凉山地区土壤电阻系数研究

四川省大小凉山地区是“西电东送”起点, 分布着大量输电线路。而该地区历年来雷电活动极度频繁, 输电线路多发生雷击跳闸事故, 必须加强雷击灾害治理。而防雷接地质量的检查和治理就变成一种非常重要性和经常性的工作。当雷击电流通过铁塔接地装置向大地泄放时, 泄流情况除了和电流的大小和频率有关意外, 还和大地的电学特性有关, 即土壤的接地电阻率。

一、影响土壤电阻率变化的因数

土壤的电阻率主要受土壤中的导电介质、含水量、温度这三个因素影响, 这个三个因素交互影响, 使同一块土壤在不同情况下的电阻率变化区间很大。土壤中的导电介质越多, 电阻率越小;但是这些导电介质大部分主要以离子形式存在, 如岩石、粘土、部分金属矿物等, 在干燥情况下, 它们中的电介质电离程度很低, 基本是绝缘的, 土壤越湿润, 土壤间隙中蕴含的间隙水越多, 电解质电离程度越高、间隙水溶液中浓度越高, 电阻率越低;同时电解质盐分在水中的溶解度与温度相关, 温度越高、间隙水中能溶解的导电离子越多, 电阻率就越低。当温度降到零摄影氏度及以下时, 由于水开始凝冰, 间隙水中的盐分极难电离, 这时土壤电阻率极度变大, 只有当温度升高时其电阻率才逐渐缓慢变大, 与盐分的溶解曲线相合。

二、凉山季节与土壤电阻率的关系

凉山幅员面积6万余平方公里, 境内最低处海拔324米, 最高处海拔5958米, 相对高差5600余米。由于幅员宽广, 地形地势复杂, 因而气候差异性较大。但归结之, 主要有四种气候类型或气候区。一是南亚热带气候区。本区年均气温18℃左右, 热量丰富, 光热充足;二是中亚热带气候区。本区年均气温16℃-18℃, 降水量较南亚热带气候区多, 空气较为湿润;三是北亚热带气候区。本区年均气温13.5℃-16℃, 降水量较多, 是本州粮油主产区之一, 且旅游资料也较为丰富;四是温带气候区。本区年均气温低于13.5℃, 气候温凉湿润。总之, 凉山地区降水丰富, 气候温润。

根据中国天气网对历年的凉山州降雨量进行统计, 可以发现年内降雨主要集中5-10月, 而其他月份降雨极少, 如高峰期的7月平均降水就是低谷期1月平均降水的200倍以上。这就导致5-10月大地土壤含水量丰富, 土壤电阻率就远比11-4月降雨低谷期的电阻率高。

由于土壤温度与深度有关, 深度越深, 土壤温度也应该相对地表越恒定, 故冬季深层土壤温度应该高于地表土壤, 而夏季应该低于地表土壤。根据导则, 输电线路接地装置埋设深度一般都是60-80cm以上, 但是由于现场实际地形条件限制, 部分接地装置埋设一般在40cm以上, 故这里对40cm土壤温度变化趋势进行讨论。根据中国天气网对历年的凉山州40cm低温进行统计, 发现一年平均地温为16℃左右, 而低温集中在11-3月, 高温主要集中4-10月。这个温度变化趋势就造成4-10月较11-3月的土壤电阻率低。

综上所述, 随着季节推移, 凉山地区土壤电阻率随温度变化趋势, 与随湿度变化趋势大体一致, 故在本地区, 温度, 湿度对土壤接地电阻率的影响都可以归纳到月度这一个因素下进行表征, 同时这也造成了凉山地区的接地电阻率的冬夏两季, 变化显著。

三、测量与接地电阻的关系

本次研究采用国产ZG-8型接地电阻表, 利用三线法进行接地电阻测量。接地电阻是表征接地体状态是否良好的技术指标。接地电阻主要受三方面影响:a.接地装置电阻, 由于接地装置是导电性能良好的金属, 所以电阻可以略去不计。b.接地装置与土壤的接触电阻, 这由土壤与接地装置接触面紧密程度决定。规程要求输电线路接地体铺设时, 土壤必须压紧, 理论上接触电阻很小, 也不是影响接地电阻的主要因数。c.散流电阻, 雷电流流入大地的散流电阻, 与接地体的形状、尺寸、电阻率有关, 本文对接地体不做讨论, 视为理想状态, 则接地电阻率就成为影响接地电阻的绝对因数, 而凉山地区接地电阻率虽然与湿度、温度等因数有关, 但是可以归纳到月度这一个因数下进行表征, 故用月度因数表征接地电阻也是适宜的。

四、接地电阻的季节变化

由于接地体在设计时, 接地电阻都要考虑土质情况, 并根据季节因数, 选取其中最大值作为设计依据, 而我们在接地电阻日常测量时由于温度, 湿度等因数影响往往测量出的数据和这个最大值有一定差距, 但是可以通过乘以一个系数k来反映当季的土壤电阻最大值。

本次讨论中, 对大量水田、旱地、坚土、沙夹石、肥沃土地等具有代表性土质土壤的电阻进行了现场测量, 对所有测量结果求平均值以作为当月的最终测量结果。以当月最长时间无降水时测量到的接地电阻作为当月的最大值, 设为A系列;以当月随机测量到得接地电阻为参考系, 设为B系列。就得到以下图表, 其中每月的第一个数据是2011测量的平均数据, 第二个数据位2005-2011年测量的平均数据。 (见表1)

以上现场实测度的电阻曲线分布趋势与前文所推导的接地电阻率随季节变化趋势即为夏季接地电阻小, 而冬季接地电阻显著升高, 前文对接地电阻的季节变化趋势的推导与现场一致的。

这里通过“最小二乘法”对A系列和B系列的图形进行函数拟合, 设A系列函数为YA=f (XA) , B系列函数为YB=f (XB) 。这接地电阻系数K=YA/YB,

假设Y=a·x·x·x+b·x·x+c·x+d, 则通过MATLAB进行拟合函数, 拟合情况如下如下:

对于函数YA

Coefficients (with 95%confidence bounds) :

a=0.01582 (0.008686, 0.02296)

b=-0.1872 (-0.328, -0.04639)

c=-0.2 (-1.004, 0.6039)

d=14.7 (13.44, 15.96)

对于函数YB

Coefficients (with 95%confidence bounds) :

a=0.01491 (0.007293, 0.02253)

b=-0.161 (-0.3113, -0.01074)

c=-0.3477 (-1.206, 0.5102)

d=9.775 (8.433, 11.12)

以上函数都达到95%置信区间, 拟合得较为准确。而K=YA/YB, 通过计算, 在凉山州的接地电阻系数随季节变化如下表:

五、降水前后接地电阻急剧变化探讨

凉山州输电线路的线路走廊大多地处高山山区, 这些高山地区的土壤结构的显著特点就是, 地表土壤较薄, 主要是都是风化的岩石碎屑混合沙土, 极度缺乏保水性, 而更深层的地下的主要大型块石及花岗岩、玄武岩, 使深层土壤涵养水分的能力不足。故在降雨前, 由于土壤十分干燥, 接地电阻较大, 甚至出现无穷大现象, 但是降雨后, 土壤湿度回复, 接地电阻急剧减小, 这就是造成降水前后土壤电阻急剧变化的主要因素。

摘要：本文介绍了凉山地区季节对土壤电阻率之间的关系, 分析提出了适合凉山地区季节变化的电阻系数, 同时对凉山地区个别地质条件下, 降雨前后土壤电阻率急剧变化进行了分析。

关键词：凉山,土壤电阻系数,季节