接地電阻是衡量接地系統有效性和可靠性的重要技術指標，降低接地電阻是提高線路耐雷水平的有效舉措[1,2,3,4,5]。接地裝置中實際的接地電阻包括裝置的本體電阻、接地體與土壤之間的接觸電阻和土壤本身的電阻[6,7],其中接觸電阻常常被忽略。

　　實際工程中，采用軟件模擬或經驗公式來設計接地網時往往基于接地裝置與土壤理想接觸[8,9,10,11]。然而，當接地裝置敷設在與電極接觸不良的土壤中(如喀斯特地貌、常年冰凍地區),接觸電阻就會成為總接地電阻的重要組成部分[7,12,13],忽略此時接觸電阻的大小會增加施工難度，使其難以達到設計標準要求。因此，科學地估算接觸電阻的大小，將接觸電阻加入接地電阻的計算之中對提高接地網的設計水平具有重要意義。

　　目前，已有學者對接地體與土壤間的接觸電阻展開研究。相關研究表明，接地體與土壤之間的接觸電阻對接地電阻的影響不容忽視[14,15]。曾嶸等建立了一種仿真模型，采用ANSYS分析了不同工況對接觸電阻的影響，并提出減小接觸電阻的方法[7]。J.Trifunovic開發了一種可估算復雜接地系統總接地電阻的算法，通過在接地電極和周圍土壤之間設置一些空氣間隙來模擬接地極與土壤間的不良接觸，適用于各種類型的接地系統[16,17]。張迅等提出了一種接觸電阻的測量評估方法，并在仿真計算中通過等效涂層的方式模擬接觸電阻，為實際工程中接觸電阻的測量提供了思路[18]。盡管已有接觸電阻的測量和仿真方法被提出，但針對接觸電阻的研究仍就較少且不夠系統，接觸電阻實驗測量可參考數據較少。

　　近年來，由于石墨材料的耐腐蝕性、柔性和低趨膚效應，新型石墨基柔性接地材料研發成功并得到實際應用[19,20,21],石墨材料相比于傳統的金屬接地材料具有柔性可彎曲的特點，當土壤含水量、溫度或者承受外力時，石墨材料可隨土壤膠體發生相似形變，減少空氣間隙，保證兩者有效接觸從而減小接觸電阻。然而石墨接地體與土壤的接觸特性還有待進一步研究。

　　土壤含水量不同時土壤的形變程度不同;不同溫度下土壤凝結程度不同，導致土壤電阻率變化;不同土壤類型時土壤顆粒的大小不同，接觸效果亦不同，空氣間隙占比大小導致不同接地體的有效接觸面積不同。因此本文通過建立接地體和土壤接觸電阻的測量平臺，采用控制變量的方法測量不同溫度、濕度、土壤類型下的接地體與土壤的接觸電阻，并對比金屬接地體和石墨接地體的接觸特性。

　　1 、接觸電阻試驗原理

　　根據電路歐姆定律，將模擬土壤裝入圓柱形電阻率測量容器中，振動實在，采用四極法[22,23,24,25]測量不同溫度下的電阻值RL,見圖1。C1、C2、P1、P2為4個環形電極，C1、C2為電流極，P1、P2為電壓極。可以得到土壤電阻率ρ的計算公式為

　　ρ=RL?SL (1)

　　其中，RL為測得的電阻，S為圓柱截面積，L為土壤柱的長度。

　　接地體與土壤間的接觸形式見圖2,接地體與土壤之間的接觸不是面接觸，可以等效為點接觸，即接觸層主要是由土壤顆粒以及空氣間隙無組成，兩者直接的接觸電阻與土壤顆粒的大小有密切的關系。相比于金屬接地體，石墨接地材料的柔軟易形變的物理特性可以保證其與土壤更好的接觸，在不同土壤顆粒環境中石墨材料相比于金屬材料的有效接觸面積更大，接觸電阻相對較低。試驗樣品模型見圖3,在金屬桶內的模擬土壤中以相同的方式分別埋入外形規格相同的石墨基柔性接地體和金屬接地體(接地體和金屬桶壁不得直接接觸),測量對比石墨基柔性接地體和金屬接地體與不同條件土壤之間的電阻值。

　　在試驗中，模擬土壤的電阻為

　　R1=ρ2πhlnr1r0=1.013ρ (2)

　　式中：R1為模擬土壤的電阻，Ω;ρ為模擬土壤的電阻率，Ω·m;h為金屬桶的有效高度，m;r1為金屬桶的內半徑，m;r0為接地體的半徑，m。

　　金屬材料與模擬土壤的接觸電阻RJ1為金屬桶壁以及金屬接地體與模擬土壤接觸電阻之和，從而有：

　　RJ1=RTJ1+RJJ1 (3)

