接地电阻受气象因素影响的特性分析

郭在华， 向亚飞， 李良福， 覃彬全

(1.成都信息工程大学电子工程学院，四川成都610225;2.重庆市气象局，重庆401147)

0 引言

在现代防雷工程设计、施工和验收中，接地是主要工作。接地的目的是确保电力系统安全运行、确保人身安全等。接地功能通过接地装置或接地系统来实现，工频短路电流或雷电流最终都将通过接地装置引入地下。所以完善的接地装置是保证保护对象防雷安全的关键。而接地电阻是直接反映接地装置接地效果是否良好的重要指标，接地装置要求其接地电阻越小越好［1-3］。因此降低接地电阻也成了一项重要的工作。目前常用的降低接地电阻的方法是使用降阻剂对局部土壤进行理化处理，提高接地装置周围地区土壤的导电性［4］。众多学者对于降阻剂的研究主要是研究降阻剂的降阻机理和降阻剂的性能;研究降阻剂在使用过程中对接地体的腐蚀、接地电阻降阻稳定性、降阻效果、降阻剂对环境的污染等方面技术。但是，对于固定土质使用降阻剂之后接地电阻的长期实时连续变化数据的观测，以及接地电阻与天气变化的关系分析的研究还很欠缺。

国内外专家学者针对接地电阻做了大量的研究，如M.Kizhlo等［5］分析了单一层土壤接地电阻某一周期时间段内的值与温度、湿度等的相关性，得到了接地电阻与各因素的相关关系以及定期检测接地电阻的结论;吴云清［6］根据从化地区观测数据拟合了接地电阻与温度等的关系方程;陈锐等［7］分析了特定深度土壤接地电阻与降水的关系，得出了降水时间和降水量是影响接地电阻恢复到降水前值的主要因素的结论。其他还包括土壤含水量［8-10］、温度［11-12］等对接地电阻的影响研究。

已有的研究成果大多分析的是单一土壤层接地电阻与气象因素的关系，或者单一气象因素与接地电阻的关系，基于此，根据对使用降阻剂的土壤的接地电阻一年的观测数据，定量分析了不同深度土壤层接地装置接地电阻的变化特征及其与各气象因素的相关关系。这对设计和改善接地装置、对后续降阻剂的使用有着重要的指导意义，同时也是对降阻剂的稳定性和长效性的有效检测。

1 数据来源与分析方法

分析所用数据来源于2012年4月～2013年3月对重庆市歌乐山气象观测场接地电阻和温度等的监测，该地区无冻土情况存在。接地电阻测量采用多功能土壤电阻率与接地电阻监测系统［13］。测试方案示意图如图1所示，在观测场布置1台多功能土壤电阻率监测仪，接地极统一材质和尺寸，接地极E1～E5埋深分别为0.2 m、0.4 m、0.8 m、1.6 m和2.4 m，极间距如图1所示。试验监测系统监测仪采用的测量原理是基于三极直线法的分层测试技术，能同时监测5个不同深度土壤层的土壤电阻率和接地电阻值。系统能长期连续地监测多地点、多层次的土壤电阻率和接地电阻变化情况，可任意设置采样时间间隔，具有成本低、测试方便快捷、数据传输灵活、高度智能化等特点。

图1 观测场示意图

根据歌乐山气象站接地电阻和气象因素资料，对敷设降阻剂后不同深度土壤接地电阻的变化规律进行了统计分析，并利用温度、湿度、气压、风速和雨量数据和pearson［14］相关系数分析方法，分别定量分析了各气象因素与接地电阻的相关关系。

2 监测数据分析

2．1 接地电阻总体分布特征

根据观测场测试站点对接地电阻的每小时监测数据，统计分析了不同深度接地装置在敷设降阻剂之后接地电阻的变化与分布特征，同时列出了各层接地电阻的平均值、变化幅度和变化率，如表1所示。分析表明:接地装置接地电阻总体变化规律为随着深度增加，接地电阻平均值呈波动减小，接地电阻平均值变化幅度减小，变化率呈波动增加。

表1 各层接地电阻变化规律

2．2 接地电阻季节(月)变化特征

不同季节接地装置接地电阻季节变化曲线如图2所示。由图可知，0.2 m层接地电阻值四季变化范围为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层接地电阻值四季变化范围为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层接地电阻值四季变化范围为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层接地电阻值四季变化范围为4.99～7.39 Ω，其 中秋季平 均 值 为 4.99 Ω，春 季 平 均 值7.39 Ω;2.4 m层接地电阻值四季变化范围为2.45～5.14 Ω，其中秋季平均值2.45 Ω，春季平均值5.14 Ω。

图2 接地电阻季节变化曲线图

不同深度土壤层接地装置接地电阻的月变化曲线如图3所示。由图可知，0.2 m层接地电阻月平均值分布在12.29～18.28 Ω，最小值出现在9月，最大值出现在3月;0.4 m层接地电阻月平均值分布在11.47～16.87 Ω，最小值出现在9月，最大值出现在3月;0.8 m层接地电阻月平均值分布在11.53～16.00 Ω，最小值出现在9月，最大值出现在1月;1.6 m层接地电阻月平均值分布在4.73～7.83 Ω，最小值出现在10月，最大值出现在4月;2.4 m层接地电阻月平均值分布在2.34～5.42 Ω，最小值出现在10月，最大值出现在4月。

