（1）
式中，S为电流极表面积，m2；U为电压极之间的电势差，V；d为两电压极之间的内侧距离，m；I为测量回路中的电流，A。
图1 土壤试品示意图
Fig.1 Schematic diagram of soil samples
摘要 西藏地区由于独特的气候与地理环境，在其冻土地区存在雷电与低温共存现象。低温下冻土作为含冰复杂体系，其在雷击下的冲击散流性能仍不明晰，因此该文就冻土电阻率的负温特性以及接地极的冲击特性开展研究。首先研究了不同含水量、含盐量的土壤电阻率随温度的变化规律；然后在冲击电流作用下，以永冻土试品的表层土壤融化厚度和季节性冻土试品的表层土壤冻结厚度为变量，探究了其对相应冻土中垂直接地极暂态电位的影响规律；最后结合冻结条件下土壤冲击放电的形貌特征与地中电场强度和电流密度的分布特性，探讨了负温下接地极暂态电位变化的本质原因。试验研究表明：考虑盐分对土壤的影响，当其温度在一次冻结温度Tf与二次冻结温度Ts之间时，电阻率随温度下降缓慢上升，只有当温度降至二次冻结温度时，才存在突增现象；在永冻土中，当冻土温度高于Ts时，接地极仍具有较好的散流性能。由此可知降低Ts可以减小水分冻结对土壤电阻率的影响，为避免极寒地区接地极失效提供了新思路。
关键词：接地 冻土 冲击电流 极寒低温 土壤电离
我国西藏地区拥有丰富的风能[1]、水能、太阳能等绿色能源，十四五期间规划建设多条藏电送出通道。据文献[2-3]报道，西藏地区即使在极寒的春冬季节，月雷暴日也可达15日以上，输电线路走廊环境存在冻土、雷电活动共存的情况。因此，有必要研究冻土中接地极的冲击散流特性。
土壤作为雷电流的散流媒质，在雷电流作用下，存在电离、局部击穿等现象[4]。土壤击穿后电阻率迅速下降，其放电范围根据雷电流幅值可达数m[5-6]，该现象对接地极的散流性能有显著影响。但土壤在低温下冻结后，电离特性有别于融土，雷电流在冻土中的散流特性变得更为复杂。有文献通过长期实地测量研究了土壤电阻率的季节性变化规律，明确提出要重视降雨[7]、低温[8-9]对土壤电阻率的影响。目前有关冻土电气特性的研究多集中在冻土电阻率上，文献[10]建立了冻土电阻率的计算模型，该模型可以用于冻土中未冻水含量的反演计算；西南交通大学[11]则研究了不同类型、不同含水量的土壤电阻率的负温变化特性。而关于接地极在冻土中的冲击散流特性研究仍不完善，文献[12]通过数值计算的手段探究了表层土壤冻结厚度、土壤电阻率对接地极工频接地电阻的影响；文献[13]在计算接地极雷击暂态电位时考虑了冬季表层土壤冻结的情况，并假设冻土、融土的电离区域为规则结构，电离区域土壤的剩余电阻率为初始电阻率的7%；清华大学使用冲击电压发生器对冻土的冲击击穿特性开展试验研究，探讨了冻土的击穿场强[14-15]、击穿时延[16]与其含水量、含盐量、温度之间的关系。由此可见，目前的研究多集中在不含盐土壤电阻率的温度特性上，同时并未开展过季节性冻土、永冻土中接地极冲击散流特性的试验研究。
因此，本文一方面首先通过改变土壤的含水、含盐量，配置了不同冻结温度的土壤试品，测量了不同温度下土壤的电阻率，然后计算了冻土的未冻水含量，并结合土壤导电机理分析了测量结果；另一方面，在一定幅值的冲击电流作用下，以永冻土试品的表层土壤融化厚度和季节性冻土试品的表层土壤冻结厚度为变量，分别探究了其对相应冻土中垂直接地极暂态电位的影响规律。
本文开展了两类试验：①测量土壤电阻率；②观测永冻土、季节性冻土试品中垂直接地极的冲击散流特性。
土壤中的盐分通常以硫酸盐、氯盐、碳酸盐为主，本文根据冻土中盐分、水分含量分布范围[17]，以砂土干重为基准，在试验中分别配置了含盐（NaCl）量分别为0%、0.5%、1%、2%，含水量分别为5%、10%、15%、20%的16种成分试品。后文中为了描述方便，将含盐记为s，含水记为w，并略去百分号%。
如图1a所示，将温度传感器（实时测量土壤温度）置于内边长为20 cm的正方体砂盒中，放入低温试验箱内冰冻。一定时间后，查看传感器所记录数据，若已在设定温度附近波动，则用四极法测量土壤电阻率。土壤电阻率计算式为
