袁 濤 任健行 司馬文霞 常飛童 蔡永翔 肖小兵

土壤電阻率的負(fù)溫特性及凍土對(duì)接地極沖擊響應(yīng)的影響

袁 濤1任健行1司馬文霞1常飛童1蔡永翔2肖小兵2

（1. 輸變電裝備技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)） 重慶 400044 2. 貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 貴陽 550000）

西藏地區(qū)由于獨(dú)特的氣候與地理環(huán)境，在其凍土地區(qū)存在雷電與低溫共存現(xiàn)象。低溫下凍土作為含冰復(fù)雜體系，其在雷擊下的沖擊散流性能仍不明晰，因此該文就凍土電阻率的負(fù)溫特性以及接地極的沖擊特性開展研究。首先研究了不同含水量、含鹽量的土壤電阻率隨溫度的變化規(guī)律；然后在沖擊電流作用下，以永凍土試品的表層土壤融化厚度和季節(jié)性凍土試品的表層土壤凍結(jié)厚度為變量，探究了其對(duì)相應(yīng)凍土中垂直接地極暫態(tài)電位的影響規(guī)律；最后結(jié)合凍結(jié)條件下土壤沖擊放電的形貌特征與地中電場(chǎng)強(qiáng)度和電流密度的分布特性，探討了負(fù)溫下接地極暫態(tài)電位變化的本質(zhì)原因。試驗(yàn)研究表明：考慮鹽分對(duì)土壤的影響，當(dāng)其溫度在一次凍結(jié)溫度f與二次凍結(jié)溫度s之間時(shí)，電阻率隨溫度下降緩慢上升，只有當(dāng)溫度降至二次凍結(jié)溫度時(shí)，才存在突增現(xiàn)象；在永凍土中，當(dāng)凍土溫度高于s時(shí)，接地極仍具有較好的散流性能。由此可知降低s可以減小水分凍結(jié)對(duì)土壤電阻率的影響，為避免極寒地區(qū)接地極失效提供了新思路。

接地 凍土 沖擊電流 極寒低溫 土壤電離

0 引言

我國(guó)西藏地區(qū)擁有豐富的風(fēng)能[1]、水能、太陽能等綠色能源，十四五期間規(guī)劃建設(shè)多條藏電送出通道。據(jù)文獻(xiàn)[2-3]報(bào)道，西藏地區(qū)即使在極寒的春冬季節(jié)，月雷暴日也可達(dá)15日以上，輸電線路走廊環(huán)境存在凍土、雷電活動(dòng)共存的情況。因此，有必要研究?jī)鐾林薪拥貥O的沖擊散流特性。

土壤作為雷電流的散流媒質(zhì)，在雷電流作用下，存在電離、局部擊穿等現(xiàn)象[4]。土壤擊穿后電阻率迅速下降，其放電范圍根據(jù)雷電流幅值可達(dá)數(shù)m[5-6]，該現(xiàn)象對(duì)接地極的散流性能有顯著影響。但土壤在低溫下凍結(jié)后，電離特性有別于融土，雷電流在凍土中的散流特性變得更為復(fù)雜。有文獻(xiàn)通過長(zhǎng)期實(shí)地測(cè)量研究了土壤電阻率的季節(jié)性變化規(guī)律，明確提出要重視降雨[7]、低溫[8-9]對(duì)土壤電阻率的影響。目前有關(guān)凍土電氣特性的研究多集中在凍土電阻率上，文獻(xiàn)[10]建立了凍土電阻率的計(jì)算模型，該模型可以用于凍土中未凍水含量的反演計(jì)算；西南交通大學(xué)[11]則研究了不同類型、不同含水量的土壤電阻率的負(fù)溫變化特性。而關(guān)于接地極在凍土中的沖擊散流特性研究仍不完善，文獻(xiàn)[12]通過數(shù)值計(jì)算的手段探究了表層土壤凍結(jié)厚度、土壤電阻率對(duì)接地極工頻接地電阻的影響；文獻(xiàn)[13]在計(jì)算接地極雷擊暫態(tài)電位時(shí)考慮了冬季表層土壤凍結(jié)的情況，并假設(shè)凍土、融土的電離區(qū)域?yàn)橐?guī)則結(jié)構(gòu)，電離區(qū)域土壤的剩余電阻率為初始電阻率的7%；清華大學(xué)使用沖擊電壓發(fā)生器對(duì)凍土的沖擊擊穿特性開展試驗(yàn)研究，探討了凍土的擊穿場(chǎng)強(qiáng)[14-15]、擊穿時(shí)延[16]與其含水量、含鹽量、溫度之間的關(guān)系。由此可見，目前的研究多集中在不含鹽土壤電阻率的溫度特性上，同時(shí)并未開展過季節(jié)性凍土、永凍土中接地極沖擊散流特性的試驗(yàn)研究。

