专利名称：土壤电离的临界电场强度估计方法
技术领域：
本发明涉及一种土壤电离的临界电场强度估计方法，尤其涉及一种在测试土壤区域直接开展而无需破坏土壤自然特性的土壤电离的临界电场强度估计方法。
背景技术：
接地系统的冲击响应不同于工频电流情况下的响应，当接地系统周围土壤中的电场强度超过临界电场强度E。时，土壤将开始电离，同时土壤电阻率减小，进而导致冲击电阻减小。因此土壤电离临界电场强度对于研究接地系统性能、全空间电磁场分布至关重要。故而该专利将可以为通信、能源等部门的埋地线路、管道等地下设置的防雷系统设计及施工提供重要参考数据。前人的研究成果给出了很多关于临界电场强度E。的参考值和范围。Oettle建议E。值取为lMV/m，对于含水量较高的土壤为600-800kV/m。Mousa认为应将其更改为600-1850kV/m,考虑到野外土壤环境的非均匀性，建议含水量较高的土壤为300_400kV/m。此外，Mousa和Liew均认为对于典型土壤的临界电场强度可认为是300kV/m。然而，显而易见，土壤临界电场强度E。会随着土壤类型的变化而变化，即便是同一土壤，随着含水量、温度、季节等因素的变化亦会有所改变，因此，只有参考值和范围显然不够。因此，学者们开展了确定土壤临界电场强度方法的研究。Gonos和Stathopulos研究了 E。针对土壤电阻率的变化。N. MohanmadNor等构建脉冲电流测试电路，通过分析V-1曲线形成的封闭环来判断和获取E。。T. K. Manna和P. Chouhuri针对多种土壤进行了实验,总结出估算各种土壤临界电场强度E。的公式。F. E. Asimakopoulou等分析了土壤电离的不确定因素，并给出了考虑这些不确定因素情况下，临界电场强度的击穿电压估计。传统的土壤电离的临界电场强度的测试，都是搭建实验测试电路，将土壤采集后进行测试，以获取土壤电离的临界电场强度，这样会导致土壤的自然特性，如含水量、温度、土壤致密度等，遭到严重破坏，因此，即便是在测试电路中得到很精确的测量，获得很准确的数据，此时该数据也难以反映自然环境下土壤临界电场强度的真实情况；而且，当实验测试电路中土壤只是发生了微弱的电离，则该类方法难以发现，也就是说，必须在土壤发生较大程度的电离时才能得到电流或电压这类电信号的变化，然而此时土壤中的电场强度已经比实际临界电场强度大，因此也会导致明显的误差。
发明内容
本发明的目的就在于解决上述问题而提供一种在测试土壤区域直接开展而无需破坏土壤自然特性的土壤电离的临界电场强度估计方法。为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案本发明所述土壤电离的临界电场强度估计方法，包括以下步骤(I)选定测试区域；(2)在该测试区域内搭建对地放电回路；
(3)选定一个放电接地位置和一个测试位置，在放电接地位置设置放电接地电极，在测试位置设置两个测试电极，两个测试电极之间的距离小于对地放电的脉冲电源所含主信号带宽中所对应的上限频率的波长的十分之一；(4)利用对地放电的脉冲电源和对地放电回路实施对地放电；(5)采集两个测试电极之间的电压；(6)根据以下公式计算该位置的电场强度E :E=AU/d，其中，AU表示采集得到的两个测试电极之间的电压，d表示两个测试电极之间的距离；(7)连续获取该位置不同时刻的电场强度，并根据电场强度由大到小突变时的最大电场强度绝对值所对应的时间确定放电接地位置土壤电离的大概时间；