（1）
式中，S为电流极表面积，m2；U为电压极之间的电势差，V；d为两电压极之间的内侧距离，m；I为测量回路中的电流，A。
图1 土壤试品示意图
Fig.1 Schematic diagram of soil samples
根据文献[18]对双层土壤结构的布置建议（上下两层土壤厚度比例小于1:3），结合缩比试验原理[19]，分别制作了模拟永冻土表层土壤融化以及模拟季节性冻土表层土壤冻结的试品，如图1b、图1c所示。设定表层土壤融化或冻结厚度分别为0、4、8、10 cm，选择长为8 cm、截面直径为3 mm的圆柱铜棒为垂直接地极，边长为40 cm的正方体砂盒为散流区域，并在砂盒四周和底部敷设回流极。
冲击电流发生器在空载情况下，可产生8/20 µs的冲击电流波形。试验装置示意图如图2所示。图中，Pearson线圈比例为40:1，采集冲击电流波形；电容分压器比例为2 000:1，采集冲击电压波形；Rigor示波器最大采样频率为1 GS/s，最大存储深度为100 Mpts，这三者构成冲击试验的测量系统。观测系统由X射线发生器、冻土试品、成像板构成，用来观测土壤的放电区域。
图2 试验装置示意图
Fig.2 Schematic diagram of test device
试验流程如下：调节充电电压使冲击电流发生器在不同试品接入下输出幅值为2.2 kA的标准雷电冲击电流，以接地极暂态电位作为输出，每个数据点重复试验3次，并取平均值。由于冻土对温度变化敏感，试验时在砂盒周围包裹隔热石棉。
土壤在冻结过程中，时间-温度曲线[20]如图3所示，有如下变化规律。
图3 土壤冻结曲线
Fig.3 Soil freezing curve
在AB阶段，随着冻结时间增加，土壤温度逐渐下降至过冷温度，但水分并未冻结，这是因为土壤中的水分冻结需要形成以土颗粒为主的结晶中心，这一阶段需要比冻结温度更低的温度；BC为跳变阶段，土壤中的水分围绕结晶中心形成冰晶；CD为平衡阶段，此时对应温度称为土壤的冻结温度Tf，也称为一次冻结温度，自由水开始冻结，相变释放出潜热；DE为降温阶段，土壤温度继续降低，最后仅剩少量结合水未冻结，结合水由靠近土壤颗粒的水分受到土粒表面静电力的吸引而形成，它在冻结时不仅需要克服水分子之间的引力，还需克服土粒表面的分子引力，因此其冻结温度更低[14]。
根据温度传感器记录曲线中出现的平衡阶段，可以获取土壤的Tf如图4所示。从图中可以看出，不同水分、盐分土壤的Tf有明显差异[21]：含水量越高，Tf越高；含盐量越高，Tf越低。
图4 不同成分土壤的一次冻结温度
Fig.4 First freezing temperature of soil with different composition
即使在极低温下，由于土壤的孔隙毛细作用及吸附作用，土壤中的水分并不会全部冻结，而是保持一定数量液态水，称为未冻水。为定量分析后文中的试验结果，在此计算了几种不同成分土壤的未冻水含量随温度的变化规律。
对于固定成分的土壤，未冻水含量取决于土壤温度，可用经验公式[20]表示为
（2）
式中，Wu为未冻水含量；T为温度，℃；a和b为经验常数，其中b与土壤类型和含盐量有关。因此可以通过测定两个不同含水量土壤所对应的冻结温度来计算a、b，从而预测不同温度下冻土中未冻水含量。但当温度足够低时，含盐土壤存在未冻水含量陡降点[22]，对应温度被称为二次冻结（相变）温度Ts。根据NaCl·H2O体系相图理论，纯NaCl溶液的Ts=-21.2℃。在土壤中，此温度会更低，在二次相变过程中，会发生反应（见式（3）），生成大量水石盐NaCl·2H2O和冰。
（3）
需要注意的是，式（2）不适用于含盐土壤的温度低于Ts时未冻水含量的计算。
