12.4.1 土壤的電阻率和導電性

大地包含了組成大地外殼的所有類型的土壤和巖石，它能傳導電流。象金屬導體一樣，土壤也有電阻和傳導電流的能力，其電阻大小和導電性能取決于它的物理特性和化學特性。當在橫截面均勻、材料單一的導體上施加電壓時，我們很容易就可以得到其電阻率和電阻值。但是，在處理大地的電流傳導時，由于大地相對于金屬導體來說，尺寸很大而且性質多變，對它的分析要復雜得多。

例如，實驗表明，濕度為10%的紅黏土的電阻率是濕度為20%的同種土壤的電阻率的30多倍。在濕度超過20%之后，電阻率受濕度變化的影響很低，其變化不超過20%，濕度降低時，電阻率的值迅速增加。如第12.2.4節所定義的那樣，土壤電阻率的單位為Ω·m，土壤導電率的單位為S/m。

表12.1 土壤電阻率

圖12.13 根據 [12.18]，鐵路線附近的土壤電阻率的棒形圖

一般類型的土壤，其電阻值基本都在表12.1里列出。圖12.3是德國6000km鐵路沿線的土壤電阻率的棒形圖 [12.18]。測量出的大部分數據都低于50Ω·m，其統計期望值為25Ω·m。[12.19]報告的是土壤導電率為3.7×10^-4的土壤，它的電阻率為27Ω·m，非常接近上述期望值25Ω·m。如果取后一個值，從式 (10.20) 可得出16.7Hz的交流系統的電流穿透深度為800m，50Hz的交流系統的電流穿透深度為450m。

圖12.14 接地測量儀的功能

測量不同深度土壤電阻率最常用的方法為四點法，也叫溫納法[12.20]，它使用接地電阻測試儀進行測量 [12.21] (圖12.14)。四點間有相同的間距a，取a=2，4，8，16，32m進行5次測量。每次測量時，都讓探針C1和C2間流過電流I，測量P1和P2之間的電壓。間距a越大，測量到的電阻率則適合更深的土壤，因為電流流到了更深的土壤層。探針C1和C2必須為圓柱形，而且比較短，這樣它們的電阻相對于土壤的電阻來說就會很高。

土壤電阻率ρE可由以下公式導出

其中a為探針間的距離，R_E為所記錄的電阻。

12.4.2 鋼軌-大地回路

12.4.2.1 概述

鋼軌是指列車在其上運行的線路和結構。它們被鋪設在道碴層上，或嵌入公路或混凝土結構中。嵌入部分是軌道的基礎，用于保持線路固定在規定位置。鋼軌和道碴的組合用一個合成詞——上部結構來表示。其上表面的高度限制，也就是結構的上水平面被稱為路基面。

線路的鋼軌和大地之間的電阻被稱為鋼軌對大地電阻。這個電阻值表示了鋼軌和大地之間的阻性耦合和電導耦合。其值取決于走行軌和大地之間的的上部結構的特性和條件。上部結構的基本特征為

—上部結構的類型，也就是說，采用的軌枕和軌道緊固件 (包括鋼軌和軌枕間的絕緣墊) 的類型;

—軌枕的墊層，也就是說是碎石或沙質道碴，還是將軌枕置于公路中，還是混凝土上，現在有的地方還將電車道的軌枕置入草地里。

如10.1.2中所述，從電氣工程的角度看，軌道埋人條件主要決定于：

—污染程度;

—氣候條件，如濕度，雨水和霧。

最近的測量表明，在夏季，單位長度漏泄電導為2.5～0.4S/km時，混凝土軌枕線路的軌對地電阻的特性變化范圍為0.4～2.5Ω·km。而在冬季，漏泄電導為0.67～0.06S/km時其變化范圍為1.5～17.5Ω·km [12.22]。

對混凝土軌枕線路上部結構的廣泛測量和分析研究表明，鋼軌對大地的電阻90%取決于軌枕和道碴的類型。其余10%由線路附近的下部結構和下部土壤決定 [12.22]。

最近，在正常運行和短路等不同狀態下所進行的軌對地電阻的測量表明，如果流向鋼軌并從鋼軌流入大地的電流是在牽引網絡可能發生的電流范圍之內，則軌對地電阻與該電流無關 [12.22]。這也意味著只要上部結構一定，阻性耦合與鐵路系統是直流供電還是交流供電無關。

單相交流系統中，軌對地阻抗是一個復合矢量，其角度范圍為1°～3° [12.23]。因此在實際的單相交流系統計算中，可忽略其很小的電抗分量，并假設其為純歐姆電阻。根據德國鐵路997標準 [12.9]，鋼軌之間的電阻是指軌道上兩條走行軌之間的軌對地電阻。要求軌條之間具有較高的電阻值，以保證軌道解鎖系統的可靠運行。鋼軌之間的電阻受鋼軌和底板之間的絕緣墊類型的影響。如果兩條走行軌的絕緣墊有著相同的電氣特性，從電氣工程的角度考慮，通常認為上部結構是對稱的。應通過安裝絕緣良好的絕緣墊來實現鋼軌之間的高電阻值。如果每條走行軌和軌枕之間的上部結構有著不同的絕緣特性，則它被稱為不對稱上部結構。

上面提到過的德國鐵路標準規定，如果是用于音頻軌道電路，則對稱上部結構的軌-軌電阻至少應為1.5Ω·km，不對稱上部結構的軌-軌電阻至少應為2.5Ω·km。

圖12.15所示為鋼軌和大地之間阻性耦合的模型電路。在這個模型中，用分散的電阻來表示鋼軌和大地之間、分布的或持續的單位長度縱向電阻R′T和單位長度漏泄電導Y′TE。按照已廣為接受的定義，假設電阻與土壤的各個連接點之間的土壤電阻為零。