降水与温度对接地电阻的影响分析

揣国权，李冰，宫奇伟

（从化区气象局，广东 广州510925）

1 引言

接地装置作为防雷装置的重要环节，其作用是快速地把雷电流泄入大地，是保障建(构)筑物、电气设施设备安全可靠运行及人身安全的重要措施，而接地电阻是衡量接地装置是否良好的重要指标，接地电阻越小，在遭受雷击时泄放雷电流的速度越快，随之危险电位也下降到较低值，减小雷电灾害发生的概率[1-4]。雷电作为比较常见的自然灾害，造成了大量的人员伤亡及财产损失[5-8]，防雷装置是否符合规范要求至关重要。因此在防雷装置的设计或是防雷检测时，接地电阻是衡量防雷装置是否符合规范要求的一个重要指标。

接地装置的接地电阻是有季节变化规律的，影响接地装置接地电阻的主要因素是土壤电阻率和接地体类型及尺寸，在接地装置的使用过程中接地体类型及尺寸是不变的，此时造成接地电阻变化的主要因素是土壤电阻率。相关研究表明，在特定的土壤成分及构造的条件下，土壤的温、湿度是造成土壤电阻率变化的主要因素[9-12]。

在针对接地装置接地电阻季节变化及受降水、土壤湿度、温度影响特性方面，王孝波等[13]通过对框架结构建筑物基础接地电阻的自动观测，分析了接地电阻季节变化及受天气过程影响特性；霍广勇等[14]采用人工观测的方式，分析了人工接地体和土壤电阻率受土壤温、湿度的影响；吴田等[15]分析了降水量、温度对输电线路杆塔接地电阻的影响，得出了南方地区温度对杆塔接地电阻的影响相对不明显，降水量是造成杆塔接地电阻季节变化的最主要因素。

虽然前人在接地电阻变化因素方面做了一些研究，但是在不同类型接地装置接地电阻的同步比对方面却鲜有研究。不同类型接地装置受季节变化因素所呈现出的不同变化特征，对接地装置的选型及接地电阻的修正均有重要的参考价值。基于此，本文通过对3种接地装置接地电阻的持续观测，研究分析了降水、温度对接地电阻的影响，并得出相关结论，为接地工程设计及防雷装置检测工作提供技术支撑。

2 试验概况

接地电阻的观测点位于广州市从化区气象局，观测区域为东西走向的100 m×30 m地块。该地多年平均气温21.6℃、年平均降水量1951.3 mm，4—9月为雨季(汛期)，该地块平均土壤电阻率＜100Ω·m，常年无冻土层。

试验选取了3种不同的接地装置作为观测对象，其中接地装置1(记为S1)利用建筑物基础的钢筋混凝土结构及5根深度约为17 m桩作为接地体，地基梁内钢筋组成的水平接地体、埋深约0.6 m，该建筑物长16.7 m，宽9.3 m；接地装置2(记为S2)由40 mm×4 mm热镀锌扁钢构成尺寸为5 m×5 m的接地体，接地体埋深0.6 m；接地装置3(记为S3)为单条5 m的40 mm×4 mm热镀锌扁钢，接地体埋深0.6 m。

本试验测试方法及测量仪器设备布置符合国家规范的相关要求，接地电阻的测量采用0.618三极布线法，其中S1的测试电压极距离其50 m，电流极距离其80 m；S2的测试电压极距离其19 m，电流极距离其30 m；S3的测试电压极距离其12.5 m，电流极距离其20 m。

3 资料来源

所用观测资料来源于以UNO-3072L工业控制计算机为核心的接地电阻自动观测系统，接地电阻测量主要由方波信号发生器(110 Hz、50 V、0.6 A)、多通道选测开关、电压传感器和电流传感器等组成。本观测系统中接地电阻R为通过方波信号发生器出口电压和电流传感器及PCI-1716L数据采集卡实测的方波电压U与方波电流I之比(R=U/I)，测量精度为0.01Ω，采集频率为1小时/次；土壤温度传感器主要由一个铂电阻温度探头组成，在-35～50℃的环境之间，其测量误差小于±0.5℃，采集频率为10分钟/次；土壤含水量传感器通过其探头测量土壤的介电常数，利用时域反射法(TDR)来计算获取土壤的含水量，采集频率为10分钟/次；采集卡采集到以上数据后通过GPRS无线传输模块传输至室内主机上进行保存；降水量、环境温度来自气象局观测场，采集频率为1分钟/次，观测场位于观测试验区域东北方向约30 m[12]。

经过对数据资料的筛选，选取了2010年5月—2011年4月的接地电阻及气象数据进行分析。在数据分析过程中，严格把控数据质量，在同一时间点上，如果缺失接地电阻、降水量、温度、含水量等任一参数值，则剔除该数据。

