郭在華， 向亞飛， 李良福， 覃彬全

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

0 引言

在現(xiàn)代防雷工程設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收中，接地是主要工作。接地的目的是確保電力系統(tǒng)安全運(yùn)行、確保人身安全等。接地功能通過(guò)接地裝置或接地系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，工頻短路電流或雷電流最終都將通過(guò)接地裝置引入地下。所以完善的接地裝置是保證保護(hù)對(duì)象防雷安全的關(guān)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(biāo)，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(xiàng)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(duì)局部土壤進(jìn)行理化處理，提高接地裝置周圍地區(qū)土壤的導(dǎo)電性［4］。眾多學(xué)者對(duì)于降阻劑的研究主要是研究降阻劑的降阻機(jī)理和降阻劑的性能;研究降阻劑在使用過(guò)程中對(duì)接地體的腐蝕、接地電阻降阻穩(wěn)定性、降阻效果、降阻劑對(duì)環(huán)境的污染等方面技術(shù)。但是，對(duì)于固定土質(zhì)使用降阻劑之后接地電阻的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)連續(xù)變化數(shù)據(jù)的觀測(cè)，以及接地電阻與天氣變化的關(guān)系分析的研究還很欠缺。

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)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(shí)間段內(nèi)的值與溫度、濕度等的相關(guān)性，得到了接地電阻與各因素的相關(guān)關(guān)系以及定期檢測(cè)接地電阻的結(jié)論;吳云清［6］根據(jù)從化地區(qū)觀測(cè)數(shù)據(jù)擬合了接地電阻與溫度等的關(guān)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(guān)系，得出了降水時(shí)間和降水量是影響接地電阻恢復(fù)到降水前值的主要因素的結(jié)論。其他還包括土壤含水量［8-10］、溫度［11-12］等對(duì)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(guān)系，或者單一氣象因素與接地電阻的關(guān)系，基于此，根據(jù)對(duì)使用降阻劑的土壤的接地電阻一年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，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(guān)關(guān)系。這對(duì)設(shè)計(jì)和改善接地裝置、對(duì)后續(xù)降阻劑的使用有著重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)也是對(duì)降阻劑的穩(wěn)定性和長(zhǎng)效性的有效檢測(cè)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與分析方法

分析所用數(shù)據(jù)來(lái)源于2012年4月～2013年3月對(duì)重慶市歌樂(lè)山氣象觀測(cè)場(chǎng)接地電阻和溫度等的監(jiān)測(cè)，該地區(qū)無(wú)凍土情況存在。接地電阻測(cè)量采用多功能土壤電阻率與接地電阻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［13］。測(cè)試方案示意圖如圖1所示，在觀測(cè)場(chǎng)布置1臺(tái)多功能土壤電阻率監(jiān)測(cè)儀，接地極統(tǒng)一材質(zhì)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(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)儀采用的測(cè)量原理是基于三極直線法的分層測(cè)試技術(shù)，能同時(shí)監(jiān)測(cè)5個(gè)不同深度土壤層的土壤電阻率和接地電阻值。系統(tǒng)能長(zhǎng)期連續(xù)地監(jiān)測(cè)多地點(diǎn)、多層次的土壤電阻率和接地電阻變化情況，可任意設(shè)置采樣時(shí)間間隔，具有成本低、測(cè)試方便快捷、數(shù)據(jù)傳輸靈活、高度智能化等特點(diǎn)。

圖1 觀測(cè)場(chǎng)示意圖

根據(jù)歌樂(lè)山氣象站接地電阻和氣象因素資料，對(duì)敷設(shè)降阻劑后不同深度土壤接地電阻的變化規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并利用溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速和雨量數(shù)據(jù)和pearson［14］相關(guān)系數(shù)分析方法，分別定量分析了各氣象因素與接地電阻的相關(guān)關(guān)系。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