　　上標T和J分別表示金屬桶和接地體。

　　RJ1數值上等于每次測量金屬接地體模型時的總電阻減去模擬土壤的電阻，即：

　　RJ1=R-R1 (4)

　　式中：R為金屬接地體每次試驗測量得到的電阻值，Ω。

　　金屬接地體與土壤的接觸電阻和金屬桶與土壤的接觸電阻可分別由式(5)和式(6)進行計算：

　　RJJ1=RJ1S2S1+S2 (5)

　　RTJ1=RJ1S1S1+S2 (6)

　　式中：S1為金屬接地體與土壤的總接觸面積，m2;S2為金屬桶與土壤的總接觸面積，m2。

　　每次測量石墨基柔性接地體模型時得到的電阻值減去模擬土壤電阻和金屬桶與模擬土壤的接觸電阻，就可得到石墨基柔性接地體與模擬土壤的接觸電阻RSJ2。由此便可分析石墨基柔性接地體和金屬接地體與土壤的接觸電阻的差別。

　　RSJ2=R′-R1-RTJ1 (7)

　　式中：R′為石墨基柔性接地體每次試驗測量得到的電阻值，Ω。

　　2、 接觸電阻試驗平臺與試驗樣品

　　試驗平臺主要由兩部分構成，第1部分為工頻電壓發生器與試驗容器，第2部分為電壓電流測量系統。測量回路示意圖見圖4,試驗平臺實拍圖見圖5,試驗樣品見圖6、圖7。

　　本次試驗所使用的工頻電壓發生器可產生最高400 V工頻電壓;試驗所采用的試驗容器表面為鍍鋅鋼材質，耐腐蝕性好。所采用的測量系統為交流電壓表和交流微安表，兩者均具有良好的測量精度。

　　3 、接觸電阻試驗方法與過程

　　實驗的具體操作步驟如下：

　　1)將土壤裝入土壤電阻率測量容器，將土壤壓緊實，并且將兩頭密封完整，連接好測量線路，記錄下電壓和電流值，計算出土壤電阻率ρ。

　　2)將鍍鋅圓鋼接地體和土壤裝入試驗金屬桶內，將土壤壓緊實，連接好測量線路，在電極間施加適當的工頻交流電壓，記錄下電壓和電流值，計算出總電阻值R。

　　3)將鍍鋅圓鋼接地體取出，將石墨基柔性接地體放入同樣土壤條件下的金屬桶內，重復實驗，計算出總電阻值R′。

　　4)根據式(1)～(7),分別計算出土壤電阻率、鍍鋅圓鋼接地體與土壤的接觸電阻、石墨基柔性接地體的接觸電阻，記錄計算結果。

　　5)改變土壤溫度，通過把土壤放入高低溫試驗箱將溫度從室溫每次降低10 ℃,直至降溫到最低-40 ℃,重復步驟(1)～(4)。

　　6)改變土壤濕度，通過加水將濕度每次大約升高5%,直至升至土壤呈泥漿狀，重復步驟(1)～(4)。

　　7)通過添加降阻劑和碎石來改變土壤類型，重復步驟(1)～(4)。

　　4、 接地體接觸電阻影響因素分析

　　接地體接觸電阻受土壤的溫度、濕度、類型的影響而變化，本節將研究不同因素對接地體接觸電阻變化的影響，通過試驗定性和定量的分析接地體的接觸電阻。

　　4.1、 土壤溫度對接觸電阻的影響

　　土壤在低溫情況下會凝結導致土壤發生形變，土壤電阻率升高，接地體與土壤的接觸電阻也會隨之增大，但是不同材料接觸電阻的增大比例不同。因此，測量不同溫度下的土壤電阻率變化，研究土壤電阻率與溫度的關系，對比不同接地體不同溫度下的接觸電阻，可為凍土地區提高接地系統設計的準確性提供思路。

　　由圖8、圖9可以得出結論，當溫度在0 ℃以上范圍內下降時，土壤電阻率的下降比較緩慢，由于此時兩種土壤的土壤電阻率較低，土壤顆粒較小，此時石墨材料和圓鋼材料與土壤接觸良好，所以此時接觸電阻很小，且溫度變化時的差異不明顯。當溫度低于0 ℃時，隨著溫度的下降土壤開始凝結，土壤密度變大，隨著溫度降低，土壤逐漸成塊狀，當溫度低于-10 ℃時，土壤電阻率急劇升高，兩種材料與土壤的接觸面積變小，空氣間隙增多，所以測試接觸電阻升高。由于金屬相比于石墨材料不易形變，所以接觸電阻升高較快，溫度過低土壤凝結較為嚴重，此時接觸電阻升高更為明顯。從實驗數據可得石墨與圓鋼相比，不同土壤電阻率時接觸電阻都較小，石墨材料接觸電阻約為圓鋼材料接觸電阻的25%。

