嚴寒地區溫度對土壤電阻率的影響因素分析研究

國網遼寧省電力經濟技術研究院

盧天琪 劉然 李冬雪 馬強 陳友慧 李美君 楊繼業 赫鑫 南哲 朱赫炎

0 前言

變電站接地系統的建設直接關系到設備和人身安全。長期、可靠、穩定的接地系統，是維持設備穩定運行、保證設備和人員安全的根本保障。為保證電力系統的安全運行，如何降低接地工程造價、提高接地網的可靠性，減少維護成本是研究的重點。

近年來，由于接地裝置性能不良，而造成的設備損壞事故頻頻發生，特別是在嚴寒地區，因土壤凍脹引起土壤電阻率變化，致使接地電阻阻值升高，而造成接地裝置的熱穩定性能降低，從而引發的設備因雷擊而損壞事故也頻頻發生。

1 溫度對土壤電阻率的影響

對于嚴寒區域變電站，其供電系統的接地網大部分位于長時間寒冷地帶。接地系統是變電站正常運行的保證，也是保證人身與設備安全的關鍵。因此研究如何改善高寒冷區域接地系統的性能對保證該地區供電安全有著重要的意義。土壤電阻率對接地系統的性能起著決定作用，土壤凍結之后電阻率將增大，從而引起變電所內接地網電位上升、接觸電壓與跨步電壓增大，對設備與人身安全造成嚴重威脅。

通過研究土壤電阻率的溫度特性，可以了解溫度影響土壤電阻率的主要途徑，從而找出相應的降阻措施以提高太平莊變電所的地網設計水平，確保供電電網的安全運行。

1.1 土壤結構及其電阻率

鑒于目前國內外對土壤電阻率的分析沒有統一的模型，本文首先將引入滲流物理學的多孔介質模型，并應用多孔介質模型解釋土壤的結構與導電機理。

多孔介質是指一種特殊的物體結構形式，其由構成物體外形的固體骨架、固體骨架內的孔隙以及填充于孔隙內部的流體組成。土壤是一種典型的多孔介質，土壤礦物質以及腐殖質等固體物質構成的土壤骨架，土壤骨架內有許多大小不一的孔隙，孔隙內填充有水和空氣。因此，土壤導電的途徑有兩種：一種是通過固體的骨架導電，另一種是通過孔隙內的流體導電。土壤礦物質是骨架組織的主要成分，由于雨水的淋失作用，表層土壤中易溶鹽類含量較少，而且表層土壤長期與氧氣接觸，金屬被氧化成難溶的氧化物，因此表層土壤的骨架物質多為電的不良導體。土壤孔隙中的流體主要是空氣與水，由于空氣導電能力遠小于水的導電能力， 因此土壤中水的導電性能將對土壤電阻率起重要作用。

土壤中水分主要由地理環境、地理位置與土壤的保水性能所決定，而水中電解質的含量由土壤骨架物質的溶解度與電離特性有關，因此不同地點以及不同類型的土壤中水的導電能力存在著很大的差異。本次主要目的是分析溫度對土壤電阻率影響的一般規律，為了簡化分析過程，假設土壤的拓撲結構不會發生變化， 并認為水在土壤中呈靜止狀態，忽略了水流動對土壤電阻率的影響。

1.2 溫度對土壤電阻率的影響途徑

溫度對土壤電阻率的影響分為兩種途徑，一種是溫度對土壤骨架以及孔隙水的電阻率的影響，另一種是當溫度低于0～C時，土壤中水凝結成冰晶之后對土壤電阻率的影響。

根據物理學的基本知識，溫度下降之后，固體物質的電阻率將隨之下降，所以土壤骨架的電阻將隨著溫度的下降而下降，由于本文討論的范圍在±40℃之內，在此溫度范圍內固體電阻率變化很小，因此本文主要討論的是溫度對孔隙水電阻的影響。從電化學中可知，水溶液導電主要是通過水中離子在電場下的遷移， 由于土壤屬于多孔介質，所以必須考慮多孔介質的結構參數對離子遷移的影響。土壤中離子的種類很多，對于每一種離子而言，通過單位截面積的電遷移數通量可用下式計算：

式中Ji——離子流的數通量

zi——離子的價電荷數

ci——離子的濃度，其大小受溫度以及介質中礦物鹽的溶解度的影響

?(φ)——土壤中的電勢梯度

μi——土壤中離子的有效遷移率；由于自由離子所帶電荷z有i正有負，因此取電勢降低的方向為參考方向

從式(2)可以看出，電流的大小與離子的價電荷性質無關，只與價電荷的數量有關。式(2)中表示單位立方體內第i種可以自由移動的離子所帶的電荷數量，因此可以選取合適的參數，如使式(2)中，I為單位面積上通過的電流，?(φ)為單位長度上的電壓，則可得出電阻率的推導式為

