，因此土壤电阻率应是所测的土壤电阻率数据中最大的值，为此应按下列公式进行季节修正ρ＝ψρ0式中：ρ0—表示所测土壤电阻率；ψ—表示季节修正系数，见表1表1 根据土壤性质决定的季节修正系数表土壤性质深度（m）ψ1 ψ2ψ3粘土0.5～0.6 3 2 1.5 粘土0.8～3 2 1.5 1.4 陶土0～2 2.4 1.36 1.2砂砾盖以陶土0～2 1.8 1.2 1.1 园地0～3 1.32 1.2 黄沙0～2 2.4 1.56 1.2杂以黄沙的砂砾0～2 1.5 1.3 1.2 泥炭0～2 1.4 1.1 1.0 石灰石0～2 2.5 1.51 1.2 注：ψ 1 表示在测量前数天下过较长时间的雨时选用：ψ 2 表示在测量时土壤具有中等含水量时选用：ψ3表示在测量时，可能为全年最高电阻，即土壤干燥或测量前降雨不大时选用力。

六、土壤电阻率ρ的测量下面以具有四个端子的ZC-8型接地电阻测试仪为例，简要介绍土壤电阻率的测量方法。

该测试仪既可以对光（电）缆线路中各种设备的接地电阻进行测试，也可以测量土壤电阻率。