4 资料分析

4.1 接地电阻的月变化

从图1可看出，S1、S2接地电阻从5月开始呈现出明显的下降，在8月、9月接地电阻达到最小值。在此期间，S1接地电阻由0.77Ω下降到0.57 Ω，下降0.20Ω，降幅为26%；S2接地电阻由8.43 Ω下降到5.11Ω，下降3.32Ω，降幅为39%；而S3在5—9月期间接地电阻处于底部波动状态，6月接地电阻最小(22.77Ω)，7月接地电阻为29.92Ω，呈现上升趋势，升幅为31%，之后又呈现下降趋势。S1、S2、S3接地电阻在9月开始呈现明显的上升趋势，在12月到翌年的1、2月处于较高水平，之后开始下降。在此期间，S1接地电阻由0.57Ω上升到0.67Ω，上升0.1Ω，升幅为18%；S2接地电阻由5.11Ω上升到7.49Ω，上升2.38Ω，升幅为47%；S3接地电阻由26.89Ω上升到52.26Ω，上升25.37Ω，升幅为94%。

图1 接地电阻月变化曲线图

由表1可知，接地电阻与接地体的类型和大小有密切关系，利用建筑自身金属结构作接地体S1的接地电阻值最小，而且其季节变化率也最小，而接地体尺寸较大的S2的接地电阻值及季节变化率均小于尺寸较小的S3的接地电阻值及变化率，接地体接地电阻值的变化率为S1＜S2＜S3。分析表明，接地电阻的变化率与接地体类型及尺寸大小密切相关，利用建筑自身金属结构作接地体其接地电阻变化率较小，接地电阻比较稳定，受季节变化的影响较小；人工接地体接地电阻变化率相对较大，接地电阻受季节变化的影响较大。

表1 接地电阻月变化对比表

4.2 降水与温度对接地电阻的影响分析

在接地装置周边环境稳定的条件下，接地电阻主要受土壤含水量及温度的影响而产生一定幅度的变化。降水可改变土壤含水量，气温的变化也会引起土壤温度的变化，如图2、图3所示。因此，降水和温度两个气象因素是引起接地电阻在自然环境下产生季节性变化的关键因素。

图3 气温与土壤温度的月变化曲线图

4.2.1 降水对接地电阻的影响分析

如图2所示，受从化当地的气候影响，5—9月的降水量较大，其他月份的降水量偏少。受降水因素的影响，5—9月的土壤含水量较高，之后随着降水量的减少土壤含水量出现明显的下降趋势。图4是降水量与接地电阻的月变化关系曲线图，结合图2、图4可知2010年10月—2011年4月整体降雨量偏小，此时土壤含水量下降到较低水平，并在2010年12月—2011年2月达底部区间，此时段对应的接地电阻呈现上升并在2010年12月—2011年2月接地电阻值处于峰值区间；5—9月整体降水量较大，土壤含水量相对较高，特别是1.0 m、1.5 m深的土壤含水量呈现上升趋势，此时期的接地电阻呈下降趋势。分析表明土壤含水量与接地电阻呈反相关关系，是影响接地电阻的一个重要指标。

图2 降水量与土壤含水量的月变化曲线图

图4 接地电阻与气温、降水量的月变化曲线图

以上分析表明，降水可影响接地电阻发生变化，降水量较大时接地电阻会变小，而长期干旱少雨时接地电阻会变大。但是通过图5接地电阻与降水量、地温(地下0.6～1.5 m深的平均温度)的日变化曲线图发现，在不同的季节中，同等量级的降水量对接地电阻的影响是不同的，而且在同等条件下，不同类型接地体的变化也不尽相同。由图5可知，降水过程雨量＜10 mm时，接地电阻无明显下降；降水过程雨量在10～15 mm时，接地电阻降幅＜5%；降水过程雨量在20 mm左右时，接地电阻降幅在3%～10%；降水过程雨量在45 mm左右时，S1、S2接地电阻降幅10%左右，S3接地电阻降幅在25%左右；降水过程雨量＞50 mm的降水均发生在汛期(图5横坐标0～124段)，这段时间由于总体的降水量偏多，有时连续性强降水并没有引起接地电阻的明显下降，此时接地电阻受土壤含水量及温度的双重影响而呈现比较复杂的变化，在此期间，S1、S2接地电阻有3次明显的下降过程，这三次下降过程均发生在出现连续性降水且伴随着土壤温度的升高时段，而S3接地电阻仅有一次过程呈现大幅度的下降，此次大幅下降是因为前期长时间无降水，接地电阻出现大幅上升。在降水较少季节中，S3接地电阻还有两次出现大幅度下降，这两次过程也是长时间无降水，土壤含水量降低导致接地电阻出现大幅升高，而随着两次较强降水过程的出现(累计降水量43.2 mm、47.4 mm)，土壤含水量升高，引起S3接地电阻迅速大幅下降36%、20%，此时段S1接地电阻下降9%、3%，S2接地电阻下降5%、13%。