图3 接地电阻月变化曲线图(横坐标为2012.04～2013.03)

分析表明:接地装置接地电阻值具有明显的季节变化特征。各层接地电阻最小值均出现在秋季9～10月，最大值除0.8 m层出现在冬季的1月外，其余层均出现在3～4月。该地区接地装置接地电阻值季节变化总体趋势为春季到秋季逐渐减小，4月至10月逐渐减小，10月至来年3月逐渐增大;土壤浅层(0.2 m、0.4 m、0.8 m)接地电阻最小值出现在秋季，最大值出现在冬季，土壤深层(1.6 m、2.4 m)接地电阻最小值出现在秋季，最大值出现在春季。

2．3 接地电阻与各气象因素的关系

根据测量数据的月平均值、日平均值，利用数据分析工具［14］分别做出了月平均接地电阻值与各气象要素(温度、湿度和雨量)月平均值的关系曲线、日平均接地电阻值与各气象要素日平均值的相关系数表。分析了接地电阻受各气象因素影响的变化特征。气压和风速对接地电阻的影响很小，所以不做具体分析。

2.3.1 接地电阻与温度的关系分析

由图4月平均接地电阻值与月平均温度数据关系曲线图可知，接地电阻与温度的月变化存在阶段性特征，4～7月，月平均电阻随着温度的升高而降低;7～8月，月平均电阻随着温度升高而升高;8～9月，月平均电阻随着温度降低而降低;9月～次年1月，月平均电阻值随着温度降低而升高;2～3月，月平均电阻值随着温度升高而波动升高。这表明:温度和其他因素共同对接地电阻的月变化产生影响，在雨季(5～9月)尤为突出;而在4～5月、10月～次年2月，两者呈现典型的负相关性，即在此时间段内月平均温度是影响月平均接地电阻的主要因素。

图4 接地电阻与温度月变化曲线图(横坐标为2012.04～2013.03)

表2列出了日平均接地电阻值与日平均温度的相关系数。由表中数据可知，不同深度土壤层日平均接地电阻值与日平均温度值的简单相关性都呈现显著负相关，都通过了置信度99%的显著水平检验。在消除其它因素影响的条件下，各层日平均接地电阻值与日平均温度值的偏相关性也都呈现显著负相关，都通过了置信度99%的显著水平检验。此外，除0.4 m层和2.4 m层的日偏相关系数比日简单相关系数小外，其它层偏相关系数都比简单相关系数大。分析表明:无论有没有其他气象要素参与对接地电阻的影响，温度对表层土壤接地电阻存在显著影响;不同土壤层的日平均接地电阻与日平均温度存在负相关关系。

表2 接地电阻与温度相关系数

2.3.2 接地电阻与湿度的关系分析

图5是月平均接地电阻与月平均湿度数据的关系曲线图。由图可知，对于0.2 m、0.4 m和0.8 m层，两者变化具有明显的阶段性特征，但都呈现负相关，即月平均电阻随着湿度升高而降低，随着湿度降低而升高;对于1.6 m和2.4 m层，两者的变化特征比较复杂，相关性也有正有负。这种阶段变化特征表明:月平均电阻值的变化是湿度和其它因素共同作用的结果。

图5 接地电阻值与湿度月变化曲线图(横坐标为2012.04～2013.03)

表3 接地电阻与湿度相关系数

日平均接地电阻与日平均湿度的相关系数见表3所示。不同深度土壤层日平均接地电阻值与日平均湿度值的简单相关性都呈现负相关，除2.4 m层外其他层简单相关系数都通过了置信度99%的显著水平检验;在消除其它因素影响的条件下，其偏相关都是负相关，除2.4 m层外都通过了置信度99%的显著水平检验。这表明:湿度与接地电阻的相关性为负相关，即随着日平均湿度的增加，日平均接地电阻随着减小。这也证实了刘靖国［15］有关于接地电阻与湿度变化关系的结论。

2.3.3 接地电阻与降水的关系分析

何金良等［16-17］分析了月平均电阻与月降水量的关系，文中分析的是月平均接地电阻与月平均降水量的关系(图6)。由图可知，在雨季，5～7月雨量是减小趋势，7～9月雨量是增加趋势，对应时间段内的月平均电阻值变化复杂，有增有减。在非雨季，2012年4～5月、2013年1～2月月平均电阻值随着月平均降水的增加而减小，2012年9月至2013年1月、2013年2～3月月平均电阻值随着降水的减少而增加。这表明:降水是影响接地电阻发生变化的敏感因素，在少雨季节两者的相关性表现为负相关，在多雨季节则较为复杂。同时，由文献［16］可知降水对土壤电阻特性的影响主要体现在降水量和降水持续时间两方面，因此月平均降水量对接地电阻的影响效果相对没那么显著。

