不同酸碱度下分层土壤电阻非线性特性的试验方法与流程

本发明属于电力系统接地技术领域，具体涉及一种不同酸碱度下分层土壤电阻非线性特性的试验方法。

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，塔顶会产生很高的电位，过高的电位将引起杆塔对输电线路的反击，进而造成输电线路跳闸等事故，降低了电力系统的稳定性和可靠性。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，因此流经接地装置的电流主要是雷电冲击电流。当大冲击电流注入时土壤电阻率会下降，土壤电阻呈现非线性变化。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火花放电过程，显著降低土壤冲击电阻。土壤电阻的非线性特性有助于降低埋入土壤中的接地系统的接地电阻，当然也有助于降低大地表面的暂态地电位升，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电阻的非线性特性密切相关。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电阻的非线性变化过程以及火花放电现象，而土壤电阻在冲击电流下的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、酸碱度、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下的非线性特性变得更加复杂，也使得杆塔接地装置的冲击接地电阻难以精确计算。因此为了更准确地分析土壤电阻非线性特性，搭建了智能测控试验平台测试土壤电阻非线性特性，并且考虑土壤酸碱度、土壤水平分层的影响，用于输配电系统的安全评估。提出了不同酸碱度下分层土壤电阻非线性特性的试验方法，实现了对土壤电阻非线性特性的评估，为杆塔接地装置冲击特性的研究及其优化设计提供理论支持。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种不同酸碱度下分层土壤电阻非线性特性的试验方法。

实现本发明目的的技术方案如下：

第一步：搭建不同酸碱度下分层土壤电阻非线性特性的试验平台，试验平台包括实验箱；实验箱上面板设有一字槽螺钉；实验箱左侧壁设置有左铜电极；实验箱右侧壁设置有右铜电极；左铜电极和右铜电极均为竖直圆盘，且紧贴左右侧壁；实验箱内部含有一块以上绝缘隔板，绝缘隔板平行于左铜电极和右铜电极表面；实验箱以外的装置包括接地装置、冲击电流发生器、分压器、电流采集模块、上位机、高压电缆、电缆接头、铜导线；

其中：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；右铜电极通过铜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；分压器的接地端也连接到接地装置，分压器的通信端连接到上位机；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铜导线，用于测量流经左铜电极和右铜电极的电流；还包括一个以上绝缘隔板，绝缘隔板可竖直插入或抽出实验箱，当绝缘隔板插入实验箱时，将实验箱从左至右分割为两个以上的空间；

第二步：设定土壤试品酸碱度并进行土壤填充：设定试验酸碱度，测试各土壤试品的酸碱度，并根据设定酸碱度向试品中加入适量的pH调节剂，期间充分搅拌土壤试品使土壤试品的酸碱度分布均匀，直至各土壤试品的酸碱度在设定试验酸碱度误差允许范围内；拧松一字槽螺钉，打开实验箱的上面板，根据待测试分层土壤的实际厚度比，确定需要分层的层数以及各层分层比，通过分层比设置各层顺序及宽度，使用绝缘隔板按设置的分层宽度将实验箱内空间分隔开；向实验箱各空间内依次填充各土壤试品后，使土壤试品充满整个土壤箱后，撤去绝缘隔板，使各土壤试品贴合在一起，形成水平分层土壤；盖住上面板，拧紧一字槽螺钉；

第三步：测量土壤试品在当前酸碱度下的电压与电流：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，获取土壤电阻非线性特性全时域R(t)波形曲线，并提取出电阻最小值R(t)min、电阻最大值R(t)max，下降时间Δt1以及有效恢复时间Δt2，上位机根据R(t)波形曲线与当前试验酸碱度对土壤进行电阻非线性特性评估；

计算土壤电阻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Δt1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+0.1,tb)，ta为R(t)max对应时刻，tb为R(t)min对应时刻，上式表示在R(t)波形曲线下降的时间段内，从ta+0.1时刻开始，每次间隔0.1μs，计算一次该时刻所对应的曲率半径，直到tm大于等于tb时结束，由此可计算出最小曲率半径γ；

计算考虑pH与最小曲率半径γ的修正系数k1：

式中，pH为当前试验酸碱度，γ为最小曲率半径；

计算评判余项q3：

q3＝0.0358log(0.29Δt1+0.371Δt2-15.03)

-0.03881log(R(t)min+1.05)

式中，Δt2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；

计算土壤在该冲击电流与酸碱度下的电阻非线性特性评判因数为q：

q＝k1(q1+q2)+q3

根据q的取值范围进行土壤电阻非线性特性的表征；

第五步：不同酸碱度下分层土壤电阻非线性特性试验：设定不同试验酸碱度，在不同设定酸碱度下，按照上述第二步、第三步和第四步反复试验，进行不同酸碱度下分层土壤电阻非线性特性评估。

本发明的有益效果在于，可对土壤进行水平分层，并评估水平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水平分层工况。上位机可精确获取在不同酸碱度下的全时域电阻动态波形曲线，电阻非线性特性评判因数可对水平分层土壤电阻非线性特性进行准确评价，有利于进一步提高冲击特性计算的准确性。试验平台操作方便，安全可靠，该平台可进行水平多层土壤的测试，具有普适性。