因此，本文一方面首先通過改變土壤的含水、含鹽量，配置了不同凍結(jié)溫度的土壤試品，測(cè)量了不同溫度下土壤的電阻率，然后計(jì)算了凍土的未凍水含量，并結(jié)合土壤導(dǎo)電機(jī)理分析了測(cè)量結(jié)果；另一方面，在一定幅值的沖擊電流作用下，以永凍土試品的表層土壤融化厚度和季節(jié)性凍土試品的表層土壤凍結(jié)厚度為變量，分別探究了其對(duì)相應(yīng)凍土中垂直接地極暫態(tài)電位的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試品制作

本文開展了兩類試驗(yàn)：①測(cè)量土壤電阻率；②觀測(cè)永凍土、季節(jié)性凍土試品中垂直接地極的沖擊散流特性。

土壤中的鹽分通常以硫酸鹽、氯鹽、碳酸鹽為主，本文根據(jù)凍土中鹽分、水分含量分布范圍[17]，以砂土干重為基準(zhǔn)，在試驗(yàn)中分別配置了含鹽（NaCl）量分別為0%、0.5%、1%、2%，含水量分別為5%、10%、15%、20%的16種成分試品。后文中為了描述方便，將含鹽記為s，含水記為w，并略去百分號(hào)%。

如圖1a所示，將溫度傳感器（實(shí)時(shí)測(cè)量土壤溫度）置于內(nèi)邊長(zhǎng)為20 cm的正方體砂盒中，放入低溫試驗(yàn)箱內(nèi)冰凍。一定時(shí)間后，查看傳感器所記錄數(shù)據(jù)，若已在設(shè)定溫度附近波動(dòng)，則用四極法測(cè)量土壤電阻率。土壤電阻率計(jì)算式為

式中，S為電流極表面積，m2；U為電壓極之間的電勢(shì)差，V；d為兩電壓極之間的內(nèi)側(cè)距離，m；I為測(cè)量回路中的電流，A。

根據(jù)文獻(xiàn)[18]對(duì)雙層土壤結(jié)構(gòu)的布置建議（上下兩層土壤厚度比例小于1:3），結(jié)合縮比試驗(yàn)原理[19]，分別制作了模擬永凍土表層土壤融化以及模擬季節(jié)性凍土表層土壤凍結(jié)的試品，如圖1b、圖1c所示。設(shè)定表層土壤融化或凍結(jié)厚度分別為0、4、8、10 cm，選擇長(zhǎng)為8 cm、截面直徑為3 mm的圓柱銅棒為垂直接地極，邊長(zhǎng)為40 cm的正方體砂盒為散流區(qū)域，并在砂盒四周和底部敷設(shè)回流極。

1.2 沖擊散流試驗(yàn)平臺(tái)

沖擊電流發(fā)生器在空載情況下，可產(chǎn)生8/20 μs的沖擊電流波形。試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示。圖中，Pearson線圈比例為40:1，采集沖擊電流波形；電容分壓器比例為2 000:1，采集沖擊電壓波形；Rigor示波器最大采樣頻率為1 GS/s，最大存儲(chǔ)深度為100 Mpts，這三者構(gòu)成沖擊試驗(yàn)的測(cè)量系統(tǒng)。觀測(cè)系統(tǒng)由X射線發(fā)生器、凍土試品、成像板構(gòu)成，用來觀測(cè)土壤的放電區(qū)域。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)流程如下：調(diào)節(jié)充電電壓使沖擊電流發(fā)生器在不同試品接入下輸出幅值為2.2 kA的標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電流，以接地極暫態(tài)電位作為輸出，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)重復(fù)試驗(yàn)3次，并取平均值。由于凍土對(duì)溫度變化敏感，試驗(yàn)時(shí)在砂盒周圍包裹隔熱石棉。