图6 接地电阻值与降水月变化曲线图(横坐标为2012.04～2013.03)

从日平均降水量和日平均接地电阻的相关系数统计结果(表4)来看，两者的相关性以负相关为主，其简单相关系数除1.6 m层外都通过了显著水平检验，但在控制其他因素的条件下，日平均雨量与接地电阻的偏相关系数只有0.8 m层通过了置信度95%的显著水平检验。并且简单相关系数都大于偏相关系数。这表明:在其他因素协同作用下日平均降雨量对接地电阻的影响效果比没有其他协同因素作用的影响效果更显著，即降雨量对接地电阻的影响显著性需要其他协同因素的作用。

表4 接地电阻与降水相关系数

3 接地电阻与各气象因素的回归分析

根据接地电阻与气象因素的监测数据，建立气象因素对接地电阻影响的多元线性回归数学模型。利用SPSS分析软件对接地电阻与气象因素的监测数据进行多元线性回归分析，探讨气象因素相互作用对接地电阻的影响机理。表5列出各层接地电阻与气象因素月平均值的回归模型。由表5可知，不同深度土壤层的月平均接地电阻实际值与预测值之间的简单相关系数R＞0.8，回归模型的判定系数和和调整决定系数R2和Radj2＞0.6，即依据月平均气象因素建立不同深度月平均接地电阻的回归模型计算不同深度土壤层月平均接地电阻与实际值差异较小，因此可用该模型来初步估计不同土壤层的月平均接地电阻值。

表5 月平均接地电阻与月平均气象因素的回归模型

表6列出了基于日平均数据的回归模型。由表6可知，不同深度土壤层的月平均接地电阻实际值与预测值之间的简单相关系数R在0.523～0.693，回归模型的判定系数 R2在0.274～0.480，调整决定系数Radj2在0.261～0.472，即依据日平均气象因素建立不同深度日平均接地电阻的回归模型计算不同深度土壤层日平均接地电阻与实际值差异较大，因此该模型不可用。这主要原因在于气象因素是间接因素，它是通过影响土壤温度和含水量来改变接地电阻值。

表6 日平均接地电阻与日平均气象因素的回归模型

分析表明:月平均气温是月平均气象因素对月平均接地电阻影响的回归模型中的重要因素，依据月平均气象因素建立不同深度月平均接地电阻的回归模型可用来初步估计各层的月平均接地电阻值;同样，日平均气温是日平均气象因素对日平均接地电阻影响的回归模型中的重要因素，但通过日平均数据建立的回归模型计算值与实际值差异较大，因此以日平均数据建立的模型不可用。通过以上分析可知，月平均降水量、日平均降水量在各自模型中所占影响比重相对较小，主要原因在于降水对土壤电阻的影响体现在降水总量和降水持续时间两方面。

根据月平均数据建立的回归模型计算结果与测量结果的对比分析(图7)，并结合相对误差的计算发现:各层的计算值与测量值的平均相对误差分别为:2.62%、1.58%、1.25%、3.14%、7.53%。相对误差较小，进一步说明依据月平均气象因素建立不同深度月平均接地电阻的回归模型的可用性。

图7 测量值与计算值的对比曲线图(横坐标为2012.04～2013.03)

4 结论

通过对使用降阻剂土壤的接地电阻一年数据的监测，分析总结了不同深度土壤层接地电阻受气象因素影响的变化特征，得到如下结论。

不同深度土壤层接地装置接地电阻的总体变化趋势为:随着土壤深度的增加，各层接地电阻平均值呈波动减小，变化幅度减小，变化率呈波动增加。

各层接地装置接地电阻变化具有明显的季节特征。各层的接地电阻季节平均值最小值都出现在秋季，(0.2 m、0.4 m、0.8 m)层的接地电阻季节平均值最大值出现在冬季，(1.6 m、2.4 m)层的接地电阻季节平均值最大值出现在春季。各层接地电阻月平均值最小值均出现在9～10月，0.2 m、0.4 m层月平均最大值出现在2012年4月，0.8 m层月平均最大值出现在2013年1月，1.6 m、2.4 m层月平均最大值出现在2013年3月。

以月为时间尺度，不同深度土壤层的月平均接地电阻发生变化是各因素共同作用的结果，其中，月平均温度和月平均降水量是主要影响因素，雨季以月平均降水量影响为主，非雨季以月平均温度影响为主;以日为时间尺度，不同深度土壤层的日平均接地电阻发生变化同样是各因素共同作用的结果，其中，日平均降水量是主要影响因素，日平均温度是影响土壤表层日平均接地电阻的主要因素。

结合以上分析结论对比已有研究成果可知，使用降阻剂的土壤和未使用降阻剂的土壤受气象因素影响的变化特征基本一致，可用依据月平均气象因素建立的不同深度月平均接地电阻的回归模型来初步估计使用降阻剂后各层土壤的月平均接地电阻值，其误差较小。

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