接地電阻受氣象因素影響的特性分析

郭在華， 向亞飛， 李良福， 覃彬全

(1.成都信息工程大學電子工程學院，四川成都610225;2.重慶市氣象局，重慶401147)

0 引言

在現代防雷工程設計、施工和驗收中，接地是主要工作。接地的目的是確保電力系統安全運行、確保人身安全等。接地功能通過接地裝置或接地系統來實現，工頻短路電流或雷電流最終都將通過接地裝置引入地下。所以完善的接地裝置是保證保護對象防雷安全的關鍵。而接地電阻是直接反映接地裝置接地效果是否良好的重要指標，接地裝置要求其接地電阻越小越好［1-3］。因此降低接地電阻也成了一項重要的工作。目前常用的降低接地電阻的方法是使用降阻劑對局部土壤進行理化處理，提高接地裝置周圍地區土壤的導電性［4］。眾多學者對于降阻劑的研究主要是研究降阻劑的降阻機理和降阻劑的性能;研究降阻劑在使用過程中對接地體的腐蝕、接地電阻降阻穩定性、降阻效果、降阻劑對環境的污染等方面技術。但是，對于固定土質使用降阻劑之后接地電阻的長期實時連續變化數據的觀測，以及接地電阻與天氣變化的關系分析的研究還很欠缺。

國內外專家學者針對接地電阻做了大量的研究，如M.Kizhlo等［5］分析了單一層土壤接地電阻某一周期時間段內的值與溫度、濕度等的相關性，得到了接地電阻與各因素的相關關系以及定期檢測接地電阻的結論;吳云清［6］根據從化地區觀測數據擬合了接地電阻與溫度等的關系方程;陳銳等［7］分析了特定深度土壤接地電阻與降水的關系，得出了降水時間和降水量是影響接地電阻恢復到降水前值的主要因素的結論。其他還包括土壤含水量［8-10］、溫度［11-12］等對接地電阻的影響研究。

已有的研究成果大多分析的是單一土壤層接地電阻與氣象因素的關系，或者單一氣象因素與接地電阻的關系，基于此，根據對使用降阻劑的土壤的接地電阻一年的觀測數據，定量分析了不同深度土壤層接地裝置接地電阻的變化特征及其與各氣象因素的相關關系。這對設計和改善接地裝置、對后續降阻劑的使用有著重要的指導意義，同時也是對降阻劑的穩定性和長效性的有效檢測。

1 數據來源與分析方法

分析所用數據來源于2012年4月～2013年3月對重慶市歌樂山氣象觀測場接地電阻和溫度等的監測，該地區無凍土情況存在。接地電阻測量采用多功能土壤電阻率與接地電阻監測系統［13］。測試方案示意圖如圖1所示，在觀測場布置1臺多功能土壤電阻率監測儀，接地極統一材質和尺寸，接地極E1～E5埋深分別為0.2 m、0.4 m、0.8 m、1.6 m和2.4 m，極間距如圖1所示。試驗監測系統監測儀采用的測量原理是基于三極直線法的分層測試技術，能同時監測5個不同深度土壤層的土壤電阻率和接地電阻值。系統能長期連續地監測多地點、多層次的土壤電阻率和接地電阻變化情況，可任意設置采樣時間間隔，具有成本低、測試方便快捷、數據傳輸靈活、高度智能化等特點。

圖1 觀測場示意圖

根據歌樂山氣象站接地電阻和氣象因素資料，對敷設降阻劑后不同深度土壤接地電阻的變化規律進行了統計分析，并利用溫度、濕度、氣壓、風速和雨量數據和pearson［14］相關系數分析方法，分別定量分析了各氣象因素與接地電阻的相關關系。

2 監測數據分析

2．1 接地電阻總體分布特征

根據觀測場測試站點對接地電阻的每小時監測數據，統計分析了不同深度接地裝置在敷設降阻劑之后接地電阻的變化與分布特征，同時列出了各層接地電阻的平均值、變化幅度和變化率，如表1所示。分析表明:接地裝置接地電阻總體變化規律為隨著深度增加，接地電阻平均值呈波動減小，接地電阻平均值變化幅度減小，變化率呈波動增加。