2 凍土物理參數(shù)測(cè)量

2.1 土壤凍結(jié)溫度測(cè)量與未凍水含量計(jì)算

土壤在凍結(jié)過程中，時(shí)間-溫度曲線[20]如圖3所示，有如下變化規(guī)律。

圖3 土壤凍結(jié)曲線

在AB階段，隨著凍結(jié)時(shí)間增加，土壤溫度逐漸下降至過冷溫度，但水分并未凍結(jié)，這是因?yàn)橥寥乐械乃謨鼋Y(jié)需要形成以土顆粒為主的結(jié)晶中心，這一階段需要比凍結(jié)溫度更低的溫度；BC為跳變階段，土壤中的水分圍繞結(jié)晶中心形成冰晶；CD為平衡階段，此時(shí)對(duì)應(yīng)溫度稱為土壤的凍結(jié)溫度f，也稱為一次凍結(jié)溫度，自由水開始凍結(jié)，相變釋放出潛熱；DE為降溫階段，土壤溫度繼續(xù)降低，最后僅剩少量結(jié)合水未凍結(jié)，結(jié)合水由靠近土壤顆粒的水分受到土粒表面靜電力的吸引而形成，它在凍結(jié)時(shí)不僅需要克服水分子之間的引力，還需克服土粒表面的分子引力，因此其凍結(jié)溫度更低[14]。

根據(jù)溫度傳感器記錄曲線中出現(xiàn)的平衡階段，可以獲取土壤的f如圖4所示。從圖中可以看出，不同水分、鹽分土壤的f有明顯差異[21]：含水量越高，f越高；含鹽量越高，f越低。

圖4 不同成分土壤的一次凍結(jié)溫度

即使在極低溫下，由于土壤的孔隙毛細(xì)作用及吸附作用，土壤中的水分并不會(huì)全部?jī)鼋Y(jié)，而是保持一定數(shù)量液態(tài)水，稱為未凍水。為定量分析后文中的試驗(yàn)結(jié)果，在此計(jì)算了幾種不同成分土壤的未凍水含量隨溫度的變化規(guī)律。

對(duì)于固定成分的土壤，未凍水含量取決于土壤溫度，可用經(jīng)驗(yàn)公式[20]表示為

式中，u為未凍水含量；為溫度，℃；和為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，其中與土壤類型和含鹽量有關(guān)。因此可以通過測(cè)定兩個(gè)不同含水量土壤所對(duì)應(yīng)的凍結(jié)溫度來計(jì)算、，從而預(yù)測(cè)不同溫度下凍土中未凍水含量。但當(dāng)溫度足夠低時(shí)，含鹽土壤存在未凍水含量陡降點(diǎn)[22]，對(duì)應(yīng)溫度被稱為二次凍結(jié)（相變）溫度s。根據(jù)NaCl·H2O體系相圖理論，純NaCl溶液的s=-21.2℃。在土壤中，此溫度會(huì)更低，在二次相變過程中，會(huì)發(fā)生反應(yīng)（見式（3）），生成大量水石鹽NaCl·2H2O和冰。

需要注意的是，式（2）不適用于含鹽土壤的溫度低于s時(shí)未凍水含量的計(jì)算。

在圖5中繪制了含水量分別為w5、w10，含鹽量分別為s0、s0.5、s1、s2土壤的7條曲線。由于s2和w5土壤中水分未能完全溶解NaCl，因此無法套用式（2）計(jì)算。從圖5中可以看出：當(dāng)溫度高于f時(shí)，土壤中的水分并不凍結(jié)，未凍水含量保持不變；當(dāng)溫度低于f后，土壤中未凍水含量隨溫度下降而減少的速率先快后慢，這與土壤的含鹽、含水量相關(guān)。

