景茂恒，盧文浩，彭 翔，趙航航，韋曉星，陳小月，魯海亮

（1.南方電網(wǎng)超高壓輸電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東廣州 510663；2.南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東廣州 510663；3.武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430072）

0 引言

近年來(lái)，由于高壓直流輸電技術(shù)的快速發(fā)展，輸電線路的容量急劇增加，導(dǎo)致單機(jī)運(yùn)行期間接地極所流過(guò)的入地電流不斷增大[1-2]。且直流系統(tǒng)受端接地極極址選擇日益困難，多個(gè)直流系統(tǒng)共用接地極的情況日趨普遍[3-4]。作為直流輸電系統(tǒng)的重要組成部分，當(dāng)直流接地極單極工作時(shí)，強(qiáng)額定電流通過(guò)接地極流入大地并分散開(kāi)來(lái)，使周?chē)寥郎郎?。如果溫度過(guò)高，將嚴(yán)重影響接地電極的穩(wěn)定工作[5-7]。因此，研究土壤的溫度特性，分析接地極的溫升過(guò)程是直流接地系統(tǒng)的關(guān)鍵。

諸多學(xué)者針對(duì)土壤的電阻率和熱特性進(jìn)行了大量的研究，如土壤質(zhì)地對(duì)其熱特性的影響，土壤的電導(dǎo)率與溫度、鹽度、含水量有關(guān)[8-11]。當(dāng)土壤溫度低于0℃時(shí)，其電阻率急劇增加，當(dāng)溫度超過(guò)0℃時(shí)，土壤電阻率隨著溫度的升高而降低；此外，溫度超過(guò)50℃時(shí)，土壤中水的快速蒸發(fā)通過(guò)離子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致離子電導(dǎo)率消失，最終導(dǎo)致土壤電阻率呈指數(shù)增加[12]。以往多數(shù)接地極的研究集中于電流場(chǎng)，土壤電阻率被認(rèn)為是常數(shù)，這使仿真計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)不匹配。接地極溫升計(jì)算中常用的數(shù)值計(jì)算方法有有限差分法、圖像法、有限體積法和有限元法[12-17]。文獻(xiàn)[12-13]基于有限元法建立接地極電流場(chǎng)和溫度場(chǎng)全耦合模型，分析了直流接地極的暫態(tài)溫升規(guī)律，耦合模型考慮了土壤電阻率、熱導(dǎo)率、比熱容等參數(shù)隨溫度變化的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

根據(jù)電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，高壓直流輸電系統(tǒng)的大部分受端位于中國(guó)南部[18]。鑒于華南地區(qū)年降雨量大[19]，電極處的土壤長(zhǎng)期處于高含水量狀態(tài)，極址的土壤水分含量可能非常高，土壤孔隙全部充滿水，并已達(dá)到土壤的最大含水量。然而，土壤動(dòng)態(tài)變化主要取決于土壤含水量，對(duì)長(zhǎng)期處于飽和水土壤的接地極而言，目前的研究分析仍然有限。為了分析飽和土壤中接地極的發(fā)熱特性，本文對(duì)2 種不同土壤樣品在大范圍溫度內(nèi)飽和水電阻率溫升進(jìn)行了試驗(yàn)。建立了考慮水飽和土壤電阻率的接地極電熱耦合有限元模型，并通過(guò)水飽和土壤中垂直電極的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了耦合模型的可靠性。

1 飽和水土壤電阻率溫升測(cè)量

由中國(guó)土壤分布圖[20]可知，覆蓋南方地區(qū)的土壤類(lèi)型大部分為黃土和紅土。本文選取這2 種土壤為樣品進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)中國(guó)土壤工程分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[21]，對(duì)2 類(lèi)土壤進(jìn)行區(qū)分。