在图5中绘制了含水量分别为w5、w10，含盐量分别为s0、s0.5、s1、s2土壤的7条曲线。由于s2和w5土壤中水分未能完全溶解NaCl，因此无法套用式（2）计算。从图5中可以看出：当温度高于Tf时，土壤中的水分并不冻结，未冻水含量保持不变；当温度低于Tf后，土壤中未冻水含量随温度下降而减少的速率先快后慢，这与土壤的含盐、含水量相关。
图5 土壤中未冻水含量随温度变化
Fig.5 Unfrozen water content varies with temperature in soil
土壤的导电方式可分为孔隙水导电与土壤颗粒表面导电[10]。若仅考虑土壤孔隙水导电，土壤电阻率表达式[11]为
（4）
式中，Ci为离子i浓度；zi为离子i所带电荷数；|zi|Ci为单位体积内离子i所带电荷数；θ为含水量；τ(θ)为孔隙弯曲度；µi0为离子i在水中的迁移系数。
不同成分土壤的电阻率随温度变化如图6所示。由图6a可知，s0土壤（Tf约为0℃，见图4）在温度低于0℃之后，未冻水含量迅速减少（见图5），土壤电阻率快速上升到数kΩ·m；随着温度进一步降低，土壤中几乎不存在孔隙水，土壤电阻率达到数万Ω·m，导电方式以表面电导为主[10]。对于含盐土壤，如图6b～图6d所示，当温度高于Tf时，土壤电阻率随着温度降低略微增加，结合式（4）可知是由于迁移系数µi0随温度降低而变小；当温度低于Tf之后，土壤中水分开始冻结，含水量θ减少，电阻率加速上升，但电阻率仍只有数百Ω·m。究其原因，虽然未冻水含量随温度降低而减少，但未冻水仍可溶解大部分NaCl，土壤中存在大量游离的离子，其电阻率仍保持较低水平。而一旦温度降低到Ts以后，含盐土壤的电阻率便突升，这是由于此时未冻水含量会出现突降现象，冻结生成的水石盐和冰是固体颗粒，不存在自由移动的带电粒子，导致土壤电阻率非常大。
图6 不同成分土壤的电阻率随温度变化
Fig.6 The resistivity of soil with different composition varies with temperature
图7显示了在不同负温下，s1, w10土壤的X射线成像图以及对应空气、土壤颗粒、冰、水四种物质的分布示意图[23]。可以看出随着温度下降，X射线成像图的灰度值变得更加均匀；结合示意图可知，这是由于土壤中水分相变成冰，并膨胀使得土壤颗粒之间的空气间隙压缩，土壤变得更加均匀、紧密。如图7c所示，土壤在-30℃时几乎仅由土壤颗粒和冰组成，其电阻率非常大。
图7 不同温度下s1, w10土壤的X射线成像图及各类物质分布示意图
Fig.7 X-ray images of soil s1, w10 and distribution of various substances at different temperatures
由此可见，含盐土壤的电阻率突增时所对应的温度并不是Tf，而是Ts。这为改善冻土地区土壤的电阻率、降低接地装置接地电阻提供了新思路，可以通过在接地装置周围回填细颗粒土壤、减少土壤孔隙液浓度或土壤总含水量[22]等手段来降低土壤的二次冻结温度，以避免极寒条件下冻土性质剧变导致其电阻率突增。
永冻土试品表层土壤融化厚度hr的布置示意图如图8所示，试验时分别取为0、4、8、10 cm。
图8 永冻土试品表层土壤融化厚度示意图
Fig.8 Schematic diagram of permafrost surface soil melting thickness
如图9所示，选取了成分为s0.5, w5、s0.5, w10、s1, w5、s1, w10的四种试品（图4中黄色带斜杠柱体），探究了当底层冻土温度分别为-10、-15、-20、-30℃时，接地极暂态电位与表层土壤融化厚度的关系。在图9a～图9c中，当表层土壤融化厚度未超越接地极端部（8 cm）时，四种成分土壤中接地极电位随融化厚度增加的下降程度均不明显，这是由于冻土的温度还未达到Ts，导电性能仍然较好；又因为冻土会在强电场作用下被电离，电阻率迅速下降，此时集中接地极的端部存在端部效应，是冲击电流的主要散流位置，因此融化厚度的增加对接地极电位影响不大。当融化厚度超过接地极端部时，s0.5土壤中接地极的电位下降程度变大，而s1土壤在温度为-20℃时，接地极电位下降程度才明显。这是由于s1土壤的Tf更低（见图4），且土壤冻结后未冻水含量随温度下降变化幅度更小（见图5），因此在相同负温下，s1冻土中未冻水含量更高，游离的带电离子更多，冲击散流性能更佳，而s0.5土壤的散流性能受温度降低影响从而劣化更为严重。
