一种垂直分层土壤电阻非线性特性试验方法与流程

本发明属于电力系统接地分析领域，特别是一种垂直分层土壤电阻非线性特性试验方法。

背景技术：

输电线路杆塔在遭受雷击时，因杆塔接地电阻的存在，塔身上会产生很高的电位，过高的电位将引起杆塔对输电线路的反击，进而造成输电线短路，降低电力系统的稳定性及可靠性。输电线路杆塔接地装置的主要功能是当塔顶或避雷线遭受雷击时，有效地将雷电流泄入大地，因此流过接地装置的电流主要是雷电冲击电流。由于雷电流幅值较大，易使接地体周围土壤发生局部击穿，增大了土壤电导，使土壤电阻率下降，另外当土壤中因散流而产生的电场强度超过土壤的临界击穿场强时，接地体周围土壤中就会发生类似空气击穿一样的火花放电过程。土壤火花放电会明显降低接地体上各点电位及接地体各点之间的电位差，对于降低输电线路杆塔塔顶电位以及发、变电站接地网上的暂态电位升有较明显的效果。由此可见，输配电杆塔接地装置雷电冲击特性的研究对智能电网中建立先进可靠的输配电网络和供电系统，完善电网安全保障和防御体系具有重要意义。

由于输电线路杆塔接地极埋于土壤中，其冲击特性与接地体周围土壤的冲击特性密切相关。目前国内对土壤电阻非线性特性的研究，主要通过计算机仿真来模拟土壤的电阻非线性特性过程以及火花放电现象，而土壤在冲击电流下的电阻非线性特性受到很多因素的影响，比如：冲击电流幅值、土壤成分与结构、土壤密度、含水量、温度、外界电场强度等，这些因素导致土壤在高频大冲击电流作用时其冲击特性变得更加复杂，所以仿真时土壤电阻非线性特性难以精确模拟。因此为了准确的分析土壤电阻非线性特性，迫切需要建立一种智能测控装置，能考虑温度与土壤垂直分层影响，具有不同温度下垂直分层土壤电阻非线性特性的试验与分析，用以输配电系统的安全评估。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种垂直分层土壤电阻非线性特性试验方法。

实现本发明目的的技术方案如下，包括以下步骤：

第一步：搭建一种垂直分层土壤电阻非线性特性测试平台，包括土壤箱；土壤箱的内壁设置有温控装置；土壤箱左侧壁设置有左铜电极，以及控制左铜电极横向移动的操纵机构；土壤箱右侧壁还设置有右铜电极；左铜电极和右铜电极均为竖直圆形；土壤箱的左上部、右上部、左下部和右下部还分别设置有第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器，还包括冲击电流发生器和分压器；

其中：第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器分别连接到温度分析仪的输入端，温度分析仪的输出端分别连接到数字控制器和上位机；数字控制器连接到温控装置；

冲击电流发生器输出端连接到分压器的高压端，分压器的高压端通过高压电缆和电缆接头连接到左铜电极；右铜电极通过导线连接到冲击电流发生器的接地端，接地端连接到接地装置；分压器的接地端连接到接地装置，分压器的电压测量端连接到上位机；电流采集模块通信端连接到上位机，电流采集模块测试端连接到导线；

还包括一个以上绝缘隔板，绝缘隔板可水平插入或抽出土壤箱；当绝缘隔板插入土壤箱时，将土壤箱从下至上分割为两个以上的空间。

第二步：进行土壤填充以及设定温度：打开土壤箱的左面板，通过操纵机构控制左铜电极与右铜电极的间距；依据待测试土壤的厚度比，用绝缘隔板将土壤箱分层，分层后依次填充土壤样品；撤去绝缘隔板，使土壤样品贴合在一起；盖住左面板；通过第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器和第四温度传感器监测温度；设定试验温度为t，若测量温度超过误差允许上限tmax，则数字控制器启用温控装置的降温模式进行降温；若温度低于误差允许下限tmin，则数字控制器启用温控装置的升温模式进行升温；控制土壤箱中土壤样品的温度在试验温度t误差允许范围内；

第三步：测量土壤样品在当前温度t1时的电压与电流：当土壤样品测量温度稳定在试验温度t误差允许范围内时，开启冲击电流发生器，通过分压器测量左铜电极和右铜电极间的电压并传输给上位机，通过电流采集模块测量流经左铜电极和右铜电极的电流并传输给上位机；

第四步：评估土壤电阻非线性特性：通过上位机得到的电压和电流，获取冲击电阻全时域r(t)波形曲线，并提取出r(t)min，r(t)max，下降时间δt1以及有效恢复时间δt2，计算土壤在冲击电流下的平均下降速率k，