1.1 測(cè)量電路

含水飽和土壤電阻率的測(cè)量電路如圖1 所示。整個(gè)電路由密封土壤容器、溫度傳感器、數(shù)字萬(wàn)用表、數(shù)據(jù)記錄儀、硫酸銅參比電極和可調(diào)節(jié)直流恒流源并串聯(lián)保護(hù)電阻組成。其中，C1和C2為圓盤(pán)電流極，分別在圓筒兩端筒蓋并通過(guò)螺紋上緊密封；P1和P2為圓棒電壓極；A 為電流表；V 為電壓表。由于試驗(yàn)需樣品在溫度升高的過(guò)程中時(shí)刻保持飽和狀態(tài)，土壤容器采用直徑18 cm、長(zhǎng)50 cm 的防水、保溫性能很好的環(huán)氧樹(shù)脂圓筒，減小了土樣在高溫下測(cè)量時(shí)，因溫度降低而引起的測(cè)量誤差。容器體積較大，可以容納的飽和土樣較多，從而減小水分蒸發(fā)帶來(lái)的相對(duì)誤差。容器兩端為可拆卸不銹鋼密封蓋，密封容器的同時(shí)也可作為測(cè)量圓盤(pán)電極使用，在容器內(nèi)每隔10 cm 放置1 個(gè)溫度傳感器，以保證加熱時(shí)各部位土壤溫度均勻，數(shù)據(jù)記錄儀可在試驗(yàn)過(guò)程中隨時(shí)監(jiān)控土壤溫度。硫酸銅參比電極在容器的兩端與圓盤(pán)電極串聯(lián)連接，可以減少由于土壤極化作用引起的測(cè)量誤差。

圖1 飽和水土壤電阻率測(cè)量電路Fig.1 Diagram of water saturated soil resistivity measurement circuit

電阻率測(cè)量采用4 級(jí)法布置形式用來(lái)消除電極與土壤的接觸電阻帶來(lái)的誤差，溫度傳感器嵌入土壤樣品中。結(jié)合歐姆定律，樣品電阻率ρ為：

式中：V為電壓表讀數(shù)；I為電流表讀數(shù)；S為容器橫截面面積；L為電壓極P1和P2之間的距離。

1.2 測(cè)量方案

當(dāng)土壤溫度達(dá)到水的沸點(diǎn)時(shí)，其水分含量會(huì)迅速蒸發(fā)，極易引起接地極故障。根據(jù)DL/T 5224—2014 的規(guī)定，接地極最高溫升不應(yīng)超過(guò)水的沸點(diǎn)[22]。因此，本節(jié)研究測(cè)量水飽和土壤、砂土和焦炭電阻率在20 ℃～95 ℃溫度范圍內(nèi)其電阻率的變化規(guī)律。

將飽和水樣品填滿并密封在定制容器中，盡量保證容器中各處密度均勻。試驗(yàn)采用2 份相同樣品做平行測(cè)定。升溫過(guò)程采用恒溫箱給土壤容器進(jìn)行加溫，初始溫度設(shè)定為20 ℃，以每5 ℃為溫度間隔測(cè)量土壤電阻率。該試驗(yàn)使用直流恒流源模擬直流輸電中土壤電阻率的特性，測(cè)量中電流恒定，電壓讀數(shù)波動(dòng)。為減少極化效應(yīng)，測(cè)量電流控制在0.1 A，每個(gè)溫度點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間控制在5 s。由于測(cè)量電流小、時(shí)間短，所以忽略測(cè)量回路電流對(duì)溫度的影響。讀數(shù)讀取5 s 內(nèi)最大、最小和最頻繁出現(xiàn)的值，并將這3 個(gè)值的平均值作為最終計(jì)算電阻率的值。

1.3 測(cè)量結(jié)果及分析

圖2 與圖3 分別為溫度范圍從20 ℃到95 ℃的黃土和紅土的電阻率。

圖2 黃壤電阻率隨溫度變化曲線Fig.2 Curve of loess resistivity changing with temperature

圖2 中T為溫度，圖2—圖3 中相關(guān)系數(shù)R2作為線性擬合的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖3 紅壤電阻率隨溫度變化曲線Fig.3 Curve of red soil resistivity changing with temperature

從圖2 和圖3 可知，隨著溫度的升高，飽和水土壤電阻率呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。在溫度上升的初期，電阻率會(huì)大大降低。當(dāng)溫度較高時(shí)，電阻率的下降范圍逐漸減小并穩(wěn)定。

同時(shí)對(duì)2 種質(zhì)地的土壤測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，電阻率隨溫度的變化如圖所示，得到以下表達(dá)式：