图9 不同温度下暂态电位与表层土壤融化厚度的关系
Fig.9 Relationship between potential and surface soil melting thickness at different temperatures
如图9d所示，当温度为-30℃，且存在表层融土时，接地极电位将变得很低。此时四种成分土壤中的水分基本完全冻结，冲击电流作用下冻土难以有效电离，其散流性能极差，极高电阻率的冻土迫使大部分电流在低电阻率的表层融土中散流。
在试验中观测了试品放电后的部分正视图影像，如图10所示。图10a、图10b是冻土温度分别为-10、-20℃时，季节性冻土试品的放电影像；图10c、图10d是永冻土试品的放电影像。
土壤的击穿以土壤颗粒间空气间隙击穿[24]为主，低温使得间隙中电子平均自由行程变小，在一定电场强度下积累的动能更小，不利于碰撞电离，同时也不利于空气的热电离，结合图像可知冲击电流在融土中的电弧[25]放电区域体积要大于在冻土中的体积[26]。在-20℃时土壤中含冰量更高，冻土更为紧密，冲击电流难以破坏其结构，因此放电通道体积较-10℃时更小。放电通道的体积代表了土壤散流能力的好坏[26]，体积越大，则散流能力越好，接地极暂态电位越低。图10c、图10d与图9试验结果相符：当表层土壤融化厚度超过接地极端部时，一部分电流将通过融土散流，电位下降幅度更大。同时注意到，电流密度经过融土-冻土分界线时发生了一定角度的偏折。
图10 不同温度下s1, w10表层土壤冻结、融化厚度为10 cm时的X射线成像图
Fig.10 X-ray images of s1, w10 soil with 10 cm freezing-thawing thickness at different temperatures
图11为电场强度、电流密度在铜质接地极、融土、冻土中的分布示意图，以此来分析图10中观测到的现象。需要注意的是，以下推导均基于土壤是各向同性媒质[27]的前提。
图11 场量分布示意图
Fig.11 Schematic diagram of field distribution
考虑到试验中，接地极长度相对冲击电流波头时间不存在显著波过程，因此认为接地极的电路模型是集中电路，不考虑土壤的电容、接地极的电感效应。在时变场中有
（5）
式中，J为电流密度，A/m2，其值越大，表示土壤散流能力越好；E为电场强度，V/m，其值越大，表示土壤越容易发生电离；γ为土壤的电导率，S/m；D为电位移矢量，C/m2。
在融土、冻土散流媒质中满足电流密度法向分量守恒与电场强度切向分量守恒，即
（6）
因此
（7）
式中，α为场线与分界面法线之间的夹角；下标1, 2, 3所代表的含义见图11中标注。
铜的电导率为5.7×107 S/m，远大于土壤电导率，由式（7）可知场量近似垂直接地极侧面出射。以图11a为例，当场量由融土入射冻土时，由于两者电导率不同，由式（7）可知α3≤α2，进一步由式（6）可知J2≥J3，E2≤E3。这表明融土的散流能力要优于冻土，冻土承受的电场强度大于融土，以上分析与图10c和图10d的观测结果相符：冻土中由于电场强度更大被冲击电流击穿，融土中放电通道体积更大，场量经过融土-冻土分界面时发生折射。同理，当场量由冻土入射融土时，如图11b所示，α3≥α2，J3≥J2，E2≥E3，这一分析与图10a和图10b的观测结果相符。