圖5 土壤中未凍水含量隨溫度變化

2.2 土壤電阻率測(cè)量結(jié)果及分析

土壤的導(dǎo)電方式可分為孔隙水導(dǎo)電與土壤顆粒表面導(dǎo)電[10]。若僅考慮土壤孔隙水導(dǎo)電，土壤電阻率表達(dá)式[11]為

式中，C為離子濃度；z為離子所帶電荷數(shù)；|z|C為單位體積內(nèi)離子所帶電荷數(shù)；為含水量；()為孔隙彎曲度；μ0為離子在水中的遷移系數(shù)。

不同成分土壤的電阻率隨溫度變化如圖6所示。由圖6a可知，s0土壤（f約為0℃，見圖4）在溫度低于0℃之后，未凍水含量迅速減少（見圖5），土壤電阻率快速上升到數(shù)kΩ·m；隨著溫度進(jìn)一步降低，土壤中幾乎不存在孔隙水，土壤電阻率達(dá)到數(shù)萬Ω·m，導(dǎo)電方式以表面電導(dǎo)為主[10]。對(duì)于含鹽土壤，如圖6b～圖6d所示，當(dāng)溫度高于f時(shí)，土壤電阻率隨著溫度降低略微增加，結(jié)合式（4）可知是由于遷移系數(shù)μ0隨溫度降低而變??；當(dāng)溫度低于f之后，土壤中水分開始凍結(jié)，含水量減少，電阻率加速上升，但電阻率仍只有數(shù)百Ω·m。究其原因，雖然未凍水含量隨溫度降低而減少，但未凍水仍可溶解大部分NaCl，土壤中存在大量游離的離子，其電阻率仍保持較低水平。而一旦溫度降低到s以后，含鹽土壤的電阻率便突升，這是由于此時(shí)未凍水含量會(huì)出現(xiàn)突降現(xiàn)象，凍結(jié)生成的水石鹽和冰是固體顆粒，不存在自由移動(dòng)的帶電粒子，導(dǎo)致土壤電阻率非常大。

圖7顯示了在不同負(fù)溫下，s1, w10土壤的X射線成像圖以及對(duì)應(yīng)空氣、土壤顆粒、冰、水四種物質(zhì)的分布示意圖[23]?？梢钥闯鲭S著溫度下降，X射線成像圖的灰度值變得更加均勻；結(jié)合示意圖可知，這是由于土壤中水分相變成冰，并膨脹使得土壤顆粒之間的空氣間隙壓縮，土壤變得更加均勻、緊密。如圖7c所示，土壤在-30℃時(shí)幾乎僅由土壤顆粒和冰組成，其電阻率非常大。

圖7 不同溫度下s1, w10土壤的X射線成像圖及各類物質(zhì)分布示意圖

由此可見，含鹽土壤的電阻率突增時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度并不是f，而是s。這為改善凍土地區(qū)土壤的電阻率、降低接地裝置接地電阻提供了新思路，可以通過在接地裝置周圍回填細(xì)顆粒土壤、減少土壤孔隙液濃度或土壤總含水量[22]等手段來降低土壤的二次凍結(jié)溫度，以避免極寒條件下凍土性質(zhì)劇變導(dǎo)致其電阻率突增。

3 永凍土中接地極沖擊散流試驗(yàn)

