大地的导电性

12.4.1 土壤的电阻率和导电性

大地包含了组成大地外壳的所有类型的土壤和岩石，它能传导电流。象金属导体一样，土壤也有电阻和传导电流的能力，其电阻大小和导电性能取决于它的物理特性和化学特性。当在横截面均匀、材料单一的导体上施加电压时，我们很容易就可以得到其电阻率和电阻值。但是，在处理大地的电流传导时，由于大地相对于金属导体来说，尺寸很大而且性质多变，对它的分析要复杂得多。

例如，实验表明，湿度为10%的红黏土的电阻率是湿度为20%的同种土壤的电阻率的30多倍。在湿度超过20%之后，电阻率受湿度变化的影响很低，其变化不超过20%，湿度降低时，电阻率的值迅速增加。如第12.2.4节所定义的那样，土壤电阻率的单位为Ω·m，土壤导电率的单位为S/m。

表12.1 土壤电阻率

图12.13 根据 [12.18]，铁路线附近的土壤电阻率的棒形图

一般类型的土壤，其电阻值基本都在表12.1里列出。图12.3是德国6000km铁路沿线的土壤电阻率的棒形图 [12.18]。测量出的大部分数据都低于50Ω·m，其统计期望值为25Ω·m。[12.19]报告的是土壤导电率为3.7×10^-4的土壤，它的电阻率为27Ω·m，非常接近上述期望值25Ω·m。如果取后一个值，从式 (10.20) 可得出16.7Hz的交流系统的电流穿透深度为800m，50Hz的交流系统的电流穿透深度为450m。

图12.14 接地测量仪的功能

测量不同深度土壤电阻率最常用的方法为四点法，也叫温纳法[12.20]，它使用接地电阻测试仪进行测量 [12.21] (图12.14)。四点间有相同的间距a，取a=2，4，8，16，32m进行5次测量。每次测量时，都让探针C1和C2间流过电流I，测量P1和P2之间的电压。间距a越大，测量到的电阻率则适合更深的土壤，因为电流流到了更深的土壤层。探针C1和C2必须为圆柱形，而且比较短，这样它们的电阻相对于土壤的电阻来说就会很高。

土壤电阻率ρE可由以下公式导出

其中a为探针间的距离，R_E为所记录的电阻。

12.4.2 钢轨-大地回路

12.4.2.1 概述

钢轨是指列车在其上运行的线路和结构。它们被铺设在道碴层上，或嵌入公路或混凝土结构中。嵌入部分是轨道的基础，用于保持线路固定在规定位置。钢轨和道碴的组合用一个合成词——上部结构来表示。其上表面的高度限制，也就是结构的上水平面被称为路基面。

线路的钢轨和大地之间的电阻被称为钢轨对大地电阻。这个电阻值表示了钢轨和大地之间的阻性耦合和电导耦合。其值取决于走行轨和大地之间的的上部结构的特性和条件。上部结构的基本特征为

—上部结构的类型，也就是说，采用的轨枕和轨道紧固件 (包括钢轨和轨枕间的绝缘垫) 的类型;

—轨枕的垫层，也就是说是碎石或沙质道碴，还是将轨枕置于公路中，还是混凝土上，现在有的地方还将电车道的轨枕置入草地里。

如10.1.2中所述，从电气工程的角度看，轨道埋人条件主要决定于：

—污染程度;

—气候条件，如湿度，雨水和雾。

最近的测量表明，在夏季，单位长度漏泄电导为2.5～0.4S/km时，混凝土轨枕线路的轨对地电阻的特性变化范围为0.4～2.5Ω·km。而在冬季，漏泄电导为0.67～0.06S/km时其变化范围为1.5～17.5Ω·km [12.22]。

对混凝土轨枕线路上部结构的广泛测量和分析研究表明，钢轨对大地的电阻90%取决于轨枕和道碴的类型。其余10%由线路附近的下部结构和下部土壤决定 [12.22]。

最近，在正常运行和短路等不同状态下所进行的轨对地电阻的测量表明，如果流向钢轨并从钢轨流入大地的电流是在牵引网络可能发生的电流范围之内，则轨对地电阻与该电流无关 [12.22]。这也意味着只要上部结构一定，阻性耦合与铁路系统是直流供电还是交流供电无关。

单相交流系统中，轨对地阻抗是一个复合矢量，其角度范围为1°～3° [12.23]。因此在实际的单相交流系统计算中，可忽略其很小的电抗分量，并假设其为纯欧姆电阻。根据德国铁路997标准 [12.9]，钢轨之间的电阻是指轨道上两条走行轨之间的轨对地电阻。要求轨条之间具有较高的电阻值，以保证轨道解锁系统的可靠运行。钢轨之间的电阻受钢轨和底板之间的绝缘垫类型的影响。如果两条走行轨的绝缘垫有着相同的电气特性，从电气工程的角度考虑，通常认为上部结构是对称的。应通过安装绝缘良好的绝缘垫来实现钢轨之间的高电阻值。如果每条走行轨和轨枕之间的上部结构有着不同的绝缘特性，则它被称为不对称上部结构。

上面提到过的德国铁路标准规定，如果是用于音频轨道电路，则对称上部结构的轨-轨电阻至少应为1.5Ω·km，不对称上部结构的轨-轨电阻至少应为2.5Ω·km。

图12.15所示为钢轨和大地之间阻性耦合的模型电路。在这个模型中，用分散的电阻来表示钢轨和大地之间、分布的或持续的单位长度纵向电阻R′T和单位长度漏泄电导Y′TE。按照已广为接受的定义，假设电阻与土壤的各个连接点之间的土壤电阻为零。