为进一步分析图9中的试验结果，以s1, w10试品为例，利用有限元方法模拟计算了电场强度、电流密度在土壤中的分布情况。由于土壤电离总是在接地极附近[26]发生，继而影响接地极的散流性能，因此定义了一条与接地极中心距离为3 mm、长为15 cm的观测线，取表层土壤融化厚度为0、4、8、10 cm。计算时所需土壤电阻率的参数见表1。
表1 s1, w10土壤参数
Tab.1 s1, w10 soil parameters
土壤类型温度/℃电阻率/(Ω·m) 冻土-3015 128 冻土-1068 融土128.4
电场强度分布的计算结果如图12所示，纵坐标h为高度（单位为m），横坐标归一化电场强度定义为
（8）
式中，
为高度h处的电场强度。
图12 表层土壤不同融化厚度时土壤中电场强度分布
Fig.12 Distribution of electric field in soil with different melting thickness of surface soil
由图12可知，电场强度最大值总是出现在接地极端部，与冻土层温度、融土层厚度无关。因此端部近区的土壤最有可能先发生电离（若忽略融土、冻土临界击穿场强[14]的差异），从而增加接地极的有效体积[28]，更有利于电流在端部散流，正如图10中观测结果所示。
电流密度作为电场强度与电导率的乘积，表征了两者的综合作用。图13是电流密度沿观测线的分布图。横坐标归一化电流密度定义为
（9）
式中，J(h)为高度h处的电流密度。
图13 表层土壤不同融化厚度时土壤中电流密度分布
Fig.13 Distribution of current density in soil with different melting thickness of surface soil
在图13a中，无论表层土壤融化厚度为多少，电流密度均存在端部效应，但在4 cm时表现不明显；在图13b的4 cm和8 cm中，接地极端部效应消失，融土中电流密度远大于冻土。该现象导致了试验中图9d的结果：在-30℃下，当存在融土层时，电流在接地极侧面的融土中大量散流。
结合图12、图13的计算结果可知：在永冻土试品中，冲击电流通过接地极时趋向在表层融土中散流，但电场强度总是在端部最大，其附近的冻土更可能电离发展形成电弧放电通道[29]。图9的试验结果表明，该现象与冻土的温度有关，在-10、-15、-20℃时，电流依旧以接地极端部附近的土壤散流为主，在-30℃时，电流则从接地极侧面的融土中散流。
选取与第3节中相同成分的土壤，研究季节性冻土中接地极的暂态电位变化规律。表层土壤冻结厚度示意如图14所示，冻结厚度hd分别为0、4、8、10 cm。
图14 季节性冻土表层土壤冻结厚度示意图
Fig.14 Schematic diagram of surface soil freezing thickness of seasonal frozen soil
图15为不同负温下，接地极暂态电位随表层土壤冻结厚度的变化趋势。以图15a为例进行分析，当表层土壤冻结厚度未超越接地极端部时，电位随冻结厚度增加而缓慢上升；当冻结厚度超越端部时，s1土壤电位上升速率仍较为平缓，但s0.5土壤电位上升速度明显变快。这是由于在-10℃时，s1, w5土壤中的水分还未开始冻结（见图4），而s1, w10土壤尽管已经冻结，但此时仍存在大量未冻水（见图5）与自由移动的离子，因此s1冻土导电能力与融土相差不大；而s0.5土壤因Tf较高，在-10℃时已冻结形成大量冰，冰堵塞了冲击电流的散流路径，同时也不利于土壤电离的发生[16]。
图15 不同温度下暂态电位与表层土壤冻结厚度的关系
Fig.15 Relationship between potential and surface soil freezing thickness at different temperatures
由图15可知，各成分土壤中接地极电位均随冻结厚度增加而上升，尤其是在表层土壤冻结厚度超越接地极端部后，随着温度降低，在每个冻结厚度下，电位也变得更大。这说明温度下降、表层土壤冻结厚度增加给接地极的散流性能带来不利影响。