式中：ρy為黃土電阻率；ρr為紅土電阻率。

2 種土壤擬合公式的R2＞0.99，證明擬合結(jié)果具有可行度和線性關(guān)系。

所以可認(rèn)為2 種土壤電阻率隨溫度的變化一致。在等式中隨著溫度的升高，其飽和水電阻率呈指數(shù)函數(shù)降低。因此，擬合公式也可以表示為：

式中：ρ為土壤電阻率；A，B和C為常數(shù)項(xiàng)，A為單指數(shù)衰減函數(shù)的幅度；當(dāng)T=0 時(shí)，電阻率為A+C；B為時(shí)間常數(shù)，代表土壤電阻率的下降速率；C為偏移量，代表土壤電阻率的最終無(wú)限接近值。

根據(jù)測(cè)量結(jié)果和擬合方程，可以將水飽和土壤電阻率隨溫度變化規(guī)律總結(jié)如下[12]：

1）顯著下降階段：初始溫度上升有利于土壤和水混合物中電解質(zhì)的溶解和電離。電解質(zhì)的數(shù)量增加，并且土壤水分不蒸發(fā)，導(dǎo)致溫度升高期間土壤電阻率顯著降低。因此，在此階段電阻率顯著降低。

2）飽和階段：當(dāng)土壤溫度較高時(shí)，土壤中的水分不會(huì)減少，但土壤與水的混合物中的離子遷移會(huì)增加，導(dǎo)致土壤電阻率不斷降低。當(dāng)含水量飽和的土壤逐漸接近高溫時(shí)，其電阻率的下降逐漸減緩。

文獻(xiàn)[12]研究了隨著水的蒸發(fā)，赤紅土和紅土的電阻率在20℃～92℃之間的變化趨勢(shì)。指出在水分持續(xù)蒸發(fā)的情況下，土壤的電阻率隨溫度的變化分為2 個(gè)階段：第1 階段變化是常數(shù)，第2 階段變化是函數(shù)。其結(jié)論為土壤電阻率在加熱過(guò)程中呈指數(shù)增長(zhǎng)[22-24]。這與本文所得出結(jié)論的趨勢(shì)相反，此研究證明本文所獲得的結(jié)果未涵蓋在以前的文獻(xiàn)中，更符合飽和水環(huán)境下土壤的電阻率隨溫度變化趨勢(shì)。

溫度提高了土壤溶液的電解質(zhì)溶解度和電離度，因此土壤電阻率隨溫度升高而降低。土壤的電導(dǎo)率主要取決于水和土壤溶液中的導(dǎo)電離子。土壤水分的急劇下降導(dǎo)致土壤導(dǎo)電路徑中電解質(zhì)溶液含量的顯著降低，從而減少了土壤溶液中的離子遷移，并且僅存在土壤骨架電導(dǎo)。土壤骨架是不良的導(dǎo)體，因此會(huì)導(dǎo)致土壤電導(dǎo)率迅速下降。即，土壤電阻率的變化主要取決于水中導(dǎo)電離子的變化和含水量。眾所周知，水的電阻隨著溫度的升高而降低，并且趨于在沸點(diǎn)附近穩(wěn)定。因此，在不降低土壤含水量的條件下，土壤電阻率的變化主要取決于水的電阻率的變化。土壤電阻率的變化趨勢(shì)與水的電阻率變化相似。當(dāng)溫度升高時(shí)，水飽和土壤電阻率的下降趨勢(shì)與指數(shù)衰減函數(shù)一致。

2 考慮飽和水土壤溫度特性的直流接地極溫升模型

2.1 直流接地極在飽和水介質(zhì)中溫升有限元計(jì)算模型

本文重點(diǎn)研究飽和水土壤中電流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的全耦合瞬態(tài)過(guò)程，從而有效反映接地極的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。本文提出模型中代入了式（4）的實(shí)測(cè)變化規(guī)律。土壤參數(shù)的變化進(jìn)一步影響接地電極電流分布的變化，其物理過(guò)程如圖4 所示。

圖4 飽和水土壤中接地極溫升的物理過(guò)程圖Fig.4 Physical process of grounding electrode temperature rise in water-saturated soil

