嚴(yán)寒地區(qū)溫度對土壤電阻率的影響因素分析研究

國網(wǎng)遼寧省電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院

盧天琪 劉然 李冬雪 馬強(qiáng) 陳友慧 李美君 楊繼業(yè) 赫鑫 南哲 朱赫炎

0 前言

變電站接地系統(tǒng)的建設(shè)直接關(guān)系到設(shè)備和人身安全。長期、可靠、穩(wěn)定的接地系統(tǒng)，是維持設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行、保證設(shè)備和人員安全的根本保障。為保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行，如何降低接地工程造價(jià)、提高接地網(wǎng)的可靠性，減少維護(hù)成本是研究的重點(diǎn)。

近年來，由于接地裝置性能不良，而造成的設(shè)備損壞事故頻頻發(fā)生，特別是在嚴(yán)寒地區(qū)，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(wěn)定性能降低，從而引發(fā)的設(shè)備因雷擊而損壞事故也頻頻發(fā)生。

1 溫度對土壤電阻率的影響

對于嚴(yán)寒區(qū)域變電站，其供電系統(tǒng)的接地網(wǎng)大部分位于長時(shí)間寒冷地帶。接地系統(tǒng)是變電站正常運(yùn)行的保證，也是保證人身與設(shè)備安全的關(guān)鍵。因此研究如何改善高寒冷區(qū)域接地系統(tǒng)的性能對保證該地區(qū)供電安全有著重要的意義。土壤電阻率對接地系統(tǒng)的性能起著決定作用，土壤凍結(jié)之后電阻率將增大，從而引起變電所內(nèi)接地網(wǎng)電位上升、接觸電壓與跨步電壓增大，對設(shè)備與人身安全造成嚴(yán)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(yīng)的降阻措施以提高太平莊變電所的地網(wǎng)設(shè)計(jì)水平，確保供電電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

1.1 土壤結(jié)構(gòu)及其電阻率

鑒于目前國內(nèi)外對土壤電阻率的分析沒有統(tǒng)一的模型，本文首先將引入滲流物理學(xué)的多孔介質(zhì)模型，并應(yīng)用多孔介質(zhì)模型解釋土壤的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電機(jī)理。

多孔介質(zhì)是指一種特殊的物體結(jié)構(gòu)形式，其由構(gòu)成物體外形的固體骨架、固體骨架內(nèi)的孔隙以及填充于孔隙內(nèi)部的流體組成。土壤是一種典型的多孔介質(zhì)，土壤礦物質(zhì)以及腐殖質(zhì)等固體物質(zhì)構(gòu)成的土壤骨架，土壤骨架內(nèi)有許多大小不一的孔隙，孔隙內(nèi)填充有水和空氣。因此，土壤導(dǎo)電的途徑有兩種：一種是通過固體的骨架導(dǎo)電，另一種是通過孔隙內(nèi)的流體導(dǎo)電。土壤礦物質(zhì)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(zhì)多為電的不良導(dǎo)體。土壤孔隙中的流體主要是空氣與水，由于空氣導(dǎo)電能力遠(yuǎn)小于水的導(dǎo)電能力， 因此土壤中水的導(dǎo)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(huán)境、地理位置與土壤的保水性能所決定，而水中電解質(zhì)的含量由土壤骨架物質(zhì)的溶解度與電離特性有關(guān)，因此不同地點(diǎn)以及不同類型的土壤中水的導(dǎo)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(guī)律，為了簡化分析過程，假設(shè)土壤的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生變化， 并認(rèn)為水在土壤中呈靜止?fàn)顟B(tài)，忽略了水流動(dòng)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(dāng)溫度低于0～C時(shí)，土壤中水凝結(jié)成冰晶之后對土壤電阻率的影響。

根據(jù)物理學(xué)的基本知識(shí)，溫度下降之后，固體物質(zhì)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(nèi)，在此溫度范圍內(nèi)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(xué)中可知，水溶液導(dǎo)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(zhì)，所以必須考慮多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shù)通量可用下式計(jì)算：

式中Ji——離子流的數(shù)通量

zi——離子的價(jià)電荷數(shù)

ci——離子的濃度，其大小受溫度以及介質(zhì)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(fù)，因此取電勢降低的方向?yàn)閰⒖挤较?/p>