季节性冻土中电场强度、电流密度沿观测线分布规律分别如图16、图17所示：均在接地极端部达到最大值，具有端部效应，这与图10a、图10b的观测结果相符；在图17a、图17b的4 cm示意图中，电流密度在越过冻土层后，会在融土中有所突增，且突增程度与温度有关。以上规律表明大量冲击电流会在接地极端部下方的土壤中散流，而在表层冻土中散流较少，因此在图15中，接地极电位上升趋势随表层土壤冻结厚度的增加先缓后快。
图16 表层土壤不同冻结厚度时土壤中电场强度分布
Fig.16 Distribution of electric field in soil with different frozen thickness of surface soil
图17 表层土壤不同冻结厚度时土壤中电流密度分布
Fig.17 Distribution of current density in soil with different frozen thickness of surface soil
本文测量了不同含水量、含盐量的土壤电阻率随温度的变化规律，并选取四种不同成分的土壤，试验研究了接地极暂态电位与永冻土试品的表层土壤融化厚度、季节性冻土试品的表层土壤冻结厚度的关系。在试验所取土壤成分、冲击电流幅值下，可得以下结论：
1）负温下含盐土壤的电阻率随温度下降而上升存在阶段过程：当温度高于一次冻结温度时，电阻率因离子迁移速率变慢而缓慢上升；当温度低于一次冻结温度时，电阻率主要因离子迁移速率变慢、未冻水含量减少而加速上升；当温度低于二次冻结温度时，土壤电阻率才会出现陡增现象。
2）由永冻土中接地极的数值计算、试验结果可知：表层融土是冲击电流倾向散流的位置，但接地极端部电场强度最大；在试验中当冻土层温度高于二次冻结温度时，冻土仍具有较好的散流性能；当冻土层温度低于二次冻结温度时，电流在接地极侧面融土中散流；随着表层土壤融化厚度增加，接地极电位缓慢下降，在超越端部后，电位下降幅度变大。
3）由季节性冻土中接地极的数值计算、试验结果可知：电场强度最大处为接地极端部，也是冲击电流散流的主要位置；随着表层土壤冻结厚度增加，接地极电位缓慢上升，在超越端部后，电位上升幅度变大；低含盐土壤的散流性能相较于高含盐土壤，因温度下降而劣化更为严重。
参考文献
[1] 蔡国伟, 雷宇航, 葛维春, 等. 高寒地区风电机组雷电防护研究综述[J]. 电工技术学报, 2019, 34(22): 4804-4815. Cai Guowei, Lei Yuhang, Ge Weichun, et al. Review of research on lightning protection for wind turbines in alpine areas[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(22): 4804-4815.
[2] 周仿荣, 邹德旭, 马御棠, 等. 2010～2014年西藏地区雷电地闪分布特征[C]//2017智能电网信息化建设研讨会论文集, 北京, 2017: 84-88.
[3] 陈博. 中国冻土时空变化特征及其与东亚气候的关系[D]. 北京: 中国科学院研究生院（大气物理研究所）, 2007. Chen Bo. Characteristics of spatial and temporal variation of frozen soil in China and their association with the East Asian Climate[D]. Beijing: Graduate School of the Chinese Academy of Sciences (Institute of Atmospheric Physics), 2007.