基于本文所提研究思路，采用有限元法進(jìn)行仿真，將電磁模塊和固體傳熱耦合在一起。根據(jù)初始土壤參數(shù)、環(huán)境溫度等確定接地極周?chē)臏囟葓?chǎng)的當(dāng)前時(shí)刻的溫度值；預(yù)設(shè)時(shí)間段內(nèi)，循環(huán)執(zhí)行該步驟：更新土壤電阻率、土壤熱導(dǎo)系數(shù)及熱容量；根據(jù)更新后的土壤參數(shù)確定預(yù)設(shè)時(shí)間段內(nèi)的各時(shí)刻下接地極周?chē)臏囟葓?chǎng)的溫度值。已有文獻(xiàn)指出接地極和土壤的網(wǎng)格劃分方法及土壤邊界在有限元仿真中的數(shù)值性能[12，24]，結(jié)果表明仿真中土壤邊界尺寸取10 倍的接地電極底部深度，電極穩(wěn)態(tài)溫度分布的相對(duì)誤差小于0.02%[23]。仿真流程見(jiàn)圖5，仿真步驟如下：

圖5 仿真流程圖Fig.5 Simulation flow chart

1）建立土壤和電極的幾何模型，設(shè)置初始土壤參數(shù)，并代入得出的飽和水土壤電參數(shù)與溫度相關(guān)的函數(shù)。

2）分別對(duì)接地電極和土壤進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

3）由最初溫度得到初始土壤電阻率ρ，計(jì)算出電流場(chǎng)中的電流分布，然后根據(jù)求解的電流分布計(jì)算溫度場(chǎng)中的溫度分布。

4）輸出每個(gè)時(shí)段內(nèi)的溫度分布，并更新ρ。

5）如果仿真時(shí)間t＞預(yù)定義時(shí)間tma（x步長(zhǎng)min），終止計(jì)算；否則，t+Δt→（tΔt為變化時(shí)間），重新從步驟3）執(zhí)行。

2.2 飽和水土壤溫度特性對(duì)直流接地極溫升的影響

為了分析含水飽和土壤各項(xiàng)參數(shù)變化對(duì)接地電極溫升的影響，并突出影響電極的規(guī)律和特性[25-26]，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了盡可能簡(jiǎn)單的模擬，因此假定土壤為各向同性，忽略層狀土壤對(duì)電流分布的影響。傳統(tǒng)模型一般不考慮土壤參數(shù)的溫度變化特性，土壤水分蒸發(fā)的模型工況與本文研究不符，沒(méi)有可比性。為了對(duì)比，分別采用傳統(tǒng)的恒定土壤參數(shù)模型與本文建立的考慮飽和水土壤參數(shù)溫升特性的模型進(jìn)行仿真計(jì)算。利用本文提出的仿真模型，以單個(gè)垂直接地極為例進(jìn)行計(jì)算。電極和土壤參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 仿真模型的參數(shù)Table 1 Parameters of simulation model

將土壤的恒定參數(shù)模型與溫變模型進(jìn)行比較。分別計(jì)算飽和水土壤參數(shù)模型與恒定土壤參數(shù)模型中接地極注流10 d 的溫度分布，如圖6—7 所示。

圖6 電極在黃土中的溫度分布Fig.6 Temperature distribution of electrode in loess

圖6 和圖7 為飽和水黃土和紅壤中運(yùn)行10 d的電極表面溫度分布。在相同的初始條件下，動(dòng)態(tài)土壤電阻率模型中電極的整體溫度分布明顯低于恒定土壤參數(shù)模型，2 種模型的最終溫度分布略有不同。根據(jù)線性接地極的“末端效應(yīng)”，電極的最高溫度出現(xiàn)在末端。由表2 仿真結(jié)果可知，紅壤常規(guī)模型的溫度比紅壤動(dòng)態(tài)模型的高7.53 ℃，而在黃土中，2 種模型的最高溫度差為14.8 ℃。

圖7 電極在紅土中的溫度分布Fig.7 Temperature distribution of electrode in red soil

表2 仿真結(jié)果Table 2 Simulation results of two models

圖8 和9 為2 種土壤中接地極的最高溫度點(diǎn)與運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系。在達(dá)到37.9 ℃和28.3 ℃之前，2 種模型的溫度上升趨勢(shì)是相同的（黃土和紅土）。隨著電極溫度不斷升高，飽和水土壤電阻率模型的升溫速率明顯低于恒定土壤電阻率模型的升溫速率。土壤電阻率的大幅降低導(dǎo)致土壤發(fā)熱逐漸降低，從而進(jìn)一步影響電極的升溫速率。當(dāng)接地極的運(yùn)行時(shí)間增加時(shí)，電極溫度進(jìn)一步升高，周?chē)寥赖碾娮杪式档?，從而最終導(dǎo)致2 種模型的溫度計(jì)算結(jié)果之間存在較大差距。從仿真結(jié)果可知，不同土壤中電極的溫度變化是相似的。