(8)根据放电接地电极与两个测试电极中最接近的测试电极之间的距离计算电流由放电接地电极到达最接近的测试电极所需的延迟时间；(9)根据第(7)步骤的大概时间和第(8)步骤的延迟时间确定放电接地位置土壤电离的准确时间；(10)测量测试区域土壤的电导率、磁导率和介电常数，在此基础上根据麦克斯韦方程计算放电接地电极整个放电时间段内每一时刻的最大电场强度并制作二维曲线，根据该曲线和放电接地位置土壤电离的准确时间确定放电接地位置土壤电离的临界电场强度；(11)判断是否选定测试区域内的下一个测试位置，如果选择，则选定下一个测试位置，然后重复步骤(3) - (10),如果不选择，则进入下一步骤；(12)计算不同测试位置时放电接地位置土壤电离的临界电场强度的平均值，获得放电接地位置的土壤电离的临界电场强度，并作为测试区域的土壤电离的临界电场强度，结束。应用中，由于本发明采用直接在土壤中插入测试电极的方式，不需采集土壤，所以对土壤没有任何破坏，能够更加真实地测试土壤电离的临界电场强度。通过计算电流从测试电极到测试点所需的延迟时间，并从总时间中减去延迟时间，以克服电流传输时间带来的误差。作为优选，所述步骤(3)中，设置两个测试电极的方法为以放电接地电极为圆心、以放电接地电极与两个测试电极中最接近的第一个测试电极之间的距离为半径作圆，第二个测试电极置于沿第一个测试电极在该圆周上所做的切线上；两个测试电极之间的距离为O. 061m，对地放电的脉冲电流为8/20 μ s脉冲电流；放电接地电极与两个测试电极中最接近的测试电极之间的距离为1.83m。所述步骤(7)中，电场强度绝对值由大到小突变的认定方法为当波峰值减去波谷值的突变范围不小于波峰值的20%即认定为发生突变。所述步骤(8)中，计算电流由放电接地电极到达最接近的测试电极所需的延迟时间的公式为
mI—/)= — = /" X 'I με
V上述公式中，&表示延迟时间，m表示放电接地电极与两个测试电极中最接近的测试电极之间的距离，V表示土壤中传导电流的速度，μ表示土壤磁导率，ε表示土壤介电常数。所述步骤(9)中，确定该位置土壤电离的准确时间的方法为步骤(7)的大概时间减去步骤(8)的延迟时间，即得准确时间。所述步骤(2)中，对地放电的脉冲电源的上升沿尽可能缓慢。脉冲电源的上升沿变化越缓，越有利于提闻临界电场强度的估算精度。本发明的有益效果在于采用本发明在土壤区域直接开展测试而无需破坏土壤自然特性，能够更加准确地估算土壤电离的实时临界电场强度；由于克服了电流从测试电极传输到测试点所带来的误差，所以本发明的估算精度高，高精度临界电场强度的获取将为研究 接地系统性能、全空间电磁场分布提供重要数据。
图1是本发明所述土壤电离的临界电场强度估计方法的总体流程图；图2是本发明实施例中对地放电回路及测试电极的分布示意图；图3是本发明实施例中O. 6 μ s内的测试位置A 土壤电离的电场强度走势图；图4是本发明实施例中O. 6 μ s内的测试位置B 土壤电离的电场强度走势图；图5是本发明实施例中根据理论计算出的O. 6μ s内测试区域土壤中的最大电场强度走势图以及测试位置Α、Β 土壤电离的临界电场强度对应关系示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步具体描述根据选定的测试区域的大小不同，以及该区域土壤特性的差异，本发明可以有多种不同的实施例，下面对一个应用较多的优选实施例进行具体说明，但并非对本发明技术方案的限制。实施例如图1和图2所示，按以下步骤操作(I)选定测试区域；(2)在该测试区域内搭建对地放电回路I ;(3)选定一个放电接地位置和一个测试位置，在放电接地位置将放电接地电极2插入土壤内，在测试位置A将第一测试电极4和第二测试电极5插入土壤内，插入深度为O. 61m ;脉冲电源6产生8/20 μ s脉冲电流，第一测试电极4和第二测试电极5之间的距离为O. 061m,以放电接地电极2为圆心、以放电接地电极2与两个测试电极中最接近的第一测试电极4之间的距离1. 83m为半径作圆，第二测试电极5置于沿第一测试电极4在该圆周上所做的切线上；脉冲电源6在本实施例中采用脉冲电流源，除此而外也可采用脉冲电压源；(4)利用对地放电的脉冲电源6和对地放电回路I实施对地放电；(5 )采集第一测试电极4和第二测试电极5之间的电压，采集电压用测试位置A的不波器3 ；(6)根据以下公式计算测试位置A的电场强度E :Ε= Λ U/d，其中，AU表示采集得到的第一测试电极4和第二测试电极5之间的电压，d表示第一测试电极4和第二测试电极5之间的距离即O. 