[4] 郭蕾, 古维富, 刘彬, 等. 杆塔接地装置的冲击阻抗建模及应用[J]. 电工技术学报, 2020, 35(10): 2239-2247. Guo Lei, Gu Weifu, Liu Bin, et al. Impulse impedance modeling and application of tower grounding device[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(10): 2239-2247.
[5] Charalambous C A, Dimitriou A, Kioupis N, et al. Wall fusion of buried pipelines due to direct lightning strikes: field, laboratory, and simulation investigation of the damaging mechanism[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2020, 35(2): 763-773.
[6] 钟逸涵, 邓丰, 史鸿飞, 等. 基于动态电阻串联的高阻接地故障精确建模[J/OL]. 电工技术学报, 2023: 1-14. https://doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753. tces.230065. Zhong Yihan, Deng Feng, Shi Hongfei, et al. Accurate modeling of high-impedance grounding faults based on dynamic resistance series[J/OL]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023: 1-14. https:// doi.org/10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230065.
[7] Wang Chenyang, Liang Xiaodong, Adajar E P, et al. Investigation of seasonal variations of tower footing impedance in transmission line grounding systems[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2021, 57(3): 2274-2284.
[8] 张宝平, 何金良, 康鹏, 等. 高海拔永冻地区青藏铁路输电线路防雷设计[J]. 高电压技术, 2008, 34(6): 1095-1099. Zhang Baoping, He Jinliang, Kang Peng, et al. Lightning protection design strategy for transmission lines of the Qinghai-Tibet railway in high altitude permafrost region[J]. High Voltage Engineering, 2008, 34(6): 1095-1099.
[9] 邹乐凯. 极寒地区直流接地极入地电流散流特性及监测装置研究[D]. 重庆: 重庆大学, 2020. Zou Lekai. Research on ground current dispersion characteristics and monitoring device of DC grounding electrode in extremely cold region[D]. Chongqing: Chongqing University, 2020.
[10] 罗豪良, 滕继东, 张升, 等. 冻土未冻水含量与电导率的关系研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2021, 40(5): 1068-1079. Luo Haoliang, Teng Jidong, Zhang Sheng, et al. Study on the relationship between unfrozen water content and electrical conductivity in frozen soils[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2021, 40(5): 1068-1079.
[11] 曹晓斌, 吴广宁, 付龙海, 等. 温度对土壤电阻率影响的研究[J]. 电工技术学报, 2007, 22(9): 1-6.Cao Xiaobin, Wu Guangning, Fu Longhai, et al. Study ofthe temperature impact on soil resistivity[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2007, 22(9): 1-6.
[12] 郭在华, 邢天放, 吴广宁, 等. 冰冻土壤中垂直接地极的接地电阻变化规律[J]. 高电压技术, 2014, 40(3): 698-706. Guo Zaihua, Xing Tianfang, Wu Guangning, et al. Grounding resistance change rule of vertical grounding electrode in frozen soil[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(3): 698-706.
[13] Liu Yaqing, Theethayi N, Thottappillil R, et al. An improved model for soil ionization around grounding system and its application to stratified soil[J]. Journal of Electrostatics, 2004, 60(2/3/4): 203-209.
[14] 张宝平, 何金良, 康鹏, 等. 冻土冲击特性的试验研究[J]. 中国电机工程学报, 2008, 28(16): 143-147. Zhang Baoping, He Jinliang, Kang Peng, et al. Experimental study on impulse characteristics of frozen soil[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(16): 143-147.
[15] He Jinliang, Zhang Baoping, Kang Peng, et al. Lightning impulse breakdown characteristics of frozen soil[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2008, 23(4): 2216-2223.
[16] He Jinliang, Zhang Baoping, Zeng Rong, et al. Experimental studies of impulse breakdown delay characteristics of soil[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2011, 26(3): 1600-1607.
[17] 邴慧, 马巍. 盐渍土冻结温度的试验研究[J]. 冰川冻土, 2011, 33(5): 1106-1113. Bing Hui, Ma Wei. Experimental study on freezing point of saline soil[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2011, 33(5): 1106-1113.