圖8 黃土中電極的終端溫升Fig.8 Terminal temperature rise of electrode in loess

圖9 紅土中電極的終端溫升Fig.9 Terminal temperature rise of electrode in red soil

圖10 為黃土中電極表面電流密度分布。

圖10 飽和水與恒定參數(shù)中電極表面電流密度（黃土）Fig.10 Electrode surface current density in loess

從圖10 可知，恒定參數(shù)下，電極表面電流密度一直為恒定值，電極尾部電流密度達(dá)到了42.08 A/m2。在考慮飽和水溫度特性的情況下，電極表面的電流密度是隨時(shí)間而變化的。分析其原因?yàn)轱柡退S土電阻率隨著溫度而改變導(dǎo)致各個(gè)部位的電流密度也在改變。隨著運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，電極尾部的電流密度一直在增大，端部電流密度在減小。尾部電流密度的聚集導(dǎo)致電極中部電流密度相比于恒定參數(shù)模型有所降低。

仿真結(jié)果表明在飽和水土壤接地極仿真模型中電極溫度分布明顯低于恒定土壤參數(shù)模型，隨著運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)增加，電極溫度雖然也在升高，但飽和水土壤參數(shù)模型的溫度上升速率逐漸降低。

3 接地極仿真模型的試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方案

為了驗(yàn)證本文建立的飽和水土壤參數(shù)下接地極仿真模型的可靠性，進(jìn)行直線型電極的溫升試驗(yàn)。2 節(jié)已證明當(dāng)含水量飽和時(shí)，不同類(lèi)型的土壤對(duì)接地電極的溫升作用相同。因此試驗(yàn)選取紅壤作為模擬試驗(yàn)土壤。

接地極的溫度場(chǎng)與其電流分布緊密相關(guān)，為使試驗(yàn)裝置的電流場(chǎng)與實(shí)際直線型接地極散流具有相似的分布，溫升模擬試驗(yàn)在1 個(gè)直徑50 cm，高50 cm 的不銹鋼桶中進(jìn)行。桶內(nèi)充滿了水飽和的土壤以模擬大地，直徑為1 cm 的鋼棒作為電極放置在桶的中心，與桶底面相距10 cm，以防止電流直接從電極進(jìn)入不銹鋼桶桶壁。在試驗(yàn)過(guò)程中，電流從電極頂部注入，然后返回到不銹鋼桶桶壁，形成電流回路。圖11 為試驗(yàn)裝置連接示意圖。

圖11 垂直電極試驗(yàn)接線示意圖Fig.11 Diagram of test wiring of vertical grounding electrode

試驗(yàn)采用300 V/20 A 直流電源，輸出電流在0～20 A 的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。溫度測(cè)量采用高精度的TP-100 型貼片式熱電阻，且熱電阻外表層做了絕緣處理，防止通入直流電流時(shí)會(huì)影響熱電阻的溫度測(cè)量。試驗(yàn)前土壤水飽和48 h 以上，電極的溫升觀測(cè)是試驗(yàn)的重點(diǎn)，但考慮到電極的尺寸較小，熱電阻布置過(guò)多可能會(huì)影響電極的散流。因此，考慮到直線型接地極有端部效應(yīng)，為獲得電極整體大致的溫度分布規(guī)律，溫度傳感器布置在電極的兩端。為減少環(huán)境因素對(duì)試驗(yàn)的影響，調(diào)整了電極的升溫速率。試驗(yàn)中注入電流為2 A，通流時(shí)間為24 min，熱電阻每10 s 讀取1 次數(shù)據(jù)。