061m ；(7)连续获取测试位置A不同时刻的电场强度，测试位置A 土壤电离的电场强度走势见图3所示，根据电场强度由大到小突变时的最大电场强度所对应的时间确定放电接地位置土壤电离的大概时间即O. 29483 μ s ;电场强度绝对值由大到小突变的认定方法为当波峰值减去波谷值的突变范围不小于波峰值的20%即认定为发生突变，图3所示突变范围已达到60%左右，因此认定图中的电场强度发生了突变；(8)根据放电接地电极2与第一测试电极4之间的距离计算电流由放电接地电极2到达第一测试电极4所需的延迟时间&/7 = = \.^3χΛ[με = 6.1X IO-9Ji
V上述公式中，V表示土壤中传导电流的速度，μ表示土壤磁导率，ε表示土壤介电常数，这些数据可通过现有测量方法事先获知；(9)根据第(7)步骤的大概时间和第(8)步骤的延迟时间确定放电接地位置土壤电离的准确时间，具体为步骤(7)的大概时间O. 29483减去步骤(8)的延迟时间O. 0061，即得准确时间O. 28873 μ s ；(10)根据理论计算测试区域的O. 6μ s内各时刻土壤中电场强度的最大值并制作二维曲线，得到的二维曲线见图5所示，根据该曲线和土壤电离的准确时间确定土壤电离 的临界电场强度如图5所示，上部的电场强度即依据测试位置A确定的放电接地位置土壤电离的临界电场强度Et_maxA =1. 1079X 105V/m ;计算该位置的各时刻电场强度的最大值的理论为通过已有技术手段获取测试区域土壤的电导率、磁导率和介电常数，在此基础上根据麦克斯韦方程计算放电接地电极2整个放电时间段内每一时刻对应的步骤4中由所做半径为1. 83m的圆、深度为Im的区域内的最大电场强度，说明由于放电接地电极2埋地深度为O. 61m，所以在该理论计算中深度取为Im ；(11)判断是否选定下一个测试位置，如果选择，则选定下一个测试位置，然后重复步骤(3) - (10)，如果不选择，则进入下一步；本实施例选择下一个测试位置B，重复步骤
(3)- (10)，放电接地位置土壤电离的电场强度走势见图4所示，根据电场强度由大到小突变时的最大电场强度所对应的时间确定放电接地位置土壤电离的大概时间即O. 29460 μ S，放电接地位置土壤电离的准确时间准确时间为O. 29460-0. 0061=0. 28896 μ S，如图5所示，下部的电场强度即依据测试位置B确定的放电接地位置土壤电离的临界电场强度Et_maxA=l. 107X 105V/m，其它测试过程在此不再赘述；(12)计算依据测试位置A和测试位置B确定的放电接地位置土壤电离的临界电场强度的平均值，即将依据测试位置A和测试位置B确定的放电接地位置土壤电离的临界电场强度相加再除以2，最后获得该区域的土壤电离的临界电场强度E =(1. 107X 105+1. 107XL 1079X 105) +2=1. 10745 X 105，结束。最后，对上述实施例所得结果进行验证，该区域土壤电离的实际临界电场强度为Ec=L I X 105V/m,最终估计临界电场强度E=L 10745 X 105V/m,与实际临界电场强度Ec=L lX105V/m之间相差O. 00745X 105V/m，百分比为O. 68% ;依据测试位置A确定的放电接地位置的估计临界电场强度Et_maxA=l. 1079X 105V/m，与实际临界电场强度Ec=L I X IO5V/m之间相差O. 0079X 105V/m，百分比为O. 72% ;依据测试位置B确定的放电接地位置的估计临界电场强度Et_maxA=l. 107X 105V/m，与实际临界电场强度Ec=L I X 105V/m之间相差O. 007X 105V/m，百分比为O. 64%。总体的估计精度很高。 结合图2，将四种土壤即Soil A (多沙轻粘土)、Soil B (沙和砂砾混合土壤)、F(粘土)、M (沙)分别进行测试，四种土壤的土壤参数及对临界电场强度的估计误差见下表所示
权利要求