[18] Mukhedkar D, Gervais Y, DeJean J P. Modelling of a grounding electrode[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1973, PAS-92(1): 295-297.
[19] Thapar B, Goyal S L. Scale model studies of grounding grids in non-uniform soils[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1987, 2(4): 1060-1066.
[20] 徐学祖, 王家澄, 张立新. 冻土物理学[M]. 北京: 科学出版社, 2001.
[21] 肖泽岸, 侯振荣, 董晓强. 降温过程中含盐土孔隙溶液相变规律研究[J]. 岩土工程学报, 2020, 42(6): 1174-1180. Xiao Zean, Hou Zhenrong, Dong Xiaoqiang. Phase transition of pore solution in saline soil during cooling process[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2020, 42(6): 1174-1180.
[22] 张立新, 徐学祖, 陶兆祥, 等. 含氯化钠盐冻土中溶液的二次相变分析[J]. 自然科学进展, 1993, 3(1): 48-52.
[23] 吴冰, 朱鸿鹄, 曹鼎峰, 等. 基于光纤光栅的冻土含冰量监测可行性试验研究[J]. 岩土工程学报, 2019, 41(12): 2323-2330. Wu Bing, Zhu Honghu, Cao Dingfeng, et al. Feasibility study on FBG-based monitoring method for ice content in frozen soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2019, 41(12): 2323-2330.
[24] Mousa A M. The soil ionization gradient associated with discharge of high currents into concentrated electrodes[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1994, 9(3): 1669-1677.
[25] 刘毅, 赵勇, 任益佳, 等. 水中大电流脉冲放电电弧通道发展过程分析[J]. 电工技术学报, 2021, 36(16): 3525-3534. Liu Yi, Zhao Yong, Ren Yijia, et al. Analysis on the development process of arc channel for underwater high current pulsed discharge[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(16): 3525-3534.
[26] 罗东辉, 袁涛, 司马文霞, 等. 连续冲击电流作用下土壤放电通道体积特征参数提取方法及机理分析[J]. 高电压技术, 2020, 46(5): 1791-1799. Luo Donghui, Yuan Tao, Sima Wenxia, et al. Mechanism and method of volume parameter extraction of soil discharge channel under successive impulse currents[J]. High Voltage Engineering, 2020, 46(5): 1791-1799.
[27] 王泽忠, 司远, 刘连光. 考虑地下各向异性介质的磁暴感应地电场研究[J]. 电工技术学报, 2022, 37(5): 1070-1077, 1114. Wang Zezhong, Si Yuan, Liu Lianguang. Study on the induced geoelectric field of geomagnetic storm considering the underground anisotropic medium[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(5): 1070-1077, 1114.
[28] Clark D, Mousa S, Harid N, et al. Lightning Current performance of conventional and enhanced rod ground electrodes[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 2021, 63(4): 1179-1188.
[29] 黄仕杰, 刘毅, 林福昌, 等. 高压脉冲放电破岩电弧阻抗特性分析[J]. 电工技术学报, 2022, 37(19): 4978-4988. Huang Shijie, Liu Yi, Lin Fuchang, et al. Analysis of arc impedance characteristics in high-voltage electric pulse discharge rock destruction[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(19): 4978-4988.
Abstract 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 (Ts), its resistivity increases slowly with the decrease of temperature; when the temperature is lower than Ts, 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 than Ts, 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 than Ts, 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 to Ts, 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 the Ts of the soil, the grounding performance of the grounding device can be avoided to fail under extremely cold conditions.
Keywords: Grounding, frozen soil, impulse current, extremely cold temperature, soil ionizaion
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222233
中图分类号：TM863
国家自然科学基金面上项目资助（51777020）。
收稿日期 2022-11-29
改稿日期 2023-01-02
袁 涛 男，1976年生，副教授，博士生导师，研究方向为电力系统过电压防护及防雷接地技术、电磁兼容技术。E-mail：yuantao_cq@cqu.edu.cn（通信作者）
任健行 男，1998年生，硕士研究生，研究方向为输电线路防雷接地。E-mail：1109073216@qq.com
（编辑 李 冰）