將式(2)代入式(3)即可求得孔隙水的電阻率與離子通量的關系式

離子的電遷移率iμ用于衡量離子在電場作用下遷移能力。土壤中離子的電遷移受土壤含水量以及孔隙結構的影響，其值可以用下式表示

式中μi

0—— 離子在溶液中的遷移系數

θ— — 土壤的含水量

τθ—— 指土壤在含水量為 時的孔隙的扭曲率，其大小等于 (L/Le)2

L—— 土壤中孔隙管道的入口到出口直線距離

Le—— 孔隙管道的平均長度

因此，土壤中孔隙管道越彎曲，τθ值越小，當孔隙為一條直線也即L=Le時，τθ達到最大值1。

將式(5)代入式(4)可得

當土壤溫度低于0℃時，土壤中的水將會凝結成冰晶，因此土壤中液態水的含量θ將下降，造成土壤中離子攜帶的電荷數下降。而且冰晶將堵塞土壤中的孔隙，造成孔隙扭曲率τθ下降，上述因素都將造成土壤中孔隙水的電阻率上升。

由于土壤微粒吸附周圍空氣或水中的自由離子后將帶微量的電荷，一部分水將在這些電荷的作用下與土壤微粒結合，這一部分水稱之為結合水。結合水的凝結溫度低于0℃，當土壤溫度低于0℃ 時仍然存在一部分水沒有凝結成冰晶，這部分水稱之為未凍水。

經試驗表明，溫度越低時未凍水的含量越少。

1.3 結果及分析

土壤的電阻率隨著溫度的下降而上升。如上文所述，溫度下降之后孔隙水中電解質的溶解度以及電離度都將下降，同時水的粘度將上升，這些因素都將導致土壤電阻率的上升。當溫度從22℃下降到3℃時，土壤電阻率將上升到原來的一倍左右。

0+為土壤剛達到0℃ ，土壤中水分未發生凝結的時刻；0_為土壤溫度從0℃開始繼續下降的時刻。由于水在凝結的過程中溫度不變，因此土壤溫度從0+下降到0_需要較長的時間。土壤的含水量離子攜帶的電荷數以及孔隙扭曲率τθ都將隨冰晶的增多而下降，孔隙水的電阻在這幾個因素的影響下上升，所以土壤的電阻率在0+下降到0_時隨著冰晶的增多而不斷上升， 土壤電阻率在0℃發生了跳變。土壤電阻率跳變幅度與土壤的含水量有關，如果土壤含水量非常少，實驗中就無法觀察到電阻率的跳變現象。

土壤電阻率隨著溫度的下降而上升。主要是因為隨著溫度的下降，土壤中未凍水的含量也隨之下降，孔隙水電阻隨著未凍水的含量下降而上升。由上文的分析可知土壤的電阻率主要受孔隙電阻的影響，所以土壤電阻隨著溫度的下降而上升。

2 降低凍土區域土壤電阻率的方法

物理方法有：① 選擇地下水源豐富的區域，如河邊，池塘與湖泊等附近。這些區域水體較大，在冬季也不容易凍結。② 選擇有地熱資源的區域或生活區的地下，這些區域土壤的溫度相對較高，容易形成融池，融池內土壤的水呈液態，土壤電阻率較低。③ 在接地極附近埋設加熱管，通過加熱管加熱形成融池，降低電極附近土壤的電阻率。化學方法主要是在土壤中施加化學防凍劑(如食鹽、酒精等)，達到降低土壤中水的凝結溫度以及提高土壤中未凍水含量的目的。由于化學制劑會因為雨水或地下水流動的原因而擴散， 因此這種方法實施起來比較方便，但效果會隨著時間的推移而減弱。而且化學制劑會對環境以及生態造成破壞，所以現在很少采用化學方法來降低土壤電阻率。

一般情況下構成土壤骨架的物質電阻率非常高，在土壤含水量非常低的情況下是電的不良導體，因此我們可以采用降低土壤骨架電阻率的方法來降低凍土區域的土壤電阻率。降低土壤骨架電阻率的方法主要是換土和使用物理降阻劑。換土是采用低電阻率的土壤更換接地網區域的土壤；物理降阻劑主要是一定比例的粘土，固化劑與石墨混合物。這兩種方法的作用都是降低土壤的骨架電阻，物理降阻劑電阻率低，受溫度影響非常小，而且不易流失，并且不會對環境造成破壞，因此采用物理降阻劑是降低凍土區域土壤電阻率的一種較好的途徑。

3 總結

土壤是一種典型的多孔介質。多孔介質導電主要通過固體骨架與孔隙內的流體導電。溫度是影響土壤電阻率的一個關鍵因素，由于土壤固體骨架導電性能非常差，溫度主要通過改變土壤的孔隙水電阻影響土壤電阻率。降低凍土區域土壤電阻率的方法有兩種，一種是增加土壤中未凍水的含量，另一種是降低土壤的固體骨架電阻，具體工程中考慮適當采用物理降阻劑來降低凍土區域的土壤電阻率。