1、埋式光纜防雷設計中的土壤電阻率及其測量 中國通信建設北京咨詢設計二分公司 傅來芳 摘 要 本文先指出了直埋光纜遭受雷害的危險及雷害比較高的地點，從而介紹了雷暴日的意義、統計方法及選用敷設排流線的保護措施。重點介紹了土壤電阻率的物理特性、采用四點測量法的公式及測量方法。 關鍵詞 雷害 雷暴日 防雷線 土壤電阻率 引言 通信行業標準YD5137-2005本地通信線路工程設計規范和YD5102-2005長途通信光纜工程設計規范中，在光纜線路防雷一節規定：年平均雷暴日數大于20的地區，以及有雷擊歷史的地段，光纜線路應采取防雷保護措施。一、雷電對直埋光纜線路的危害 光纜受雷擊之害是眾所關心的，這是一個對

2、直埋式光纜和架空光纜都存在的實際問題。 事實證明，在雷暴多發的地區，雷電對于直埋光（電）纜線路的危害很大，特別是在20世紀九十年代以前，用對稱電纜、同軸電纜作為國家通信網的主干傳輸線路時，由于纜中的傳輸介質為導電材料，往往造成電纜線路的完全中斷或通信質量的明顯下降。九十年代以后，直埋光纜線路成作為各通信運營商構成通信網的主干傳輸線路，由于其光纜中的傳輸介質（光纖）為不導電材料，故雷電產生的電磁影響不會導致直接的傳輸質量劣化。但由于直埋式光纜，其纜型結構仍包含有金屬構件（如金屬加強心和金屬鎧裝護層等），這些金屬構件仍會受到雷電的影響。雷電到達地球表面引起光纜損害的基本機理有二：其一是熱效應，它是

3、由于電弧和雷電流通過金屬加強心和金屬鎧裝護層等金屬構件而進入大地的熱效應而引起燃燒、放電并使各種構件熔化。其二是擊壞護套，并使其變形，這是強烈沖擊的結果，有時稱之為氣錘效應，是雷擊大地路由中水分瞬間汽化沖擊到光纜所造成的。 雷擊大地時產生的電弧，會將位于電弧區內的光纜燒壞、結構變形、光纖碎斷。落雷地點產生的“喇叭口”狀地電位升高區，會使光纜的塑料外護套發生針孔擊穿等，土壤中的潮氣和水，將通過該針孔侵襲光纜的金屬護套或鎧裝，從而產生腐蝕，使光纜的壽命降低。 總之，無銅線光纜的通信線路，除直擊雷外，主要是雷擊針孔影響，也就是說，當光纜埋設處的雷擊地電位超過塑料護套的絕緣介質強度時，將發生針孔擊穿。

4、雷擊針孔雖不致立即阻斷光纜通信，但對光纜通信線路造成的潛在危害仍不應忽視。二、直埋光纜線路遭受雷害比較高的地點 依據工程經驗，下列地點可能是雷害事件發生概率比較高的地點，直埋光纜路由選擇時應有意識地避免下述地點：· 10米深處的土壤電阻率10發生突變的地方；· 在石山與水田、河流的交界處，礦藏邊界處，進山森林的邊界處，某些地質斷層地帶；· 面對廣闊水面的山岳向陽坡或迎風坡；· 較高或孤立的山頂；· 以往曾屢次發生雷害的地點。· 孤立桿塔及拉線，高聳建筑物及其接地保護裝置附近；· 以往曾屢次發生雷害的地點；· 年平均

5、雷暴日數大于20的地區，以及有雷擊歷史的地段。三、雷暴日的意義及統計方法雷暴是大氣中的放電現象，是伴有雷擊和閃電局部區域的對流天氣。雷暴的持續時間一般較短，單個雷暴的生命史一般不超過2小時。雷電活動的強度是因地區的不同而不同的。我國年平均雷暴日數分布大致可以分為4個區域：·西北地區一般在15日以下；·長江以北大部分地區雷暴日在1540日之間；·長江以南地區在40日以上；·北緯23度以南地區超過80日。海南島及雷州半島是我國雷電活動最劇烈的地區，年平均雷暴日數高達130日。總的說來，我國雷暴日數是南方多于北方；山區多于平原；潮濕地區多于干旱地區。雷暴多出現