图5 接地电阻与地温、降水量的日变化曲线图

以上分析表明，在汛期整体的降水量偏多，土壤含水量较高，有时连续性强降水并没有引起接地电阻的明显下降，此时尺寸较大的接地体受温度影响较大。小尺寸接地体主要受降水的影响，无降水时接地电阻会快速上升，当降水出现时会迅速下降。

4.2.2 温度对接地电阻的影响分析

由图3可知，从化地区2010年5月—2011年4月期间的最高气温为2010年7月的28.40℃，最低气温为2011年1月的8.97℃，温差为19.43℃；0.2 m、0.6 m、1.0 m深土壤的最高温度(31.01℃、30.17℃、29.57℃)均在8月，1.5 m深土壤最高温度(28.47℃)在9月，土壤最高温度比气温的最高温度推迟1～2个月，且均比气温高；0.2 m、0.6 m深土壤最低温度(13.25℃、15.68℃)均在1月，1.0 m、1.5 m深土壤最低温度(17.70℃、18.55℃)均在2月，且均比气温高。分析表明：土壤温度的变化主要受气温变化的影响，但是随着土壤深度的增加，影响会逐渐减弱，土壤的四季温差变小。

由图4可知，接地电阻与温度的月变化存在阶段性特征。从月平均接地电阻变化趋势看，2010年5—9月，S1、S2月平均接地电阻随着温度的升高而降低，此阶段S3主要受降水的影响，接地电阻呈现出底部波动状态，这说明小尺寸接地体受温度的影响较小，而受降水和土壤含水量的影响较大；2010年9月—2011年2月，此期间随着温度的下降，S1、S2、S3接地电阻均呈现增大的趋势，在12—2月处于较高水平，随后随着温度的上升，接地电阻逐渐变小。

接地电阻受降水因素的影响会比较大，往往一次强降水可引起接地电阻出现急速的下降。相对来说温度的下降或升高的相对幅度不是很大，是一个相对缓慢的过程，因此引起接地电阻的变化也是一个比较缓慢的过程。例如有两次强降水过程(2010年5月6—23日和2010年6月9—28日期间)的接地电阻变化特征，在此期间土壤含水量处于相对饱和状态，但是两次降水过程期间的气温、地温相比，6月比5月的分别升高了1.42℃和2.55℃，结果是S1、S2接地电阻在6月降水过程中下降的要比5月降水过程中下降幅度大；S3接地电阻虽然在6月的强降水过程中下降较小，但是其电阻值与5月相比还是有所下降。尺寸较小的接地体S3受温度影响不明显，其主要是受降水量及土壤含水量的影响比较大。从温度对不同类型接地体接地电阻的影响特征分析，温度与接地电阻呈反相关关系，由于温度的抑制作用，大尺寸接地装置的接地电阻受降水量及土壤含水量的影响有所下降，接地电阻的四季变化相对平稳。

通过以上分析得出降水、温度与接地电阻的关系如下：(1)当降水量偏多，土壤含水量处于较高水平时，多余的降水并不会使接地电阻出现明显的下降，此时期温度的变化对接地电阻的下降起着关键作用；(2)当长期干旱时，土壤含水量偏低，此时期较强的降水会引起接地电阻出现明显的下降，而温度的影响相对不明显；(3)从季节因素考虑，汛期(4—9月)的降水量增加，温度也逐渐升高，接地电阻呈现下降趋势；在9月之后，由于降水的减少及温度的下降，接地电阻逐渐升高，此过程一直持续到翌年的2月。

5 结论

通过对3种接地装置接地电阻及降水、温度持续1年的观测，分析总结了降水与温度对接地电阻的影响规律。

(1)接地电阻具有明显的季节变化特征，汛期(4—9月)降水量增加，温度也逐渐升高，接地电阻呈现下降趋势，在9月之后，随着降水的减少及温度的下降，接地电阻逐渐升高，此过程一直持续到翌年的2月。

(2)接地电阻的变化率与接地体类型及尺寸大小密切相关，利用建筑自身金属结构作接地体的接地电阻变化率较小，接地电阻比较稳定，受季节变化的影响较小；人工接地体接地电阻变化率相对较大，接地电阻受季节变化的影响较大。这主要是受温度抑制作用的影响，大尺寸接地装置的接地电阻受降水量及土壤含水量的影响有所下降，接地电阻的四季变化相对平稳。

(3)降水量＜20 mm的降水过程对接地电阻的影响较小。出现连续性降水时，土壤含水量处于较高水平时，多余的降水并不会使接地电阻出现明显的下降，此时期温度对接地电阻的变化起着关键作用。当长期干旱时，土壤含水量偏低，此时期较强的降水会引起接地电阻出现较大幅度的下降，此时温度的影响相对不明显。