严寒地区温度对土壤电阻率的影响因素分析研究

国网辽宁省电力经济技术研究院

卢天琪 刘然 李冬雪 马强 陈友慧 李美君 杨继业 赫鑫 南哲 朱赫炎

0 前言

变电站接地系统的建设直接关系到设备和人身安全。长期、可靠、稳定的接地系统，是维持设备稳定运行、保证设备和人员安全的根本保障。为保证电力系统的安全运行，如何降低接地工程造价、提高接地网的可靠性，减少维护成本是研究的重点。

近年来，由于接地装置性能不良，而造成的设备损坏事故频频发生，特别是在严寒地区，因土壤冻胀引起土壤电阻率变化，致使接地电阻阻值升高，而造成接地装置的热稳定性能降低，从而引发的设备因雷击而损坏事故也频频发生。

1 温度对土壤电阻率的影响

对于严寒区域变电站，其供电系统的接地网大部分位于长时间寒冷地带。接地系统是变电站正常运行的保证，也是保证人身与设备安全的关键。因此研究如何改善高寒冷区域接地系统的性能对保证该地区供电安全有着重要的意义。土壤电阻率对接地系统的性能起着决定作用，土壤冻结之后电阻率将增大，从而引起变电所内接地网电位上升、接触电压与跨步电压增大，对设备与人身安全造成严重威胁。

通过研究土壤电阻率的温度特性，可以了解温度影响土壤电阻率的主要途径，从而找出相应的降阻措施以提高太平庄变电所的地网设计水平，确保供电电网的安全运行。

1.1 土壤结构及其电阻率

鉴于目前国内外对土壤电阻率的分析没有统一的模型，本文首先将引入渗流物理学的多孔介质模型，并应用多孔介质模型解释土壤的结构与导电机理。

多孔介质是指一种特殊的物体结构形式，其由构成物体外形的固体骨架、固体骨架内的孔隙以及填充于孔隙内部的流体组成。土壤是一种典型的多孔介质，土壤矿物质以及腐殖质等固体物质构成的土壤骨架，土壤骨架内有许多大小不一的孔隙，孔隙内填充有水和空气。因此，土壤导电的途径有两种：一种是通过固体的骨架导电，另一种是通过孔隙内的流体导电。土壤矿物质是骨架组织的主要成分，由于雨水的淋失作用，表层土壤中易溶盐类含量较少，而且表层土壤长期与氧气接触，金属被氧化成难溶的氧化物，因此表层土壤的骨架物质多为电的不良导体。土壤孔隙中的流体主要是空气与水，由于空气导电能力远小于水的导电能力， 因此土壤中水的导电性能将对土壤电阻率起重要作用。

土壤中水分主要由地理环境、地理位置与土壤的保水性能所决定，而水中电解质的含量由土壤骨架物质的溶解度与电离特性有关，因此不同地点以及不同类型的土壤中水的导电能力存在着很大的差异。本次主要目的是分析温度对土壤电阻率影响的一般规律，为了简化分析过程，假设土壤的拓扑结构不会发生变化， 并认为水在土壤中呈静止状态，忽略了水流动对土壤电阻率的影响。

1.2 温度对土壤电阻率的影响途径

温度对土壤电阻率的影响分为两种途径，一种是温度对土壤骨架以及孔隙水的电阻率的影响，另一种是当温度低于0～C时，土壤中水凝结成冰晶之后对土壤电阻率的影响。

根据物理学的基本知识，温度下降之后，固体物质的电阻率将随之下降，所以土壤骨架的电阻将随着温度的下降而下降，由于本文讨论的范围在±40℃之内，在此温度范围内固体电阻率变化很小，因此本文主要讨论的是温度对孔隙水电阻的影响。从电化学中可知，水溶液导电主要是通过水中离子在电场下的迁移， 由于土壤属于多孔介质，所以必须考虑多孔介质的结构参数对离子迁移的影响。土壤中离子的种类很多，对于每一种离子而言，通过单位截面积的电迁移数通量可用下式计算：

式中Ji——离子流的数通量

zi——离子的价电荷数

ci——离子的浓度，其大小受温度以及介质中矿物盐的溶解度的影响

∇(φ)——土壤中的电势梯度

µi——土壤中离子的有效迁移率；由于自由离子所带电荷z有i正有负，因此取电势降低的方向为参考方向

从式(2)可以看出，电流的大小与离子的价电荷性质无关，只与价电荷的数量有关。式(2)中表示单位立方体内第i种可以自由移动的离子所带的电荷数量，因此可以选取合适的参数，如使式(2)中，I为单位面积上通过的电流，∇(φ)为单位长度上的电压，则可得出电阻率的推导式为