3.1 表層土壤融化厚度對(duì)暫態(tài)電位的影響規(guī)律

永凍土試品表層土壤融化厚度r的布置示意圖如圖8所示，試驗(yàn)時(shí)分別取為0、4、8、10 cm。

圖8 永凍土試品表層土壤融化厚度示意圖

如圖9所示，選取了成分為s0.5, w5、s0.5, w10、s1, w5、s1, w10的四種試品（圖4中黃色帶斜杠柱體），探究了當(dāng)?shù)讓觾鐾翜囟确謩e為-10、-15、-20、-30℃時(shí)，接地極暫態(tài)電位與表層土壤融化厚度的關(guān)系。在圖9a～圖9c中，當(dāng)表層土壤融化厚度未超越接地極端部（8 cm）時(shí)，四種成分土壤中接地極電位隨融化厚度增加的下降程度均不明顯，這是由于凍土的溫度還未達(dá)到s，導(dǎo)電性能仍然較好；又因?yàn)閮鐾習(xí)趶?qiáng)電場(chǎng)作用下被電離，電阻率迅速下降，此時(shí)集中接地極的端部存在端部效應(yīng)，是沖擊電流的主要散流位置，因此融化厚度的增加對(duì)接地極電位影響不大。當(dāng)融化厚度超過接地極端部時(shí)，s0.5土壤中接地極的電位下降程度變大，而s1土壤在溫度為-20℃時(shí)，接地極電位下降程度才明顯。這是由于s1土壤的f更低（見圖4），且土壤凍結(jié)后未凍水含量隨溫度下降變化幅度更小（見圖5），因此在相同負(fù)溫下，s1凍土中未凍水含量更高，游離的帶電離子更多，沖擊散流性能更佳，而s0.5土壤的散流性能受溫度降低影響從而劣化更為嚴(yán)重。

圖9 不同溫度下暫態(tài)電位與表層土壤融化厚度的關(guān)系

如圖9d所示，當(dāng)溫度為-30℃，且存在表層融土?xí)r，接地極電位將變得很低。此時(shí)四種成分土壤中的水分基本完全凍結(jié)，沖擊電流作用下凍土難以有效電離，其散流性能極差，極高電阻率的凍土迫使大部分電流在低電阻率的表層融土中散流。

3.2 分析與討論

在試驗(yàn)中觀測(cè)了試品放電后的部分正視圖影像，如圖10所示。圖10a、圖10b是凍土溫度分別為-10、-20℃時(shí)，季節(jié)性凍土試品的放電影像；圖10c、圖10d是永凍土試品的放電影像。

土壤的擊穿以土壤顆粒間空氣間隙擊穿[24]為主，低溫使得間隙中電子平均自由行程變小，在一定電場(chǎng)強(qiáng)度下積累的動(dòng)能更小，不利于碰撞電離，同時(shí)也不利于空氣的熱電離，結(jié)合圖像可知沖擊電流在融土中的電弧[25]放電區(qū)域體積要大于在凍土中的體積[26]。在-20℃時(shí)土壤中含冰量更高，凍土更為緊密，沖擊電流難以破壞其結(jié)構(gòu)，因此放電通道體積較-10℃時(shí)更小。放電通道的體積代表了土壤散流能力的好壞[26]，體積越大，則散流能力越好，接地極暫態(tài)電位越低。圖10c、圖10d與圖9試驗(yàn)結(jié)果相符：當(dāng)表層土壤融化厚度超過接地極端部時(shí)，一部分電流將通過融土散流，電位下降幅度更大。同時(shí)注意到，電流密度經(jīng)過融土-凍土分界線時(shí)發(fā)生了一定角度的偏折。

圖10 不同溫度下s1, w10表層土壤凍結(jié)、融化厚度為10 cm時(shí)的X射線成像圖

圖11為電場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度在銅質(zhì)接地極、融土、凍土中的分布示意圖，以此來分析圖10中觀測(cè)到的現(xiàn)象。需要注意的是，以下推導(dǎo)均基于土壤是各向同性媒質(zhì)[27]的前提。

圖11 場(chǎng)量分布示意圖

考慮到試驗(yàn)中，接地極長(zhǎng)度相對(duì)沖擊電流波頭時(shí)間不存在顯著波過程，因此認(rèn)為接地極的電路模型是集中電路，不考慮土壤的電容、接地極的電感效應(yīng)。在時(shí)變場(chǎng)中有

式中，為電流密度，A/m2，其值越大，表示土壤散流能力越好；為電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m，其值越大，表示土壤越容易發(fā)生電離；為土壤的電導(dǎo)率，S/m；為電位移矢量，C/m2。