1.一种土壤电离的临界电场强度估计方法，其特征在于包括以下步骤 (1)选定测试区域； (2)在该测试区域内搭建对地放电回路； (3)选定一个放电接地位置和一个测试位置，在放电接地位置设置放电接地电极，在测试位置设置两个测试电极，两个测试电极之间的距离小于对地放电的脉冲电源所含主信号带宽中所对应的上限频率的波长的十分之一； (4)利用对地放电的脉冲电源和对地放电回路实施对地放电； (5)采集两个测试电极之间的电压； (6)根据以下公式计算该位置的电场强度EΕ= Δ U/d，其中，Λ U表示采集得到的两个测试电极之间的电压，d表示两个测试电极之间的距离； (7)连续获取该位置不同时刻的电场强度，并根据电场强度由大到小突变时的最大电场强度所对应的时间确定放电接地位置土壤电离的大概时间； (8)根据放电接地电极与两个测试电极中最接近的测试电极之间的距离计算电流由放电接地电极到达最接近的测试电极所需的延迟时间； (9)根据第(7)步骤的大概时间和第(8)步骤的延迟时间确定放电接地位置土壤电离的准确时间； (10)测量测试区域土壤的电导率、磁导率和介电常数，在此基础上根据麦克斯韦方程计算放电接地电极整个放电时间段内每一时刻的最大电场强度并制作二维曲线，根据该曲线和放电接地位置土壤电离的准确时间确定放电接地位置土壤电离的临界电场强度； (11)判断是否选定测试区域内的下一个测试位置，如果选择，则选定下一个测试位置，然后重复步骤(3) - (10),如果不选择，则进入下一步骤； (12)计算不同测试位置时放电接地位置土壤电离的临界电场强度的平均值，获得放电接地位置的土壤电离的临界电场强度，并作为测试区域的土壤电离的临界电场强度，结束。
2.根据权利要求1所述的土壤电离的临界电场强度估计方法，其特征在于所述步骤(3)中，设置两个测试电极的方法为以放电接地电极为圆心、以放电接地电极与两个测试电极中最接近的第一个测试电极之间的距离为半径作圆，第二个测试电极置于沿第一个测试电极在该圆周上所做的切线上。
3.根据权利要求1或2所述的土壤电离的临界电场强度估计方法，其特征在于所述步骤(3)中，两个测试电极之间的距离为O. 061m，对地放电的脉冲电流为8/20μ s脉冲电流；放电接地电极与两个测试电极中最接近的测试电极之间的距离为1.83m。
4.根据权利要求1所述的土壤电离的临界电场强度估计方法，其特征在于所述步骤(7)中，电场强度绝对值由大到小突变的认定方法为当波峰值减去波谷值的突变范围不小于波峰值的20%即认定为发生突变。
5.根据权利要求1所述的土壤电离的临界电场强度估计方法，其特征在于所述步骤(8)中，计算电流由放电接地电极到达最接近的测试电极所需的延迟时间的公式为
6.根据权利要求1所述的土壤电离的临界电场强度估计方法，其特征在于所述步骤(9)中，确定该位置土壤电离的准确时间的方法为步骤(7)的大概时间减去步骤(8)的延迟时间，即得准确时间。
7.根据权利要求1所述的土壤电离的临界电场强度估计方法，其特征在于所述步骤(2)中，对地放电的脉冲电源的上升沿尽可能缓慢。
全文摘要
本发明公开了一种土壤电离的临界电场强度估计方法，包括以下步骤选定测试区域；搭建对地放电回路；设置对地放电电极和测试电极；对地放电；采集两个测试电极之间的电压；计算该位置的电场强度；确定该位置土壤电离的大概时间；计算电流达到测试点所需的延迟时间；确定该位置土壤电离的准确时间；确定该位置的土壤电离的临界电场强度；判断是否选定下一个测试位置，如果选择，则选定下一个测试位置，然后重复上述步骤，如果不选择，则计算不同位置的土壤电离的临界电场强度的平均值，获得该区域的土壤电离的临界电场强度，结束。采用本发明在土壤区域直接开展测试而无需破坏土壤自然特性，能准确地估算土壤电离的实时临界电场强度。
文档编号G01R29/12GK103018579SQ20121053912
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月13日 优先权日2012年12月13日
发明者刘昆 申请人:成都远望科技有限责任公司, 成都信息工程学院, 刘昆