将式(2)代入式(3)即可求得孔隙水的电阻率与离子通量的关系式

离子的电迁移率iµ用于衡量离子在电场作用下迁移能力。土壤中离子的电迁移受土壤含水量以及孔隙结构的影响，其值可以用下式表示

式中µi

0—— 离子在溶液中的迁移系数

θ— — 土壤的含水量

τθ—— 指土壤在含水量为 时的孔隙的扭曲率，其大小等于 (L/Le)2

L—— 土壤中孔隙管道的入口到出口直线距离

Le—— 孔隙管道的平均长度

因此，土壤中孔隙管道越弯曲，τθ值越小，当孔隙为一条直线也即L=Le时，τθ达到最大值1。

将式(5)代入式(4)可得

当土壤温度低于0℃时，土壤中的水将会凝结成冰晶，因此土壤中液态水的含量θ将下降，造成土壤中离子携带的电荷数下降。而且冰晶将堵塞土壤中的孔隙，造成孔隙扭曲率τθ下降，上述因素都将造成土壤中孔隙水的电阻率上升。

由于土壤微粒吸附周围空气或水中的自由离子后将带微量的电荷，一部分水将在这些电荷的作用下与土壤微粒结合，这一部分水称之为结合水。结合水的凝结温度低于0℃，当土壤温度低于0℃ 时仍然存在一部分水没有凝结成冰晶，这部分水称之为未冻水。

经试验表明，温度越低时未冻水的含量越少。

1.3 结果及分析

土壤的电阻率随着温度的下降而上升。如上文所述，温度下降之后孔隙水中电解质的溶解度以及电离度都将下降，同时水的粘度将上升，这些因素都将导致土壤电阻率的上升。当温度从22℃下降到3℃时，土壤电阻率将上升到原来的一倍左右。

0+为土壤刚达到0℃ ，土壤中水分未发生凝结的时刻；0_为土壤温度从0℃开始继续下降的时刻。由于水在凝结的过程中温度不变，因此土壤温度从0+下降到0_需要较长的时间。土壤的含水量离子携带的电荷数以及孔隙扭曲率τθ都将随冰晶的增多而下降，孔隙水的电阻在这几个因素的影响下上升，所以土壤的电阻率在0+下降到0_时随着冰晶的增多而不断上升， 土壤电阻率在0℃发生了跳变。土壤电阻率跳变幅度与土壤的含水量有关，如果土壤含水量非常少，实验中就无法观察到电阻率的跳变现象。

土壤电阻率随着温度的下降而上升。主要是因为随着温度的下降，土壤中未冻水的含量也随之下降，孔隙水电阻随着未冻水的含量下降而上升。由上文的分析可知土壤的电阻率主要受孔隙电阻的影响，所以土壤电阻随着温度的下降而上升。

2 降低冻土区域土壤电阻率的方法

物理方法有：① 选择地下水源丰富的区域，如河边，池塘与湖泊等附近。这些区域水体较大，在冬季也不容易冻结。② 选择有地热资源的区域或生活区的地下，这些区域土壤的温度相对较高，容易形成融池，融池内土壤的水呈液态，土壤电阻率较低。③ 在接地极附近埋设加热管，通过加热管加热形成融池，降低电极附近土壤的电阻率。化学方法主要是在土壤中施加化学防冻剂(如食盐、酒精等)，达到降低土壤中水的凝结温度以及提高土壤中未冻水含量的目的。由于化学制剂会因为雨水或地下水流动的原因而扩散， 因此这种方法实施起来比较方便，但效果会随着时间的推移而减弱。而且化学制剂会对环境以及生态造成破坏，所以现在很少采用化学方法来降低土壤电阻率。

一般情况下构成土壤骨架的物质电阻率非常高，在土壤含水量非常低的情况下是电的不良导体，因此我们可以采用降低土壤骨架电阻率的方法来降低冻土区域的土壤电阻率。降低土壤骨架电阻率的方法主要是换土和使用物理降阻剂。换土是采用低电阻率的土壤更换接地网区域的土壤；物理降阻剂主要是一定比例的粘土，固化剂与石墨混合物。这两种方法的作用都是降低土壤的骨架电阻，物理降阻剂电阻率低，受温度影响非常小，而且不易流失，并且不会对环境造成破坏，因此采用物理降阻剂是降低冻土区域土壤电阻率的一种较好的途径。

3 总结

土壤是一种典型的多孔介质。多孔介质导电主要通过固体骨架与孔隙内的流体导电。温度是影响土壤电阻率的一个关键因素，由于土壤固体骨架导电性能非常差，温度主要通过改变土壤的孔隙水电阻影响土壤电阻率。降低冻土区域土壤电阻率的方法有两种，一种是增加土壤中未冻水的含量，另一种是降低土壤的固体骨架电阻，具体工程中考虑适当采用物理降阻剂来降低冻土区域的土壤电阻率。