在融土、凍土散流媒質(zhì)中滿足電流密度法向分量守恒與電場(chǎng)強(qiáng)度切向分量守恒，即

因此

式中，為場(chǎng)線與分界面法線之間的夾角；下標(biāo)1, 2, 3所代表的含義見圖11中標(biāo)注。

銅的電導(dǎo)率為5.7×107S/m，遠(yuǎn)大于土壤電導(dǎo)率，由式（7）可知場(chǎng)量近似垂直接地極側(cè)面出射。以圖11a為例，當(dāng)場(chǎng)量由融土入射凍土?xí)r，由于兩者電導(dǎo)率不同，由式（7）可知3≤2，進(jìn)一步由式（6）可知2≥3，2≤3。這表明融土的散流能力要優(yōu)于凍土，凍土承受的電場(chǎng)強(qiáng)度大于融土，以上分析與圖10c和圖10d的觀測(cè)結(jié)果相符：凍土中由于電場(chǎng)強(qiáng)度更大被沖擊電流擊穿，融土中放電通道體積更大，場(chǎng)量經(jīng)過融土-凍土分界面時(shí)發(fā)生折射。同理，當(dāng)場(chǎng)量由凍土入射融土?xí)r，如圖11b所示，3≥2，3≥2，2≥3，這一分析與圖10a和圖10b的觀測(cè)結(jié)果相符。

為進(jìn)一步分析圖9中的試驗(yàn)結(jié)果，以s1, w10試品為例，利用有限元方法模擬計(jì)算了電場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度在土壤中的分布情況。由于土壤電離總是在接地極附近[26]發(fā)生，繼而影響接地極的散流性能，因此定義了一條與接地極中心距離為3 mm、長(zhǎng)為15 cm的觀測(cè)線，取表層土壤融化厚度為0、4、8、10 cm。計(jì)算時(shí)所需土壤電阻率的參數(shù)見表1。

表1 s1, w10土壤參數(shù)

Tab.1 s1, w10 soil parameters

電場(chǎng)強(qiáng)度分布的計(jì)算結(jié)果如圖12所示，縱坐標(biāo)為高度（單位為m），橫坐標(biāo)歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度定義為

圖12 表層土壤不同融化厚度時(shí)土壤中電場(chǎng)強(qiáng)度分布

由圖12可知，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值總是出現(xiàn)在接地極端部，與凍土層溫度、融土層厚度無關(guān)。因此端部近區(qū)的土壤最有可能先發(fā)生電離（若忽略融土、凍土臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)[14]的差異），從而增加接地極的有效體積[28]，更有利于電流在端部散流，正如圖10中觀測(cè)結(jié)果所示。

電流密度作為電場(chǎng)強(qiáng)度與電導(dǎo)率的乘積，表征了兩者的綜合作用。圖13是電流密度沿觀測(cè)線的分布圖。橫坐標(biāo)歸一化電流密度定義為

式中，J(h)為高度h處的電流密度。

在圖13a中，無論表層土壤融化厚度為多少，電流密度均存在端部效應(yīng)，但在4 cm時(shí)表現(xiàn)不明顯；在圖13b的4 cm和8 cm中，接地極端部效應(yīng)消失，融土中電流密度遠(yuǎn)大于凍土。該現(xiàn)象導(dǎo)致了試驗(yàn)中圖9d的結(jié)果：在-30℃下，當(dāng)存在融土層時(shí)，電流在接地極側(cè)面的融土中大量散流。

結(jié)合圖12、圖13的計(jì)算結(jié)果可知：在永凍土試品中，沖擊電流通過接地極時(shí)趨向在表層融土中散流，但電場(chǎng)強(qiáng)度總是在端部最大，其附近的凍土更可能電離發(fā)展形成電弧放電通道[29]。圖9的試驗(yàn)結(jié)果表明，該現(xiàn)象與凍土的溫度有關(guān)，在-10、-15、-20℃時(shí)，電流依舊以接地極端部附近的土壤散流為主，在-30℃時(shí)，電流則從接地極側(cè)面的融土中散流。

4 季節(jié)性凍土中接地極沖擊散流試驗(yàn)

4.1 表層土壤凍結(jié)厚度對(duì)暫態(tài)電位的影響規(guī)律

選取與第3節(jié)中相同成分的土壤，研究季節(jié)性凍土中接地極的暫態(tài)電位變化規(guī)律。表層土壤凍結(jié)厚度示意如圖14所示，凍結(jié)厚度d分別為0、4、8、10 cm。