表1 各層接地電阻變化規律

2．2 接地電阻季節(月)變化特征

不同季節接地裝置接地電阻季節變化曲線如圖2所示。由圖可知，0.2 m層接地電阻值四季變化范圍為13.28 ～16.30 Ω，其中秋季平均值13.28 Ω，冬季平均值16.30 Ω;0.4 m層接地電阻值四季變化范圍為12.36 ～15.64 Ω，其中秋季平均值12.36 Ω，冬季平均值15.64 Ω;0.8 m層接地電阻值四季變化范圍為12.65 ～15.43 Ω，其中秋季平均值12.65 Ω，冬季平均值15.43 Ω;1.6 m層接地電阻值四季變化范圍為4.99～7.39 Ω，其 中秋季平 均 值 為 4.99 Ω，春 季 平 均 值7.39 Ω;2.4 m層接地電阻值四季變化范圍為2.45～5.14 Ω，其中秋季平均值2.45 Ω，春季平均值5.14 Ω。

圖2 接地電阻季節變化曲線圖

不同深度土壤層接地裝置接地電阻的月變化曲線如圖3所示。由圖可知，0.2 m層接地電阻月平均值分布在12.29～18.28 Ω，最小值出現在9月，最大值出現在3月;0.4 m層接地電阻月平均值分布在11.47～16.87 Ω，最小值出現在9月，最大值出現在3月;0.8 m層接地電阻月平均值分布在11.53～16.00 Ω，最小值出現在9月，最大值出現在1月;1.6 m層接地電阻月平均值分布在4.73～7.83 Ω，最小值出現在10月，最大值出現在4月;2.4 m層接地電阻月平均值分布在2.34～5.42 Ω，最小值出現在10月，最大值出現在4月。

圖3 接地電阻月變化曲線圖(橫坐標為2012.04～2013.03)

分析表明:接地裝置接地電阻值具有明顯的季節變化特征。各層接地電阻最小值均出現在秋季9～10月，最大值除0.8 m層出現在冬季的1月外，其余層均出現在3～4月。該地區接地裝置接地電阻值季節變化總體趨勢為春季到秋季逐漸減小，4月至10月逐漸減小，10月至來年3月逐漸增大;土壤淺層(0.2 m、0.4 m、0.8 m)接地電阻最小值出現在秋季，最大值出現在冬季，土壤深層(1.6 m、2.4 m)接地電阻最小值出現在秋季，最大值出現在春季。

2．3 接地電阻與各氣象因素的關系

根據測量數據的月平均值、日平均值，利用數據分析工具［14］分別做出了月平均接地電阻值與各氣象要素(溫度、濕度和雨量)月平均值的關系曲線、日平均接地電阻值與各氣象要素日平均值的相關系數表。分析了接地電阻受各氣象因素影響的變化特征。氣壓和風速對接地電阻的影響很小，所以不做具體分析。

2.3.1 接地電阻與溫度的關系分析

由圖4月平均接地電阻值與月平均溫度數據關系曲線圖可知，接地電阻與溫度的月變化存在階段性特征，4～7月，月平均電阻隨著溫度的升高而降低;7～8月，月平均電阻隨著溫度升高而升高;8～9月，月平均電阻隨著溫度降低而降低;9月～次年1月，月平均電阻值隨著溫度降低而升高;2～3月，月平均電阻值隨著溫度升高而波動升高。這表明:溫度和其他因素共同對接地電阻的月變化產生影響，在雨季(5～9月)尤為突出;而在4～5月、10月～次年2月，兩者呈現典型的負相關性，即在此時間段內月平均溫度是影響月平均接地電阻的主要因素。

圖4 接地電阻與溫度月變化曲線圖(橫坐標為2012.04～2013.03)