從式(2)可以看出，電流的大小與離子的價(jià)電荷性質(zhì)無關(guān)，只與價(jià)電荷的數(shù)量有關(guān)。式(2)中表示單位立方體內(nèi)第i種可以自由移動(dòng)的離子所帶的電荷數(shù)量，因此可以選取合適的參數(shù)，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(dǎo)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(guān)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(jié)構(gòu)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(shù)

θ— — 土壤的含水量

τθ—— 指土壤在含水量為 時(shí)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(dāng)孔隙為一條直線也即L=Le時(shí)，τθ達(dá)到最大值1。

將式(5)代入式(4)可得

當(dāng)土壤溫度低于0℃時(shí)，土壤中的水將會(huì)凝結(jié)成冰晶，因此土壤中液態(tài)水的含量θ將下降，造成土壤中離子攜帶的電荷數(shù)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(jié)合，這一部分水稱之為結(jié)合水。結(jié)合水的凝結(jié)溫度低于0℃，當(dāng)土壤溫度低于0℃ 時(shí)仍然存在一部分水沒有凝結(jié)成冰晶，這部分水稱之為未凍水。

經(jīng)試驗(yàn)表明，溫度越低時(shí)未凍水的含量越少。

1.3 結(jié)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(zhì)的溶解度以及電離度都將下降，同時(shí)水的粘度將上升，這些因素都將導(dǎo)致土壤電阻率的上升。當(dāng)溫度從22℃下降到3℃時(shí)，土壤電阻率將上升到原來的一倍左右。

0+為土壤剛達(dá)到0℃ ，土壤中水分未發(fā)生凝結(jié)的時(shí)刻；0_為土壤溫度從0℃開始繼續(xù)下降的時(shí)刻。由于水在凝結(jié)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(shí)間。土壤的含水量離子攜帶的電荷數(shù)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(gè)因素的影響下上升，所以土壤的電阻率在0+下降到0_時(shí)隨著冰晶的增多而不斷上升， 土壤電阻率在0℃發(fā)生了跳變。土壤電阻率跳變幅度與土壤的含水量有關(guān)，如果土壤含水量非常少，實(shí)驗(yàn)中就無法觀察到電阻率的跳變現(xiàn)象。

土壤電阻率隨著溫度的下降而上升。主要是因?yàn)殡S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(qū)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(qū)域，如河邊，池塘與湖泊等附近。這些區(qū)域水體較大，在冬季也不容易凍結(jié)。② 選擇有地?zé)豳Y源的區(qū)域或生活區(qū)的地下，這些區(qū)域土壤的溫度相對較高，容易形成融池，融池內(nèi)土壤的水呈液態(tài)，土壤電阻率較低。③ 在接地極附近埋設(shè)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(xué)方法主要是在土壤中施加化學(xué)防凍劑(如食鹽、酒精等)，達(dá)到降低土壤中水的凝結(jié)溫度以及提高土壤中未凍水含量的目的。由于化學(xué)制劑會(huì)因?yàn)橛晁虻叵滤鲃?dòng)的原因而擴(kuò)散， 因此這種方法實(shí)施起來比較方便，但效果會(huì)隨著時(shí)間的推移而減弱。而且化學(xué)制劑會(huì)對環(huán)境以及生態(tài)造成破壞，所以現(xiàn)在很少采用化學(xué)方法來降低土壤電阻率。

一般情況下構(gòu)成土壤骨架的物質(zhì)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(dǎo)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(qū)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(wǎng)區(qū)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(huì)對環(huán)境造成破壞，因此采用物理降阻劑是降低凍土區(qū)域土壤電阻率的一種較好的途徑。

3 總結(jié)

土壤是一種典型的多孔介質(zhì)。多孔介質(zhì)導(dǎo)電主要通過固體骨架與孔隙內(nèi)的流體導(dǎo)電。溫度是影響土壤電阻率的一個(gè)關(guān)鍵因素，由于土壤固體骨架導(dǎo)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(qū)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(dāng)采用物理降阻劑來降低凍土區(qū)域的土壤電阻率。