圖14 季節(jié)性凍土表層土壤凍結(jié)厚度示意圖

圖15為不同負(fù)溫下，接地極暫態(tài)電位隨表層土壤凍結(jié)厚度的變化趨勢(shì)。以圖15a為例進(jìn)行分析，當(dāng)表層土壤凍結(jié)厚度未超越接地極端部時(shí)，電位隨凍結(jié)厚度增加而緩慢上升；當(dāng)凍結(jié)厚度超越端部時(shí)，s1土壤電位上升速率仍較為平緩，但s0.5土壤電位上升速度明顯變快。這是由于在-10℃時(shí)，s1, w5土壤中的水分還未開始凍結(jié)（見圖4），而s1, w10土壤盡管已經(jīng)凍結(jié)，但此時(shí)仍存在大量未凍水（見圖5）與自由移動(dòng)的離子，因此s1凍土導(dǎo)電能力與融土相差不大；而s0.5土壤因f較高，在-10℃時(shí)已凍結(jié)形成大量冰，冰堵塞了沖擊電流的散流路徑，同時(shí)也不利于土壤電離的發(fā)生[16]。

由圖15可知，各成分土壤中接地極電位均隨凍結(jié)厚度增加而上升，尤其是在表層土壤凍結(jié)厚度超越接地極端部后，隨著溫度降低，在每個(gè)凍結(jié)厚度下，電位也變得更大。這說明溫度下降、表層土壤凍結(jié)厚度增加給接地極的散流性能帶來不利影響。

4.2 分析與討論

季節(jié)性凍土中電場(chǎng)強(qiáng)度、電流密度沿觀測(cè)線分布規(guī)律分別如圖16、圖17所示：均在接地極端部達(dá)到最大值，具有端部效應(yīng)，這與圖10a、圖10b的觀測(cè)結(jié)果相符；在圖17a、圖17b的4 cm示意圖中，電流密度在越過凍土層后，會(huì)在融土中有所突增，且突增程度與溫度有關(guān)。以上規(guī)律表明大量沖擊電流會(huì)在接地極端部下方的土壤中散流，而在表層凍土中散流較少，因此在圖15中，接地極電位上升趨勢(shì)隨表層土壤凍結(jié)厚度的增加先緩后快。

圖16 表層土壤不同凍結(jié)厚度時(shí)土壤中電場(chǎng)強(qiáng)度分布

圖17 表層土壤不同凍結(jié)厚度時(shí)土壤中電流密度分布

5 結(jié)論

本文測(cè)量了不同含水量、含鹽量的土壤電阻率隨溫度的變化規(guī)律，并選取四種不同成分的土壤，試驗(yàn)研究了接地極暫態(tài)電位與永凍土試品的表層土壤融化厚度、季節(jié)性凍土試品的表層土壤凍結(jié)厚度的關(guān)系。在試驗(yàn)所取土壤成分、沖擊電流幅值下，可得以下結(jié)論：

1）負(fù)溫下含鹽土壤的電阻率隨溫度下降而上升存在階段過程：當(dāng)溫度高于一次凍結(jié)溫度時(shí)，電阻率因離子遷移速率變慢而緩慢上升；當(dāng)溫度低于一次凍結(jié)溫度時(shí)，電阻率主要因離子遷移速率變慢、未凍水含量減少而加速上升；當(dāng)溫度低于二次凍結(jié)溫度時(shí)，土壤電阻率才會(huì)出現(xiàn)陡增現(xiàn)象。

2）由永凍土中接地極的數(shù)值計(jì)算、試驗(yàn)結(jié)果可知：表層融土是沖擊電流傾向散流的位置，但接地極端部電場(chǎng)強(qiáng)度最大；在試驗(yàn)中當(dāng)凍土層溫度高于二次凍結(jié)溫度時(shí)，凍土仍具有較好的散流性能；當(dāng)凍土層溫度低于二次凍結(jié)溫度時(shí)，電流在接地極側(cè)面融土中散流；隨著表層土壤融化厚度增加，接地極電位緩慢下降，在超越端部后，電位下降幅度變大。