2．1 接地電阻總體分布特征

根據(jù)觀測(cè)場(chǎng)測(cè)試站點(diǎn)對(duì)接地電阻的每小時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了不同深度接地裝置在敷設(shè)降阻劑之后接地電阻的變化與分布特征，同時(shí)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(guī)律為隨著深度增加，接地電阻平均值呈波動(dòng)減小，接地電阻平均值變化幅度減小，變化率呈波動(dòng)增加。

表1 各層接地電阻變化規(guī)律

2．2 接地電阻季節(jié)(月)變化特征

不同季節(jié)接地裝置接地電阻季節(jié)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(jié)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(xiàn)在9月，最大值出現(xiàn)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(xiàn)在9月，最大值出現(xiàn)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(xiàn)在9月，最大值出現(xiàn)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(xiàn)在10月，最大值出現(xiàn)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(xiàn)在10月，最大值出現(xiàn)在4月。

圖3 接地電阻月變化曲線圖(橫坐標(biāo)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(jié)變化特征。各層接地電阻最小值均出現(xiàn)在秋季9～10月，最大值除0.8 m層出現(xiàn)在冬季的1月外，其余層均出現(xiàn)在3～4月。該地區(qū)接地裝置接地電阻值季節(jié)變化總體趨勢(shì)為春季到秋季逐漸減小，4月至10月逐漸減小，10月至來(lái)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(xiàn)在秋季，最大值出現(xiàn)在冬季，土壤深層(1.6 m、2.4 m)接地電阻最小值出現(xiàn)在秋季，最大值出現(xiàn)在春季。

2．3 接地電阻與各氣象因素的關(guān)系

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)的月平均值、日平均值，利用數(shù)據(jù)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(guān)系曲線、日平均接地電阻值與各氣象要素日平均值的相關(guān)系數(shù)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(fēng)速對(duì)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(guān)系分析

由圖4月平均接地電阻值與月平均溫度數(shù)據(jù)關(guān)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(dòng)升高。這表明:溫度和其他因素共同對(duì)接地電阻的月變化產(chǎn)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(xiàn)典型的負(fù)相關(guān)性，即在此時(shí)間段內(nèi)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(biāo)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(guān)系數(shù)。由表中數(shù)據(jù)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(jiǎn)單相關(guān)性都呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，都通過(guò)了置信度99%的顯著水平檢驗(yàn)。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(guān)性也都呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，都通過(guò)了置信度99%的顯著水平檢驗(yàn)。此外，除0.4 m層和2.4 m層的日偏相關(guān)系數(shù)比日簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)小外，其它層偏相關(guān)系數(shù)都比簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)大。分析表明:無(wú)論有沒(méi)有其他氣象要素參與對(duì)接地電阻的影響，溫度對(duì)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(fù)相關(guān)關(guān)系。

表2 接地電阻與溫度相關(guān)系數(shù)

2.3.2 接地電阻與濕度的關(guān)系分析

圖5是月平均接地電阻與月平均濕度數(shù)據(jù)的關(guān)系曲線圖。由圖可知，對(duì)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(xiàn)負(fù)相關(guān)，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(duì)于1.6 m和2.4 m層，兩者的變化特征比較復(fù)雜，相關(guān)性也有正有負(fù)。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(jié)果。

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

表3 接地電阻與濕度相關(guān)系數(shù)

日平均接地電阻與日平均濕度的相關(guān)系數(shù)見(jiàn)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(jiǎn)單相關(guān)性都呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，除2.4 m層外其他層簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)都通過(guò)了置信度99%的顯著水平檢驗(yàn);在消除其它因素影響的條件下，其偏相關(guān)都是負(fù)相關(guān)，除2.4 m層外都通過(guò)了置信度99%的顯著水平檢驗(yàn)。這表明:濕度與接地電阻的相關(guān)性為負(fù)相關(guān)，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(shí)了劉靖國(guó)［15］有關(guān)于接地電阻與濕度變化關(guān)系的結(jié)論。

