例如在垂直極為12根時(shí),水平網(wǎng)流散的電流為25%左右,而垂直極流散的電流大約為75%。而在土壤不均勻,特別是上層土壤電阻率明顯大于下層土壤電阻率時(shí),這一趨勢更加明顯,垂直極中流散的電流可達(dá)到總電流的90%。因此在地面上引起的接觸電壓和跨步電壓也會(huì)相應(yīng)有較大幅度的降低。
　　
　　垂直極對消除季節(jié)因素影響的作用一般情況下,多孔含水巖石的電阻率可由以下經(jīng)驗(yàn)公式[4]求得:ρ=ρ0f-mS-n,(1)式中:ρ0為填充于巖石孔隙中水的電阻率;f為孔隙度(孔隙體積與總體積的比值);S為填充了水的孔隙空間與總孔隙空間的比值;約有30%以上的孔隙空間為水填滿時(shí),n值接近于2;m值取決于巖石的固化程度或地質(zhì)年代,對松散的沉積巖m為1.3左右,對良好固結(jié)的古生代沉積巖m為1.95左右。
　　
　　由上可以看出巖石的電阻率主要取決于它的含水量和水的電阻率。由于土壤的導(dǎo)電具有離子導(dǎo)電性能,因此其電阻率通常是隨著溫度的降低而增加。與沙混合的粘土含水量15%時(shí),在0℃以上電阻率變化較緩,0℃時(shí)電阻率有一突變過程,而溫度在0℃以下時(shí)電阻率隨溫度的下降而急劇上升。隨著季節(jié)的變化,土壤溫度與土壤中的水分含量都將有很大的變化,因此在常規(guī)地網(wǎng)設(shè)計(jì)中,考慮到變電站所處的緯度及周邊環(huán)境不同,對于接地電阻都要乘一季節(jié)系數(shù),視水平接地體埋深不同,取值不同。
　　
　　在水平地網(wǎng)基礎(chǔ)上添加長垂直接地體以后,季節(jié)變化對于接地電阻的影響明顯減小。這主要是因?yàn)榧竟?jié)變化影響的土壤范圍在地表附近,對于深層幾乎沒有影響?；谝陨峡紤],以下面的模擬分析來探討垂直接地極對于降低季節(jié)系數(shù)的作用。假設(shè)地網(wǎng)面積為150m×150m,網(wǎng)格間距為15m,土壤電阻率ρ2=200Ω.m,水平導(dǎo)體半徑r1=0.011m,埋深為0.8m;垂直極長度L=50m,半徑r2=0.02m。假設(shè)表層由于冬季冰凍作用導(dǎo)致電阻率增加的土壤深度h為1.0m,當(dāng)其電阻率隨季節(jié)變化時(shí),接地電阻隨季節(jié)變化的曲線如圖4所示,其中實(shí)線是沒有垂直接地極時(shí)的接地電阻,虛線是增設(shè)8根半徑為r2=0.025m的垂直極后的接地電阻,點(diǎn)線是增設(shè)8根半徑r2=3.5m的垂直極后的接地電阻。
　　
　　沒有垂直接地極的接地電阻R1隨著上層土壤電阻率的增大而增大。取上層土壤電阻率為50～800Ω.m這一常見范圍,僅僅表層1m深土壤的電阻率的變化就可以導(dǎo)致接地電阻從0.55Ω增加到0.8Ω,增幅達(dá)45%。而當(dāng)增設(shè)8根深度為50m的垂直接地極以后,如上節(jié)討論結(jié)果,由于相當(dāng)一部分故障電流經(jīng)由垂直極流入大地,因此,接地系統(tǒng)接地電阻受上層土壤電阻率變化的影響將會(huì)顯著變小。采用半徑為0.025m的鋼管,接地電阻在同樣的土壤電阻率變化情況下,僅從0.5Ω增大到0.575Ω。尤其是采用爆破接地技術(shù)進(jìn)行垂直接地極的施工后(計(jì)算半徑取3.5m),接地電阻基本上不受季節(jié)變化因素的影響,從而大大提高了接地系統(tǒng)的安全性。
　　
　　上面討論的是下層土壤電阻率固定為200Ω.m時(shí)的情況,當(dāng)下層電阻率與上層電阻率的比值不同時(shí),情況會(huì)有所不同。一個(gè)基本的原則是:上層電阻率變化對于整個(gè)接地電阻變化的影響取決于水平網(wǎng)與垂直接地極之間的泄漏電流分配情況。當(dāng)下層電阻率相對較大,泄漏電流分配比例較小,季節(jié)系數(shù)就較大;反之,季節(jié)系數(shù)就較小。
　　
　　結(jié)論：
　　
　　1)將接地系統(tǒng)向縱深方向發(fā)展是提高高土壤電阻率地區(qū)及城區(qū)地網(wǎng)安全性的重要措施。
　　
　　2)增加垂直接地極能有效地降低發(fā)變電站接地系統(tǒng)的接地電阻,但在有限面積的接地網(wǎng)上布置過多的垂直接地極時(shí),降阻效果將趨于飽和。
　　
　　3)增設(shè)垂直接地極對于降低接觸電壓和跨步電壓具有非常顯著的作用,一是垂直極的引入,降低了地電位升(GPR),而接觸及跨步電壓均與GPR有著直接的關(guān)系。二是因?yàn)樵鲈O(shè)垂直極后,大部分故障電流通過垂直極流入大地,相應(yīng)減少了水平導(dǎo)體的散流量,因此地表面的水平方向電流密度大大減少,造成水平方向電場強(qiáng)度大大降低。
　　
　　4)垂直接地極能有效減小季節(jié)因素對地網(wǎng)安全性能的影響。