附图说明

图1是本发明中试验平台的总体结构示意图；

图2是本发明中试验方法的流程图；

图3是土壤电阻非线性特性全时域R(t)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作进一步说明。

本发明的试验方法包括如下步骤：

第一步：搭建不同酸碱度下分层土壤电阻非线性特性的试验平台

如图1，本发明的试验平台，该平台包括实验箱(01)；实验箱(01)上面板设有一字槽螺钉(02)；实验箱(01)左侧壁设置有左铜电极(04)；实验箱(01)右侧壁设置有右铜电极(05)；左铜电极(04)和右铜电极(05)均为竖直圆盘，且紧贴左右侧壁；实验箱(01)内部含有一块以上绝缘隔板(06)，绝缘隔板(06)平行于左铜电极(04)和右铜电极(05)表面；实验箱(01)以外的装置包括接地装置(11)、冲击电流发生器(12)、分压器(13)、电流采集模块(14)、上位机(15)、高压电缆(16)、电缆接头(17)、铜导线(18)；

其中：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(16)和电缆接头(17)连接到左铜电极(04)；右铜电极(05)通过铜导线(18)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)的接地端也连接到接地装置(11)，分压器(13)的通信端连接到上位机(15)；电流采集模块(14)通信端连接到上位机(15)，电流采集模块(14)测试端连接到铜导线(18)，用于测量流经左铜电极(04)和右铜电极(05)的电流；还包括一个以上绝缘隔板(06)，绝缘隔板(06)可竖直插入或抽出实验箱(01)，当绝缘隔板(06)插入实验箱(01)时，将实验箱(01)从左至右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，则由此可以得到土壤的厚度比，绝缘隔板(06)沿平行于电极表面方向将土壤箱(01)中土壤按厚度比分隔开，填充各土壤试品，使土壤试品充满整个土壤箱后，将绝缘隔板(06)抽出，使每层土壤紧密贴合。

第二步：设定土壤试品酸碱度并进行土壤填充

设定试验酸碱度，测试各土壤试品的酸碱度，并根据设定酸碱度向试品中加入适量的pH调节剂，期间充分搅拌土壤试品使土壤试品的酸碱度分布均匀，直至各土壤试品的酸碱度在设定试验酸碱度误差允许范围内；拧松一字槽螺钉(02)，打开实验箱(01)的上面板，根据待测试分层土壤的实际厚度比，确定需要分层的层数以及各层分层比，通过分层比设置各分层顺序及宽度，使用绝缘隔板(06)按设置的分层宽度将实验箱(01)内空间分隔开；向实验箱(01)各空间内依次填充各土壤试品后，使土壤试品充满整个土壤箱(01)后，撤去绝缘隔板(06)，使各土壤试品贴合在一起，形成水平分层土壤；盖住上面板，拧紧一字槽螺钉(02)；

若某地区土壤为水平分层，其中第一层土壤的厚度为10m，土壤电阻率为150Ω·m，第二层土壤的厚度为15m，土壤电阻率为300Ω·m，第三层土壤的厚度为25m，土壤电阻率为500Ω·m；则水平分层厚度比为2：3：5，设土壤箱的左右电极间距离为s，则将其距离按照此厚度比进行划分，用绝缘隔板(06)进行分层，依次填入各土壤试品，使土壤试品充满整个土壤箱(01)，土壤试品的每一层土壤电阻率与实际土壤层的电阻率相同。

第三步：测量土壤试品在当前酸碱度下的电压与电流：开启冲击电流发生器(12)，通过分压器(13)测量左铜电极(04)和右铜电极(05)间的电压并传输给上位机(15)；通过电流采集模块(14)测量流经左铜电极(04)和右铜电极(05)的电流并传输给上位机(15)；

第四步：评估土壤电阻非线性特性：根据上位机(15)得到的电压、电流波形，可以获取关于土壤电阻非线性特性全时域R(t)波形曲线，并提取出电阻最小值R(t)min、电阻最大值R(t)max、下降时间Δt1以及有效恢复时间Δt2，上位机(15)根据R(t)波形曲线与当前试验酸碱度对土壤进行电阻非线性特性评估；

计算土壤电阻在冲击电流下的平均下降速率k：

式中，R(t)min(单位为Ω)为R(t)波形曲线中电阻最小值，R(t)max(单位为Ω)为R(t)波形曲线中电阻最大值，Δt1(单位为μs)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Δt1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+0.1,tb)，ta(单位为μs)为R(t)max对应时刻，tb(单位为μs)为R(t)min对应时刻，上式表示在R(t)波形曲线下降的时间段内，从ta+0.1时刻开始，每次间隔0.1μs，计算一次该时刻所对应的曲率半径，直到tm大于等于tb时结束，由此可计算出最小曲率半径γ。

计算考虑pH与最小曲率半径γ的修正系数k1：

式中pH为当前试验酸碱度，γ为最小曲率半径；

计算评判余项q3：

q3＝0.0358log(0.29Δt1+0.371Δt2-15.03)

-0.03881log(R(t)min+1.05)

式中，Δt2(单位为μs)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；

计算土壤在该冲击电流与酸碱度下的电阻非线性特性评判因数q：

q＝k1(q1+q2)+q3

根据q的取值范围进行土壤电阻非线性特性的表征。

第五步：不同酸碱度下分层土壤电阻非线性特性试验：设定不同试验酸碱度，进行不同酸碱度下分层土壤电阻非线性特性评估。如要测试三种不同酸碱度下分层土壤电阻非线性特性，三种设定酸碱度分别为pH1、pH2、pH3，酸碱度为pH1时，按上述第二步、第三步、第四步进行酸碱度为pH1的分层土壤电阻非线性特性试验，待酸碱度pH1试验结束后，间隔一段时间后，再分别进行酸碱度为pH2、pH3的分层土壤电阻非线性特性试验。