6、在夏季和秋季，冬季只在我國南方偶有出現。雷暴日的意義：即以一年當中該地區有多少天發生耳朵能聽到雷鳴來表示該地區的雷電活動強弱。雷暴日的統計方法是只要在該日（24小時）內可以聽到清晰的雷暴聲即為一個雷暴日。中央氣象局地面氣象觀測規范中規定：· 雷暴閃電的出現與隨后而來的雷電之間的間隔不超過10S秒。· 遠雷暴閃電與隨后而來的雷聲之間的間隔超過10S秒；或僅聞雷聲而不見閃電。· 遠電遠處有閃電而聽不見雷聲的現象。雷暴日的統計包括第一項及第二項，把遠電排斥在統計之外。我國雷暴日的觀測與國際上是一致的。依據國際氣象組織（WMO）規定，氣候背景即氣候的平均狀況，以近30年（

7、19712000年）氣象資料的多年平均值（年數不少于10年）表示。有關雷暴日的確定，應依據光纜敷設地段或區域的當地氣象部門提供的有關數據確定。國家標準及建設部、水電部、公安部的8個標準，也是根據年平均雷暴日的多少，將雷電活動區分為少雷區、中雷區、多雷區和強雷區：· 少雷區為一年平均雷暴日數不超過15的地區；· 中雷區為一年平均雷暴日數在1540以內的地區；· 多雷區為一年平均雷暴日數在4090以內的地區；· 強雷區為一年平均雷暴日數超過90的地區；積累若干年的雷暴日數求得年平均雷暴日是直埋光（電）纜線路防雷保護的重要參考因素。在年平均雷暴日少的地區（例如

8、15天以下），一般可以不單獨考慮線路的防雷保護。四、埋式光纜線路的防雷保護措施 埋式光纜線路的防雷地段，應根據光纜敷設地段的平均雷暴日數、土壤電阻率，所用光纜的塑料護套的絕緣介質強度和地理環境等因素確定。防雷設計盡量做到既能保護光纜線路的安全，又符合節約投資的要求。 防雷線（也稱排流線）是埋式光纜線路防雷中的主要防護措施。其原理是利用防雷線對雷電流起分流的作用，因土壤中埋設防雷線后，等于改變了土壤成分，減小了土壤的電阻率。從而降低了雷電流在土壤中產生的壓降，故當防雷地區土壤電阻率較大時，可增加防雷線的直徑或根數。 防雷線的選材并不是從排流效率而主要是從防蝕角度考慮的，同時又要注意經濟上的合理性

9、。這是因為排流線的排流效果同材料的關系很小，實際上排流線的分流能力幾乎是由排流線路的感抗決定的。感抗主要同長度有關，也即線材不同對于排流效果的影響并不大，僅從分流作用來看，用鐵線或銅線都是一樣的。那么，用什么作排流線合適，就要看這種材料能否耐腐蝕了。銅線作為排流線用本身雖耐腐蝕，但同鐵線相比，價錢要貴得多，而且如不注意，一旦與其它金屬材料相連接，還可能造成該金屬物體迅速腐蝕，因此，實際上多采用鐵線作排流線用。在總截面積相等的情況下，多股鋼絞線又不如單一的鍍鋅鐵線好，后者更加耐腐蝕。正因為如此，現在多趨向于用一根直徑6毫米或8毫米的鍍鋅鐵線，只有在雷電活動特別強烈、土壤電阻率又甚高時，才考慮使用

10、兩根排流線。 排流線的理論較為復雜，有些機理至今尚不完全清楚，有待深入研究。盡管如此，實踐已證明，它在光（電）纜防雷上是比較有效的，不失為一種重要的防雷手段。 采用防雷線方式防止雷電的地段，應按下述原則布防單條或雙條防雷線。防雷線應布防在光纜上方30cm處，雙條防雷線間應保持10cm的距離。防雷線的連接處應采用重疊焊接方式。 無金屬線對、有金屬構件的埋式光纜線路防雷保護可選用下列措施。 防雷線的設置應符合下列原則：· 10 100 ·m的地段，可不設防雷線；· 10 為 100 ·m500 ·m的地段，設一條防雷線； · 10 500