2.3.3 接地電阻與降水的關(guān)系分析

何金良等［16-17］分析了月平均電阻與月降水量的關(guān)系，文中分析的是月平均接地電阻與月平均降水量的關(guān)系(圖6)。由圖可知，在雨季，5～7月雨量是減小趨勢(shì)，7～9月雨量是增加趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的月平均電阻值變化復(fù)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(fā)生變化的敏感因素，在少雨季節(jié)兩者的相關(guān)性表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，在多雨季節(jié)則較為復(fù)雜。同時(shí)，由文獻(xiàn)［16］可知降水對(duì)土壤電阻特性的影響主要體現(xiàn)在降水量和降水持續(xù)時(shí)間兩方面，因此月平均降水量對(duì)接地電阻的影響效果相對(duì)沒(méi)那么顯著。

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

從日平均降水量和日平均接地電阻的相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表4)來(lái)看，兩者的相關(guān)性以負(fù)相關(guān)為主，其簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)除1.6 m層外都通過(guò)了顯著水平檢驗(yàn)，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(guān)系數(shù)只有0.8 m層通過(guò)了置信度95%的顯著水平檢驗(yàn)。并且簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)都大于偏相關(guān)系數(shù)。這表明:在其他因素協(xié)同作用下日平均降雨量對(duì)接地電阻的影響效果比沒(méi)有其他協(xié)同因素作用的影響效果更顯著，即降雨量對(duì)接地電阻的影響顯著性需要其他協(xié)同因素的作用。

表4 接地電阻與降水相關(guān)系數(shù)

3 接地電阻與各氣象因素的回歸分析

根據(jù)接地電阻與氣象因素的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立氣象因素對(duì)接地電阻影響的多元線性回歸數(shù)學(xué)模型。利用SPSS分析軟件對(duì)接地電阻與氣象因素的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析，探討氣象因素相互作用對(duì)接地電阻的影響機(jī)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(shí)際值與預(yù)測(cè)值之間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)R＞0.8，回歸模型的判定系數(shù)和和調(diào)整決定系數(shù)R2和Radj2＞0.6，即依據(jù)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(jì)算不同深度土壤層月平均接地電阻與實(shí)際值差異較小，因此可用該模型來(lái)初步估計(jì)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(shù)據(jù)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(shí)際值與預(yù)測(cè)值之間的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)R在0.523～0.693，回歸模型的判定系數(shù) R2在0.274～0.480，調(diào)整決定系數(shù)Radj2在0.261～0.472，即依據(jù)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(jì)算不同深度土壤層日平均接地電阻與實(shí)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(guò)影響土壤溫度和含水量來(lái)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(duì)月平均接地電阻影響的回歸模型中的重要因素，依據(jù)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(lái)初步估計(jì)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(duì)日平均接地電阻影響的回歸模型中的重要因素，但通過(guò)日平均數(shù)據(jù)建立的回歸模型計(jì)算值與實(shí)際值差異較大，因此以日平均數(shù)據(jù)建立的模型不可用。通過(guò)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(duì)較小，主要原因在于降水對(duì)土壤電阻的影響體現(xiàn)在降水總量和降水持續(xù)時(shí)間兩方面。

根據(jù)月平均數(shù)據(jù)建立的回歸模型計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果的對(duì)比分析(圖7)，并結(jié)合相對(duì)誤差的計(jì)算發(fā)現(xiàn):各層的計(jì)算值與測(cè)量值的平均相對(duì)誤差分別為:2.62%、1.58%、1.25%、3.14%、7.53%。相對(duì)誤差較小，進(jìn)一步說(shuō)明依據(jù)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(cè)量值與計(jì)算值的對(duì)比曲線圖(橫坐標(biāo)為2012.04～2013.03)

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)使用降阻劑土壤的接地電阻一年數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，分析總結(jié)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(jié)論。

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

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

以月為時(shí)間尺度，不同深度土壤層的月平均接地電阻發(fā)生變化是各因素共同作用的結(jié)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(shí)間尺度，不同深度土壤層的日平均接地電阻發(fā)生變化同樣是各因素共同作用的結(jié)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(jié)合以上分析結(jié)論對(duì)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(jù)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(lái)初步估計(jì)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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