式中，r(t)min为r(t)波形曲线中电阻最小值，r(t)max为r(t)波形曲线中电阻最大值，t1表示r(t)从最大值r(t)max下降到最小值r(t)min的时间间隔；

计算r(t)min与k的复合评判因子q1：

计算r(t)min与t1的复合评判因子q2：

近似计算最小曲率半径γ：

其中，

式中，tm∈[ta+1,tb)，ta为r(t)max对应时刻，tb为r(t)min对应时刻，上式表示计算r(t)波形曲线在下降的时间段内，从ta+1时刻，每次间隔0.1μs，计算各个时刻的曲率半径，由此可计算出其中最小的曲率半径；

由最小曲率半径计算考虑温度与最小曲率半径的修正系数k1：

式中，t为当前试验温度；

计算评判余项：

式中，t2表示r(t)从r(t)min上升至有效恢复电阻r(t)eff的时间；其中

r(t)eff＝r(t)min+0.8(r(t)max-r(t)min),r(t)eff表示r(t)从电阻最小值r(t)min逐渐恢复，当恢复量为80％最大下降差值(r(t)max-r(t)min)时所对应的电阻值；

综合上述计算，土壤在该冲击电流与温度下的土壤非线性特性评判因数为：

q＝k1(q1+q2)+q3

当q∈(0,0.25]时，表征电阻非线性特性较弱；当q∈(0.25,0.65]时，表征电阻非线性特性一般；当q∈(0.65,0.9]时，表征电阻非线性特性较强；当q∈(0.9,1]时，表征电阻非线性特性极强。

第五步：不同温度下的土壤电阻非线性特性试验：根据试验要求，设置不同温度，并重复第三步和第四步，进行不同温度下垂直分层土壤电阻非线性特性评估。

本发明的有益效果在于，

1)对土壤进行垂直分层，并测量垂直分层土壤的电阻非线性特性，能有效模拟接地系统周围土壤垂直分层工况；

2)能够有效获取冲击电流作用下垂直分层土壤电阻全时域变化波形曲线，评判因数的使用可对垂直分层土壤电阻非线性特性进行准确评价；

3)主要的操作与控制由上位机完成，结合数字控制器与温控装置实现垂直分层土壤温度的精确控制，可有效测定不同温度下垂直分层土壤电阻非线性特性；

4)实验装置操作方便，安全可靠，对垂直多层土壤的试验具有普适性。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的土壤箱的结构示意图；

图3是发明中试验方法的流程图；

图4是反映土壤动态电阻特性的冲击电阻全时域变化波形图例。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明。包括以下步骤：

第一步：搭建一种垂直分层土壤电阻非线性特性测试平台

如图1和图2，本发明的测试平台包括：土壤箱(06)；土壤箱(06)的内壁设置有温控装置(08)；土壤箱(06)左侧壁设置有左铜电极(05)，以及控制左铜电极(05)横向移动的操纵机构(04)；土壤箱(06)右侧壁还设置有右铜电极(07)；左铜电极(05)和右铜电极(07)均为竖直圆盘；土壤箱的左上部、右上部、左下部和右下部还分别设置有第一温度传感器(01a)、第二温度传感器(01b)、第三温度传感器(01c)和第四温度传感器(01d)，还包括冲击电流发生器(12)和分压器(13)。

其中：第一温度传感器(01a)、第二温度传感器(01b)、第三温度传感器(01c)和第四温度传感器(01d)分别连接到温度分析仪(14)的输入端，温度分析仪(14)的输出端分别连接到数字控制器(15)和上位机(18)；数字控制器(15)连接到温控装置(08)；冲击电流发生器(12)输出端连接到分压器(13)的高压端，分压器(13)的高压端通过高压电缆(19)和电缆接头(03)连接到左铜电极(05)；右铜电极(07)通过导线(20)连接到冲击电流发生器(12)的接地端，接地端连接到接地装置(11)；分压器(13)的接地端连接到接地装置(11)，分压器(13)的电压测量端连接到上位机(18)；电流采集模块(17)通信端连接到上位机(18)，电流采集模块(17)测试端连接到导线(20)；还包括一个以上绝缘隔板(09)，绝缘隔板(09)可水平插入或抽出土壤箱(06)；当绝缘隔板(09)插入土壤箱(06)时，将土壤箱(06)从下至上分割为两个以上的空间，分层数为实际土壤的有限分层数，如实际土壤分为3层，每一层均为有限厚度，则土壤的厚度比可以得到，绝缘隔板(09)沿垂直于电极表面方向将土壤箱(06)中土壤按照厚度比分隔开，填充土壤样品后，将绝缘隔板(09)抽出，并使每层土壤紧密贴合。

