降水與溫度對(duì)接地電阻的影響分析

揣國(guó)權(quán)，李冰，宮奇?zhèn)?/p>

（從化區(qū)氣象局，廣東 廣州510925）

1 引言

接地裝置作為防雷裝置的重要環(huán)節(jié)，其作用是快速地把雷電流泄入大地，是保障建(構(gòu))筑物、電氣設(shè)施設(shè)備安全可靠運(yùn)行及人身安全的重要措施，而接地電阻是衡量接地裝置是否良好的重要指標(biāo)，接地電阻越小，在遭受雷擊時(shí)泄放雷電流的速度越快，隨之危險(xiǎn)電位也下降到較低值，減小雷電災(zāi)害發(fā)生的概率[1-4]。雷電作為比較常見的自然災(zāi)害，造成了大量的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失[5-8]，防雷裝置是否符合規(guī)范要求至關(guān)重要。因此在防雷裝置的設(shè)計(jì)或是防雷檢測(cè)時(shí)，接地電阻是衡量防雷裝置是否符合規(guī)范要求的一個(gè)重要指標(biāo)。

接地裝置的接地電阻是有季節(jié)變化規(guī)律的，影響接地裝置接地電阻的主要因素是土壤電阻率和接地體類型及尺寸，在接地裝置的使用過程中接地體類型及尺寸是不變的，此時(shí)造成接地電阻變化的主要因素是土壤電阻率。相關(guān)研究表明，在特定的土壤成分及構(gòu)造的條件下，土壤的溫、濕度是造成土壤電阻率變化的主要因素[9-12]。

在針對(duì)接地裝置接地電阻季節(jié)變化及受降水、土壤濕度、溫度影響特性方面，王孝波等[13]通過對(duì)框架結(jié)構(gòu)建筑物基礎(chǔ)接地電阻的自動(dòng)觀測(cè)，分析了接地電阻季節(jié)變化及受天氣過程影響特性；霍廣勇等[14]采用人工觀測(cè)的方式，分析了人工接地體和土壤電阻率受土壤溫、濕度的影響；吳田等[15]分析了降水量、溫度對(duì)輸電線路桿塔接地電阻的影響，得出了南方地區(qū)溫度對(duì)桿塔接地電阻的影響相對(duì)不明顯，降水量是造成桿塔接地電阻季節(jié)變化的最主要因素。

雖然前人在接地電阻變化因素方面做了一些研究，但是在不同類型接地裝置接地電阻的同步比對(duì)方面卻鮮有研究。不同類型接地裝置受季節(jié)變化因素所呈現(xiàn)出的不同變化特征，對(duì)接地裝置的選型及接地電阻的修正均有重要的參考價(jià)值。基于此，本文通過對(duì)3種接地裝置接地電阻的持續(xù)觀測(cè)，研究分析了降水、溫度對(duì)接地電阻的影響，并得出相關(guān)結(jié)論，為接地工程設(shè)計(jì)及防雷裝置檢測(cè)工作提供技術(shù)支撐。

2 試驗(yàn)概況

接地電阻的觀測(cè)點(diǎn)位于廣州市從化區(qū)氣象局，觀測(cè)區(qū)域?yàn)闁|西走向的100 m×30 m地塊。該地多年平均氣溫21.6℃、年平均降水量1951.3 mm，4—9月為雨季(汛期)，該地塊平均土壤電阻率＜100Ω·m，常年無凍土層。

試驗(yàn)選取了3種不同的接地裝置作為觀測(cè)對(duì)象，其中接地裝置1(記為S1)利用建筑物基礎(chǔ)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及5根深度約為17 m樁作為接地體，地基梁內(nèi)鋼筋組成的水平接地體、埋深約0.6 m，該建筑物長(zhǎng)16.7 m，寬9.3 m；接地裝置2(記為S2)由40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼構(gòu)成尺寸為5 m×5 m的接地體，接地體埋深0.6 m；接地裝置3(記為S3)為單條5 m的40 mm×4 mm熱鍍鋅扁鋼，接地體埋深0.6 m。

本試驗(yàn)測(cè)試方法及測(cè)量?jī)x器設(shè)備布置符合國(guó)家規(guī)范的相關(guān)要求，接地電阻的測(cè)量采用0.618三極布線法，其中S1的測(cè)試電壓極距離其50 m，電流極距離其80 m；S2的測(cè)試電壓極距離其19 m，電流極距離其30 m；S3的測(cè)試電壓極距離其12.5 m，電流極距離其20 m。