　　4.2 、土壤濕度對接觸電阻的影響

　　土壤在潮濕的情況下不僅電阻率會降低，同時水分使土壤發生形變，使得土壤與接地體之間的接觸點更多，土壤松軟后與接地體的接觸會更緊密，而接觸電阻會隨之而降低。因此，研究不同接地體與不同濕度下土壤的接觸電阻，對于一些雨季較多地區的接地系統設計具有重要意義。

　　從圖10、圖11可以得出結論，當水分含量升高時，土壤中所含導電離子的濃度增加，土壤的導電性增強，土壤電阻率會隨之下降，當其到達一定濕度時，土壤電阻率下降過程不再明顯，隨著含水量的增加，有效接觸面積的增大，接觸電阻也隨之下降，當水分含量較高時，土壤形變到達一定程度后變化較小，此時接觸電阻的下降不再明顯。同時對比金屬材料與石墨材料的接觸電阻，石墨材料的接觸電阻總體較低，因為水分引起土壤形變后，由于石墨材料本身特性，其有效接觸面積大于金屬材料的接觸面積，石墨與不同土壤間的接觸性能優于鍍鋅圓鋼，基本上在鍍鋅圓鋼的20%～30%之間。

　　4.3 、土壤類型對接觸電阻的影響

　　不同地區的土壤類型與土壤條件并不完全一致，土質較好地區土壤電阻率較低，而有些地區碎石的存在使得土壤電阻率很高，而土壤類型主要影響土壤顆粒的大小，土壤顆粒決定了土壤與接地體的有效接觸面積大小，為模擬工程中不同土壤類型和顆粒度的土壤條件，試驗分別加入直徑8～10 mm的碎石，降阻劑土壤電阻率為20 Ω·m, 按照不同的質量進行配比。

　　從表3中可以得出結論，當土壤中摻雜降阻劑時，土壤電阻率下降較快，降阻劑的加入填充接地體附近的空氣間隙，相當于增大了接地體附近與土壤的接觸點數，此時接觸電阻也下降到毫歐級別，幾乎可以忽略不計。當土壤中摻雜碎石時，土壤的電阻率急劇升高，由于碎石和接地體的接觸并不是十分良好，即有效接觸面積下降，所以土壤與碎石組合的接觸電阻較高，從而導致接地電阻過大。土壤類型不同時，石墨材料的接觸電阻仍然小于圓鋼材料的接觸電阻。由于碎石等加入導致土壤的形變，此時石墨材料與土壤的接觸更為充分，接觸電阻較低。

　　5、 結 論

　　本研究在一些近似和假設的前提下，通過試驗對不同接地體在不同土壤情況下的接觸電阻進行了測量并得出以下結論：

　　1)土壤的環境包括溫度、適度和土壤類型等都會影響土壤與接地體之間的接觸電阻。在不同的土壤環境下，由于石墨材料本身的柔性，與土壤的接觸更充分，其接觸電阻明顯小于鍍鋅扁鋼材料的接觸電阻。

　　2)土壤電阻率隨溫度的變化而變化，對應著接地體與土壤之間的接觸電阻也隨之變化。隨著溫度的降低，土壤凝結，土壤電阻率升高變快，接觸電阻增加;濕度升高使接地體與土壤之間的接觸會變得更加緊密，接觸電阻也會隨之而減小;從土壤類型來看，土壤電阻率較低時，接觸電阻的影響較小，土壤電阻率越大，接觸電阻對接地電阻的影響越明顯，不可忽略。

　　3)接地裝置接地電阻的工程應用與接觸電阻的考慮應該結合起來。土壤電阻率對接觸電阻的影響較大，低土壤電阻率地區，溫度不易控制可以通過加水的方式增大濕度而降低接觸電阻。高土壤電阻率地區，可以通過加細沙或降阻劑等方式降低土壤電阻率來降低接觸電阻。

　　參考文獻

　　[1]胡元潮.柔性石墨復合接地材料及其在電力系統中的應用研究[D].武漢:武漢大學, 2014.

　　[2]趙智忠,王業康,李艷紅, 等基于多物理場的接地體腐蝕狀態檢測方法[J].高壓電器, 2020 56(05):62 -68 ZHAO Zhizhong, WANG Yekang.LI Yanhong,et al. Multi-physics based detection method of grounding body corrosion state[J] High Voltage Apparatus,2020 ,56(05):62-68.

　　《接地體與土壤的接觸電阻影響因素研究》來源：《電瓷避雷器》，作者：胡松江 務孔永 朱毅男