表2列出了日平均接地電阻值與日平均溫度的相關系數。由表中數據可知，不同深度土壤層日平均接地電阻值與日平均溫度值的簡單相關性都呈現顯著負相關，都通過了置信度99%的顯著水平檢驗。在消除其它因素影響的條件下，各層日平均接地電阻值與日平均溫度值的偏相關性也都呈現顯著負相關，都通過了置信度99%的顯著水平檢驗。此外，除0.4 m層和2.4 m層的日偏相關系數比日簡單相關系數小外，其它層偏相關系數都比簡單相關系數大。分析表明:無論有沒有其他氣象要素參與對接地電阻的影響，溫度對表層土壤接地電阻存在顯著影響;不同土壤層的日平均接地電阻與日平均溫度存在負相關關系。

表2 接地電阻與溫度相關系數

2.3.2 接地電阻與濕度的關系分析

圖5是月平均接地電阻與月平均濕度數據的關系曲線圖。由圖可知，對于0.2 m、0.4 m和0.8 m層，兩者變化具有明顯的階段性特征，但都呈現負相關，即月平均電阻隨著濕度升高而降低，隨著濕度降低而升高;對于1.6 m和2.4 m層，兩者的變化特征比較復雜，相關性也有正有負。這種階段變化特征表明:月平均電阻值的變化是濕度和其它因素共同作用的結果。

圖5 接地電阻值與濕度月變化曲線圖(橫坐標為2012.04～2013.03)

表3 接地電阻與濕度相關系數

日平均接地電阻與日平均濕度的相關系數見表3所示。不同深度土壤層日平均接地電阻值與日平均濕度值的簡單相關性都呈現負相關，除2.4 m層外其他層簡單相關系數都通過了置信度99%的顯著水平檢驗;在消除其它因素影響的條件下，其偏相關都是負相關，除2.4 m層外都通過了置信度99%的顯著水平檢驗。這表明:濕度與接地電阻的相關性為負相關，即隨著日平均濕度的增加，日平均接地電阻隨著減小。這也證實了劉靖國［15］有關于接地電阻與濕度變化關系的結論。

2.3.3 接地電阻與降水的關系分析

何金良等［16-17］分析了月平均電阻與月降水量的關系，文中分析的是月平均接地電阻與月平均降水量的關系(圖6)。由圖可知，在雨季，5～7月雨量是減小趨勢，7～9月雨量是增加趨勢，對應時間段內的月平均電阻值變化復雜，有增有減。在非雨季，2012年4～5月、2013年1～2月月平均電阻值隨著月平均降水的增加而減小，2012年9月至2013年1月、2013年2～3月月平均電阻值隨著降水的減少而增加。這表明:降水是影響接地電阻發生變化的敏感因素，在少雨季節兩者的相關性表現為負相關，在多雨季節則較為復雜。同時，由文獻［16］可知降水對土壤電阻特性的影響主要體現在降水量和降水持續時間兩方面，因此月平均降水量對接地電阻的影響效果相對沒那么顯著。

圖6 接地電阻值與降水月變化曲線圖(橫坐標為2012.04～2013.03)

從日平均降水量和日平均接地電阻的相關系數統計結果(表4)來看，兩者的相關性以負相關為主，其簡單相關系數除1.6 m層外都通過了顯著水平檢驗，但在控制其他因素的條件下，日平均雨量與接地電阻的偏相關系數只有0.8 m層通過了置信度95%的顯著水平檢驗。并且簡單相關系數都大于偏相關系數。這表明:在其他因素協同作用下日平均降雨量對接地電阻的影響效果比沒有其他協同因素作用的影響效果更顯著，即降雨量對接地電阻的影響顯著性需要其他協同因素的作用。