3.2 仿真和試驗(yàn)結(jié)果分析

圖12—13 為恒定土壤電阻率和水飽和土壤電阻率模型的仿真結(jié)果，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較?？紤]了水飽和土壤電阻率的接地極模型仿真結(jié)果的趨勢(shì)與測(cè)量結(jié)果非常接近。表3 為仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值。在電極底部（A），電流注入24 min 后仿真結(jié)果為38.44 ℃，實(shí)際測(cè)量結(jié)果為39.62 ℃，從圖12—13 可知，仿真比溫度上升開(kāi)始時(shí)的測(cè)量結(jié)果略快，最終溫度略低于測(cè)量值。在電極頂部（B），仿真和測(cè)量結(jié)果的溫升曲線非常接近。注入電流24 min后，仿真最終溫度為51.02 ℃，實(shí)際測(cè)量溫度為52.83 ℃，實(shí)驗(yàn)與仿真誤差在3.5%以?xún)?nèi)。出現(xiàn)誤差的原因可能是試驗(yàn)的初始土壤溫度與仿真略有不同。在仿真中土壤的初始溫度、電阻率、密度和熱參數(shù)是均勻的，但在試驗(yàn)中，土壤是與水混合并人工壓實(shí)的，因此不可避免地會(huì)出現(xiàn)密度、初始溫度和含水量不均勻的情況。所以在土壤這類(lèi)復(fù)雜介質(zhì)中，仿真和實(shí)驗(yàn)誤差是可以接受的。

圖12 測(cè)點(diǎn)A溫升測(cè)量值與仿真結(jié)果對(duì)比（電極底部）Fig.12 Comparison of temperature rise measurement value of Point A with the simulation results（Electrode bottom）

圖13 測(cè)點(diǎn)B溫升測(cè)量值與仿真結(jié)果對(duì)比（電極頂部）Fig.13 Comparison of temperature rise measurement value of Point B with simulation results（Electrode top）

表3 仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值Table 3 Simulation results and measured values ℃

不論電極的哪一部分，恒定土壤電阻率模型的溫升速率和最終溫度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于測(cè)量值。因此，實(shí)驗(yàn)證明土壤電阻率恒定的接地極模型的模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果不同，考慮土壤水飽和電阻率的模型仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

4 結(jié)論

本文主要研究水飽和土壤條件下接地極的溫升；獲得了飽和土壤電阻率的溫度特性。在此基礎(chǔ)上，建立了接地電極溫升模型進(jìn)行仿真。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)證實(shí)了仿真模型的可靠性。本文研究得出以下結(jié)論:

1）考慮接地極處于地下水飽和環(huán)境中的特點(diǎn)，對(duì)飽和水土壤電阻率進(jìn)行了溫度變化特性測(cè)量，分析了電阻率和熱參數(shù)隨溫度變化的機(jī)理；通過(guò)進(jìn)行數(shù)值擬合，得出了不同類(lèi)型的飽和水地下介質(zhì)電阻率和熱參數(shù)隨溫度變化的表達(dá)式，為進(jìn)一步分析接地極的溫升過(guò)程建立了基礎(chǔ)。

2）應(yīng)用得到的飽和水地下介質(zhì)的電阻率、熱參數(shù)與溫度的函數(shù)，采用有限元法建立了考慮飽和水地下介質(zhì)溫變特性的直流接地極溫升模型。采用常規(guī)的垂直接地極形式，進(jìn)行了溫升仿真計(jì)算，分析了其在飽和水土壤中的溫升過(guò)程，得出飽和水土壤模型中的電極溫升速率明顯低于常規(guī)土壤模型的規(guī)律。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，電極溫升速率逐漸降低，多層土壤模型中飽和土壤對(duì)電極溫升的影響不變。

3）通過(guò)在飽和水土壤中電極的溫升試驗(yàn)，證明水飽和土壤參數(shù)溫度特性的確會(huì)影響接地電極的溫升。仿真與試驗(yàn)溫升趨勢(shì)非常接近，與常規(guī)模型進(jìn)行計(jì)算對(duì)比發(fā)現(xiàn)考慮飽和水土壤溫度特性可使仿真計(jì)算誤差降低31.84%。試驗(yàn)證明在地下水資源豐富的接地電極的溫升計(jì)算中必須考慮水飽和土壤電阻率、熱參數(shù)的溫度特性。

4）使用本文研究的土壤電阻率溫度特性獲得的接地極溫升低于通過(guò)恒定土壤電阻率計(jì)算獲得的溫升。并且與以往的研究不同，本研究中的接地極溫升結(jié)果在以前的文獻(xiàn)中并未獲得。這表明利用飽和水土壤溫度特性模擬接地電極的溫升可以為接地極在飽和水土壤條件下的運(yùn)行提供理論依據(jù)。同時(shí)使用本文的研究方法和結(jié)果，可避免因接地極溫升問(wèn)題而導(dǎo)致其設(shè)計(jì)規(guī)模過(guò)大，節(jié)省接地極的投資或者降低施工難度。