3 資料來源

所用觀測(cè)資料來源于以UNO-3072L工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心的接地電阻自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，接地電阻測(cè)量主要由方波信號(hào)發(fā)生器(110 Hz、50 V、0.6 A)、多通道選測(cè)開關(guān)、電壓傳感器和電流傳感器等組成。本觀測(cè)系統(tǒng)中接地電阻R為通過方波信號(hào)發(fā)生器出口電壓和電流傳感器及PCI-1716L數(shù)據(jù)采集卡實(shí)測(cè)的方波電壓U與方波電流I之比(R=U/I)，測(cè)量精度為0.01Ω，采集頻率為1小時(shí)/次；土壤溫度傳感器主要由一個(gè)鉑電阻溫度探頭組成，在-35～50℃的環(huán)境之間，其測(cè)量誤差小于±0.5℃，采集頻率為10分鐘/次；土壤含水量傳感器通過其探頭測(cè)量土壤的介電常數(shù)，利用時(shí)域反射法(TDR)來計(jì)算獲取土壤的含水量，采集頻率為10分鐘/次；采集卡采集到以上數(shù)據(jù)后通過GPRS無線傳輸模塊傳輸至室內(nèi)主機(jī)上進(jìn)行保存；降水量、環(huán)境溫度來自氣象局觀測(cè)場(chǎng)，采集頻率為1分鐘/次，觀測(cè)場(chǎng)位于觀測(cè)試驗(yàn)區(qū)域東北方向約30 m[12]。

經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)資料的篩選，選取了2010年5月—2011年4月的接地電阻及氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在數(shù)據(jù)分析過程中，嚴(yán)格把控?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量，在同一時(shí)間點(diǎn)上，如果缺失接地電阻、降水量、溫度、含水量等任一參數(shù)值，則剔除該數(shù)據(jù)。

4 資料分析

4.1 接地電阻的月變化

從圖1可看出，S1、S2接地電阻從5月開始呈現(xiàn)出明顯的下降，在8月、9月接地電阻達(dá)到最小值。在此期間，S1接地電阻由0.77Ω下降到0.57 Ω，下降0.20Ω，降幅為26%；S2接地電阻由8.43 Ω下降到5.11Ω，下降3.32Ω，降幅為39%；而S3在5—9月期間接地電阻處于底部波動(dòng)狀態(tài)，6月接地電阻最小(22.77Ω)，7月接地電阻為29.92Ω，呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，升幅為31%，之后又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。S1、S2、S3接地電阻在9月開始呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，在12月到翌年的1、2月處于較高水平，之后開始下降。在此期間，S1接地電阻由0.57Ω上升到0.67Ω，上升0.1Ω，升幅為18%；S2接地電阻由5.11Ω上升到7.49Ω，上升2.38Ω，升幅為47%；S3接地電阻由26.89Ω上升到52.26Ω，上升25.37Ω，升幅為94%。

圖1 接地電阻月變化曲線圖

由表1可知，接地電阻與接地體的類型和大小有密切關(guān)系，利用建筑自身金屬結(jié)構(gòu)作接地體S1的接地電阻值最小，而且其季節(jié)變化率也最小，而接地體尺寸較大的S2的接地電阻值及季節(jié)變化率均小于尺寸較小的S3的接地電阻值及變化率，接地體接地電阻值的變化率為S1＜S2＜S3。分析表明，接地電阻的變化率與接地體類型及尺寸大小密切相關(guān)，利用建筑自身金屬結(jié)構(gòu)作接地體其接地電阻變化率較小，接地電阻比較穩(wěn)定，受季節(jié)變化的影響較小；人工接地體接地電阻變化率相對(duì)較大，接地電阻受季節(jié)變化的影響較大。

表1 接地電阻月變化對(duì)比表

4.2 降水與溫度對(duì)接地電阻的影響分析

在接地裝置周邊環(huán)境穩(wěn)定的條件下，接地電阻主要受土壤含水量及溫度的影響而產(chǎn)生一定幅度的變化。降水可改變土壤含水量，氣溫的變化也會(huì)引起土壤溫度的變化，如圖2、圖3所示。因此，降水和溫度兩個(gè)氣象因素是引起接地電阻在自然環(huán)境下產(chǎn)生季節(jié)性變化的關(guān)鍵因素。