3）由季節(jié)性凍土中接地極的數(shù)值計(jì)算、試驗(yàn)結(jié)果可知：電場(chǎng)強(qiáng)度最大處為接地極端部，也是沖擊電流散流的主要位置；隨著表層土壤凍結(jié)厚度增加，接地極電位緩慢上升，在超越端部后，電位上升幅度變大；低含鹽土壤的散流性能相較于高含鹽土壤，因溫度下降而劣化更為嚴(yán)重。

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Negative Temperature Characteristics of Soil Resistivity and Influence of Frozen Soil on Impulse Response of Grounding Electrode

Yuan Tao1Ren Jianxing1Sima Wenxia1Chang Feitong1Cai Yongxiang2Xiao Xiaobing2

（1. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment Technology Chongqing University Chongqing 400044 China 2. Electric Power Research Institute Guizhou Power Grid Co. Ltd Guizhou 550000 China）

Due to the unique geographical location and climate environment in Tibet, the coexistence of frozen soil and lightning current exists in the low temperature area, and the green energy transmission channel is difficult to avoid the low temperature area. However, as a complex system of water, ice, air and soil particles containing ice at negative temperature, the variation of soil resistivity with temperature under different water and salt contents and the impulse characteristics of grounding devices in frozen soil under lightning current are still unclear.

Therefore, in view of the above problems, on the one hand, the change of resistivity with temperature of 16 soil samples with different water content and salt content was measured by the quadrupole method, and the reasons for the change of soil resistivity were analyzed by combining the soil conductivity mechanism and the calculation formula of unfrozen water content; on the other hand, based on the similarity principle of the scale experiment, taking the surface soil freezing thickness of the seasonal frozen soil sample and the surface soil melting thickness of the permafrost sample as variables, the influence law of the vertical grounding electrode transient potential in the corresponding frozen soil sample was explored. Furthermore, the X-ray imaging device was used to observe the discharge image of the impulse current in the frozen soil sample and the numerical simulation results of electric field intensity and current density in the frozen soil were combined to explain the experimental law.

The measurement results of soil resistivity at different temperatures show that when the temperature of saline soil is higher than the secondary freezing temperature (s), its resistivity increases slowly with the decrease of temperature; when the temperature is lower thans, the resistivity has a sudden rise. The results of impulse current dispersion experiment of grounding electrode in permafrost show that when the temperature of permafrost layer is higher thans, the permafrost still has good current dispersion performance; the melting thickness of surface soil increases, and the potential of grounding electrode decreases slowly; when the melting thickness exceeds its end, the potential decreases greatly; however, when the temperature of the frozen soil layer is lower thans, the frozen soil with great resistivity will force the current to disperse in the surface thawing soil, and the grounding electrode potential is very small. The impulse current dispersion test results of the grounding electrode in seasonal frozen soil show that the grounding electrode potential will rise slowly with the increase of the freezing thickness of the surface soil; when the freezing thickness exceeds its end, the potential rise becomes larger.

The following conclusions can be drawn from the analysis of the results: (1) When the temperature of saline frozen soil decreases tos, a large amount of non-conductive ice and water salt will be generated, and the water content will decrease sharply, resulting in a sudden increase in soil resistivity. (2) The discharge image observation results and numerical simulation results of impulse current in frozen soil show that the current dispersion performance of frozen soil is inferior to that of thawed soil, and the soil ionization degree around the grounding extreme is the most serious, while the soil ionization is beneficial to the end current dispersion, therefore, when the thickness of the surface soil is greater than the length of the vertical grounding electrode, the change range of the transient potential of the grounding electrode will be greater. It can be seen from the above that by reducing thesof the soil, the grounding performance of the grounding device can be avoided to fail under extremely cold conditions.

Grounding, frozen soil, impulse current, extremely cold temperature, soil ionizaion

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222233

TM863

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目資助（51777020）。

2022-11-29

2023-01-02

袁 濤 男，1976年生，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)過電壓防護(hù)及防雷接地技術(shù)、電磁兼容技術(shù)。E-mail：yuantao_cq@cqu.edu.cn（通信作者）

任健行 男，1998年生，碩士研究生，研究方向?yàn)檩旊娋€路防雷接地。E-mail：1109073216@qq.com

（編輯 李 冰）