第二步：进行土壤填充以及温度设定

打开土壤箱(06)的上面板，通过操纵机构(04)控制左铜电极(05)与右铜电极(07)的间距；依据待测试土壤的厚度比，使用绝缘隔板(09)将土壤箱(06)分层，分层后依次填充土壤样品；撤去绝缘隔板(09)，使土壤样品贴合在一起。

若存在某一地区土壤为垂直分层情况，其第一层土壤的厚度为7m，土壤电阻率为200ω·m，第二层土壤的厚度为20m，土壤电阻率为1000ω·m，第三层土壤的厚度为39m，土壤电阻率为500ω·m，第三层土壤以外为无限厚度的土壤区域；则垂直分层厚度比为7：20：39，设土壤箱的上下箱壁距离为s，则将其距离按照此厚度比进行划分，用绝缘隔板(09)分层，放入土壤样品，土壤样品的每一层土壤电阻率与实际土壤层的电阻率相同。

盖住左面板；通过第一温度传感器(01a)、第二温度传感器(01b)、第三温度传感器(01c)和第四温度传感器(01d)监测温度；设定试验温度为t1，温度分析仪计算出四个传感器测量温度平均值，温度试验允许误差为正负±0.5℃，则若温度平均值超过误差允许上限tmax，则数字控制器(15)启用温控装置(08)的降温模式进行降温；若温度平均值低于误差允许下限tmin，则数字控制器(15)启用温控装置(08)的升温模式进行升温；控制土壤箱(06)中土壤样品的温度在试验温度t1误差允许范围内(tmin～tmax)。

第三步：测量土壤样品在当前温度t1时的电压与电流

当土壤样品测量温度稳定在试验温度t1误差允许范围内时，开启冲击电流发生器(12)，通过分压器(13)测量左铜电极(05)和右铜电极(07)间的电压并传输给上位机(18)，通过电流采集模块(17)测量流经导线(20)的电流并传输给上位机(18)。

第四步：评估土壤电阻非线性特性

通过上位机得到的电压和电流，获取冲击电阻全时域r(t)波形曲线，并提取出电阻最小值r(t)min(单位为ω)，电阻最大值r(t)max(单位为ω)，下降时间δt1(计量单位为μs)以及有效恢复时间δt2(计量单位为μs)，计算土壤在冲击电流下的平均下降速率k：

式中，r(t)min为r(t)波形曲线中电阻最小值，r(t)max为r(t)波形曲线中电阻最大值，δt1表示r(t)从最大值r(t)max下降到最小值r(t)min的时间间隔；

计算r(t)min与k的复合评判因子q1：

计算r(t)min与t1的复合评判因子q2：

近似计算最小曲率半径γ：

其中，

式中，tm∈[ta+1,tb)，ta为r(t)max对应时刻，tb为r(t)min对应时刻，上式表示计算r(t)波形曲线在下降的时间段内，从ta+1时刻，每次间隔0.1μs，计算各个时刻的曲率半径，由此可计算出其中最小的曲率半径；

由最小曲率半径计算考虑温度与最小曲率半径的修正系数k1：

计算评判余项：

式中，t2表示r(t)从r(t)min上升至有效恢复电阻r(t)eff的时间；其中

r(t)eff＝r(t)min+0.8(r(t)max-r(t)min),r(t)eff表示r(t)从电阻最小值r(t)min逐渐恢复，当恢复量为80％最大下降差值(r(t)max-r(t)min)时所对应的电阻值；

综合上述计算，土壤在该冲击电流与温度下的电阻非线性特性评判因数为：

q＝k1(q1+q2)+q3

当q∈(0,0.25]时，表征电阻非线性特性较弱；当q∈(0.25,0.65]时，表征电阻非线性特性一般；当q∈(0.65,0.9]时，表征电阻非线性特性较强；当q∈(0.9,1]时，表征电阻非线性特性极强。

第五步：不同温度下的土壤电阻非线性特性试验

根据试验要求，设置不同温度，重复试验，进行不同温度下垂直分层土壤电阻非线性特性试验。如还需测试t2，t3下垂直分层土壤电阻非线性特性，则在t1测试结束后，间隔一段时间后，设定温度分析仪(14)的设定温度为t2，重复第三第四步，测试t2温度下的土壤电阻非线性特性，间隔一段时间后，测试t3温度下的土壤电阻非线性特性。