表4 接地電阻與降水相關系數

3 接地電阻與各氣象因素的回歸分析

根據接地電阻與氣象因素的監測數據，建立氣象因素對接地電阻影響的多元線性回歸數學模型。利用SPSS分析軟件對接地電阻與氣象因素的監測數據進行多元線性回歸分析，探討氣象因素相互作用對接地電阻的影響機理。表5列出各層接地電阻與氣象因素月平均值的回歸模型。由表5可知，不同深度土壤層的月平均接地電阻實際值與預測值之間的簡單相關系數R＞0.8，回歸模型的判定系數和和調整決定系數R2和Radj2＞0.6，即依據月平均氣象因素建立不同深度月平均接地電阻的回歸模型計算不同深度土壤層月平均接地電阻與實際值差異較小，因此可用該模型來初步估計不同土壤層的月平均接地電阻值。

表5 月平均接地電阻與月平均氣象因素的回歸模型

表6列出了基于日平均數據的回歸模型。由表6可知，不同深度土壤層的月平均接地電阻實際值與預測值之間的簡單相關系數R在0.523～0.693，回歸模型的判定系數 R2在0.274～0.480，調整決定系數Radj2在0.261～0.472，即依據日平均氣象因素建立不同深度日平均接地電阻的回歸模型計算不同深度土壤層日平均接地電阻與實際值差異較大，因此該模型不可用。這主要原因在于氣象因素是間接因素，它是通過影響土壤溫度和含水量來改變接地電阻值。

表6 日平均接地電阻與日平均氣象因素的回歸模型

分析表明:月平均氣溫是月平均氣象因素對月平均接地電阻影響的回歸模型中的重要因素，依據月平均氣象因素建立不同深度月平均接地電阻的回歸模型可用來初步估計各層的月平均接地電阻值;同樣，日平均氣溫是日平均氣象因素對日平均接地電阻影響的回歸模型中的重要因素，但通過日平均數據建立的回歸模型計算值與實際值差異較大，因此以日平均數據建立的模型不可用。通過以上分析可知，月平均降水量、日平均降水量在各自模型中所占影響比重相對較小，主要原因在于降水對土壤電阻的影響體現在降水總量和降水持續時間兩方面。

根據月平均數據建立的回歸模型計算結果與測量結果的對比分析(圖7)，并結合相對誤差的計算發現:各層的計算值與測量值的平均相對誤差分別為:2.62%、1.58%、1.25%、3.14%、7.53%。相對誤差較小，進一步說明依據月平均氣象因素建立不同深度月平均接地電阻的回歸模型的可用性。

圖7 測量值與計算值的對比曲線圖(橫坐標為2012.04～2013.03)

4 結論

通過對使用降阻劑土壤的接地電阻一年數據的監測，分析總結了不同深度土壤層接地電阻受氣象因素影響的變化特征，得到如下結論。

不同深度土壤層接地裝置接地電阻的總體變化趨勢為:隨著土壤深度的增加，各層接地電阻平均值呈波動減小，變化幅度減小，變化率呈波動增加。

各層接地裝置接地電阻變化具有明顯的季節特征。各層的接地電阻季節平均值最小值都出現在秋季，(0.2 m、0.4 m、0.8 m)層的接地電阻季節平均值最大值出現在冬季，(1.6 m、2.4 m)層的接地電阻季節平均值最大值出現在春季。各層接地電阻月平均值最小值均出現在9～10月，0.2 m、0.4 m層月平均最大值出現在2012年4月，0.8 m層月平均最大值出現在2013年1月，1.6 m、2.4 m層月平均最大值出現在2013年3月。

以月為時間尺度，不同深度土壤層的月平均接地電阻發生變化是各因素共同作用的結果，其中，月平均溫度和月平均降水量是主要影響因素，雨季以月平均降水量影響為主，非雨季以月平均溫度影響為主;以日為時間尺度，不同深度土壤層的日平均接地電阻發生變化同樣是各因素共同作用的結果，其中，日平均降水量是主要影響因素，日平均溫度是影響土壤表層日平均接地電阻的主要因素。

結合以上分析結論對比已有研究成果可知，使用降阻劑的土壤和未使用降阻劑的土壤受氣象因素影響的變化特征基本一致，可用依據月平均氣象因素建立的不同深度月平均接地電阻的回歸模型來初步估計使用降阻劑后各層土壤的月平均接地電阻值，其誤差較小。

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