11、 ·m的地段，設二條防雷線； · 防雷線的連續布放長度應不小于2Km。 當光纜在野外長途塑料管道中敷設時，可參照下列防雷線設置原則：· 10 100 ·m的地段，可不設防雷線；· 10 100·m的地段，設一條防雷線。 光纜接頭處兩側金屬構件不作電氣連通。 局站內的光纜金屬構件應接防雷地線。 雷害嚴重地段，光纜可采用非金屬加強芯或無金屬構件的結構形式。五、土壤電阻率 土壤電阻率（也稱大地電阻率）是土壤的一種基本物理特性，是土壤在單位體積內的正方體相對兩面間在一定電場作用下對電流的導電性能，換句話說，是一個單位立方體的對立面之間的電阻。

12、一般取每邊長為10mm的正立方體的電阻值為該土壤電阻率。以·m為單位。 在大多數情況下，測量數據表明，土壤電阻率a主要是深度z的函數。為便于表達，此函數可寫成如下式： a（z） （1）式中：a 土壤電阻率； z 深度。 函數（z）的特性一般說來不是簡單的，因而為分析測試數據，最好先建立一個能給出最優近似值的簡單的等值函數e。 土壤電阻率的影響因子有：土壤類型、含水量、含鹽量、溫度、土壤的緊密程度等化學和物理性質，同時土壤電阻率隨深度變化較橫向變化要大很多。因此，對測量數據的分析應進行相關的校正。在通信行業標準規范中只要求對接地裝置所在的上層（十米以內）土壤層進行測量，不考慮土壤電阻率

13、的深層變化。 土壤電阻率的測量方法有：土壤試樣法、三點法（深度變化法）、兩點法（西坡Shepard土壤電阻率測定法）、四點法等。要對大體積未翻動過的土壤進行土壤電阻率的測量，最準確的方法是四點法，四點法有兩種型式：即等距法或溫納（Wenner）法及非等距法或施倫貝格-巴莫（Schlumberger - Palmer）法。通常采用等距法。 采用等距測量法時，將鋼質接地棒的電極垂直打入被測土壤中，并呈一字型排列，打入深度均為b，兩鄰近接地棒間距均為a，則以a，b的單位表示的電阻率為 （2）式中： 表示土壤電阻率（是一種近似值），即該地區的土壤電阻系數（·m）； R 表示所測電阻，即接地電

14、阻測量儀的讀數（）； - 表示電極間距，即接地棒之間的距離（m），它等于所測土壤電阻率位置的深度； - 表示電極深度，即接地棒埋入深度（m）。 當測試電極入地深度不超過0.1 ，可假定0，則計算公式（2）可簡化為 2R （·米） （3） 土壤電阻率應在干燥季節或天氣晴朗多日后進行，因此土壤電阻率應是所測的土壤電阻率數據中最大的值，為此應按下列公式進行季節修正 0式中： 0 表示所測土壤電阻率； 表示季節修正系數，見表1 表1 根據土壤性質決定的季節修正系數表土壤性質 深度（m） 123粘土0.50.6321.5粘土0.8321.51.4陶土022.41.361.2砂礫蓋以陶土021.

15、81.21.1園地031.321.2黃沙022.41.561.2雜以黃沙的砂礫021.51.31.2泥炭021.41.11.0石灰石022.51.511.2 注： 1 表示在測量前數天下過較長時間的雨時選用： 2 表示在測量時土壤具有中等含水量時選用： 3 表示在測量時，可能為全年最高電阻，即土壤干燥或測量前降雨不大時選用。六、土壤電阻率的測量 下面以具有四個端子的ZC-8型接地電阻測試儀為例，簡要介紹土壤電阻率的測量方法。該測試儀既可以對光（電）纜線路中各種設備的接地電阻進行測試，也可以測量土壤電阻率。用ZC-8型接地電阻測試儀測量土壤電阻率連線示意如圖1所示在被測地點直線埋入地下四根電極（也稱輔助接地棒），極棒排列方向應與線路敷設方向垂直。棒間彼此相距米（一般為1015米），棒的埋入深度不應超過距離的1/20。 測試時先斷開儀表上P2、C2端子間的連接片，用引線按圖中所示依次連接相應四根電極。 測試時將儀表放置水平，當檢流計的指針不在中心線（紅線刻度）上時，應該先用零位調整器將其調整在零位。將“倍率標度”置于最大倍數，慢慢轉動儀表發電機搖把，同時旋動“測量標度盤”使檢流計的指針指于紅線。當檢流計的指針接近平衡時，加快轉動發電機搖把的速度為120r/min時，便產生98Hz的交流電流，調整“測量標度盤”使指針指于紅線上。如“測量標度盤”的讀數小于1時，應將