圖3 氣溫與土壤溫度的月變化曲線圖

4.2.1 降水對(duì)接地電阻的影響分析

如圖2所示，受從化當(dāng)?shù)氐臍夂蛴绊懀?—9月的降水量較大，其他月份的降水量偏少。受降水因素的影響，5—9月的土壤含水量較高，之后隨著降水量的減少土壤含水量出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。圖4是降水量與接地電阻的月變化關(guān)系曲線圖，結(jié)合圖2、圖4可知2010年10月—2011年4月整體降雨量偏小，此時(shí)土壤含水量下降到較低水平，并在2010年12月—2011年2月達(dá)底部區(qū)間，此時(shí)段對(duì)應(yīng)的接地電阻呈現(xiàn)上升并在2010年12月—2011年2月接地電阻值處于峰值區(qū)間；5—9月整體降水量較大，土壤含水量相對(duì)較高，特別是1.0 m、1.5 m深的土壤含水量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，此時(shí)期的接地電阻呈下降趨勢(shì)。分析表明土壤含水量與接地電阻呈反相關(guān)關(guān)系，是影響接地電阻的一個(gè)重要指標(biāo)。

圖2 降水量與土壤含水量的月變化曲線圖

圖4 接地電阻與氣溫、降水量的月變化曲線圖

以上分析表明，降水可影響接地電阻發(fā)生變化，降水量較大時(shí)接地電阻會(huì)變小，而長(zhǎng)期干旱少雨時(shí)接地電阻會(huì)變大。但是通過圖5接地電阻與降水量、地溫(地下0.6～1.5 m深的平均溫度)的日變化曲線圖發(fā)現(xiàn)，在不同的季節(jié)中，同等量級(jí)的降水量對(duì)接地電阻的影響是不同的，而且在同等條件下，不同類型接地體的變化也不盡相同。由圖5可知，降水過程雨量＜10 mm時(shí)，接地電阻無明顯下降；降水過程雨量在10～15 mm時(shí)，接地電阻降幅＜5%；降水過程雨量在20 mm左右時(shí)，接地電阻降幅在3%～10%；降水過程雨量在45 mm左右時(shí)，S1、S2接地電阻降幅10%左右，S3接地電阻降幅在25%左右；降水過程雨量＞50 mm的降水均發(fā)生在汛期(圖5橫坐標(biāo)0～124段)，這段時(shí)間由于總體的降水量偏多，有時(shí)連續(xù)性強(qiáng)降水并沒有引起接地電阻的明顯下降，此時(shí)接地電阻受土壤含水量及溫度的雙重影響而呈現(xiàn)比較復(fù)雜的變化，在此期間，S1、S2接地電阻有3次明顯的下降過程，這三次下降過程均發(fā)生在出現(xiàn)連續(xù)性降水且伴隨著土壤溫度的升高時(shí)段，而S3接地電阻僅有一次過程呈現(xiàn)大幅度的下降，此次大幅下降是因?yàn)榍捌陂L(zhǎng)時(shí)間無降水，接地電阻出現(xiàn)大幅上升。在降水較少季節(jié)中，S3接地電阻還有兩次出現(xiàn)大幅度下降，這兩次過程也是長(zhǎng)時(shí)間無降水，土壤含水量降低導(dǎo)致接地電阻出現(xiàn)大幅升高，而隨著兩次較強(qiáng)降水過程的出現(xiàn)(累計(jì)降水量43.2 mm、47.4 mm)，土壤含水量升高，引起S3接地電阻迅速大幅下降36%、20%，此時(shí)段S1接地電阻下降9%、3%，S2接地電阻下降5%、13%。

圖5 接地電阻與地溫、降水量的日變化曲線圖

以上分析表明，在汛期整體的降水量偏多，土壤含水量較高，有時(shí)連續(xù)性強(qiáng)降水并沒有引起接地電阻的明顯下降，此時(shí)尺寸較大的接地體受溫度影響較大。小尺寸接地體主要受降水的影響，無降水時(shí)接地電阻會(huì)快速上升，當(dāng)降水出現(xiàn)時(shí)會(huì)迅速下降。

4.2.2 溫度對(duì)接地電阻的影響分析

由圖3可知，從化地區(qū)2010年5月—2011年4月期間的最高氣溫為2010年7月的28.40℃，最低氣溫為2011年1月的8.97℃，溫差為19.43℃；0.2 m、0.6 m、1.0 m深土壤的最高溫度(31.01℃、30.17℃、29.57℃)均在8月，1.5 m深土壤最高溫度(28.47℃)在9月，土壤最高溫度比氣溫的最高溫度推遲1～2個(gè)月，且均比氣溫高；0.2 m、0.6 m深土壤最低溫度(13.25℃、15.68℃)均在1月，1.0 m、1.5 m深土壤最低溫度(17.70℃、18.55℃)均在2月，且均比氣溫高。分析表明：土壤溫度的變化主要受氣溫變化的影響，但是隨著土壤深度的增加，影響會(huì)逐漸減弱，土壤的四季溫差變小。

由圖4可知，接地電阻與溫度的月變化存在階段性特征。從月平均接地電阻變化趨勢(shì)看，2010年5—9月，S1、S2月平均接地電阻隨著溫度的升高而降低，此階段S3主要受降水的影響，接地電阻呈現(xiàn)出底部波動(dòng)狀態(tài)，這說明小尺寸接地體受溫度的影響較小，而受降水和土壤含水量的影響較大；2010年9月—2011年2月，此期間隨著溫度的下降，S1、S2、S3接地電阻均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，在12—2月處于較高水平，隨后隨著溫度的上升，接地電阻逐漸變小。

接地電阻受降水因素的影響會(huì)比較大，往往一次強(qiáng)降水可引起接地電阻出現(xiàn)急速的下降。相對(duì)來說溫度的下降或升高的相對(duì)幅度不是很大，是一個(gè)相對(duì)緩慢的過程，因此引起接地電阻的變化也是一個(gè)比較緩慢的過程。例如有兩次強(qiáng)降水過程(2010年5月6—23日和2010年6月9—28日期間)的接地電阻變化特征，在此期間土壤含水量處于相對(duì)飽和狀態(tài)，但是兩次降水過程期間的氣溫、地溫相比，6月比5月的分別升高了1.42℃和2.55℃，結(jié)果是S1、S2接地電阻在6月降水過程中下降的要比5月降水過程中下降幅度大；S3接地電阻雖然在6月的強(qiáng)降水過程中下降較小，但是其電阻值與5月相比還是有所下降。尺寸較小的接地體S3受溫度影響不明顯，其主要是受降水量及土壤含水量的影響比較大。從溫度對(duì)不同類型接地體接地電阻的影響特征分析，溫度與接地電阻呈反相關(guān)關(guān)系，由于溫度的抑制作用，大尺寸接地裝置的接地電阻受降水量及土壤含水量的影響有所下降，接地電阻的四季變化相對(duì)平穩(wěn)。

通過以上分析得出降水、溫度與接地電阻的關(guān)系如下：(1)當(dāng)降水量偏多，土壤含水量處于較高水平時(shí)，多余的降水并不會(huì)使接地電阻出現(xiàn)明顯的下降，此時(shí)期溫度的變化對(duì)接地電阻的下降起著關(guān)鍵作用；(2)當(dāng)長(zhǎng)期干旱時(shí)，土壤含水量偏低，此時(shí)期較強(qiáng)的降水會(huì)引起接地電阻出現(xiàn)明顯的下降，而溫度的影響相對(duì)不明顯；(3)從季節(jié)因素考慮，汛期(4—9月)的降水量增加，溫度也逐漸升高，接地電阻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；在9月之后，由于降水的減少及溫度的下降，接地電阻逐漸升高，此過程一直持續(xù)到翌年的2月。

5 結(jié)論

通過對(duì)3種接地裝置接地電阻及降水、溫度持續(xù)1年的觀測(cè)，分析總結(jié)了降水與溫度對(duì)接地電阻的影響規(guī)律。

(1)接地電阻具有明顯的季節(jié)變化特征，汛期(4—9月)降水量增加，溫度也逐漸升高，接地電阻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在9月之后，隨著降水的減少及溫度的下降，接地電阻逐漸升高，此過程一直持續(xù)到翌年的2月。

(2)接地電阻的變化率與接地體類型及尺寸大小密切相關(guān)，利用建筑自身金屬結(jié)構(gòu)作接地體的接地電阻變化率較小，接地電阻比較穩(wěn)定，受季節(jié)變化的影響較小；人工接地體接地電阻變化率相對(duì)較大，接地電阻受季節(jié)變化的影響較大。這主要是受溫度抑制作用的影響，大尺寸接地裝置的接地電阻受降水量及土壤含水量的影響有所下降，接地電阻的四季變化相對(duì)平穩(wěn)。

(3)降水量＜20 mm的降水過程對(duì)接地電阻的影響較小。出現(xiàn)連續(xù)性降水時(shí)，土壤含水量處于較高水平時(shí)，多余的降水并不會(huì)使接地電阻出現(xiàn)明顯的下降，此時(shí)期溫度對(duì)接地電阻的變化起著關(guān)鍵作用。當(dāng)長(zhǎng)期干旱時(shí)，土壤含水量偏低，此時(shí)期較強(qiáng)的降水會(huì)引起接地電阻出現(xiàn)較大幅度的下降，此時(shí)溫度的影響相對(duì)不明顯。