垂直分层土壤中不同湿度土壤电阻非线性的试验方法与流程

本发明属于电力系统接地技术领域，具体涉及垂直分层土壤中不同湿度土壤电阻非线性的试验方法。

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以及可靠性。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动态电离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、水分含量、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非线性特性变得更加复杂，其中土壤水分含量往往很大程度影响土壤非线性特性，对整个接地系统冲击暂态特性影响巨大。

技术实现要素：

为了准确的估算土壤非线性特性，迫切需要一类智能测控装置对土壤电阻非线性进行分析试验，并综合考虑土壤湿度、土壤垂直分层的影响，用以评估输配电系统的安全性。本发明的目的是提供垂直分层土壤中不同湿度土壤电阻非线性的试验方法，准确地建立接地体在冲击电流作用下的暂态计算模型，为有效地设计接地装置提供理论支持。

实现本发明目的的技术方案如下：

第一步：搭建垂直分层土壤中不同湿度土壤电阻非线性的试验系统，包括土壤箱(06)；土壤箱(06)上壁设置有滴灌装置(09)；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)均为圆形，竖直放置；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湿度传感器(01a)、第二湿度传感器(01b)、第三湿度传感器(01c)和第四湿度传感器(01d)，

其中第一湿度传感器(01a)、第二湿度传感器(01b)、第三湿度传感器(01c)和第四湿度传感器(01d)分别连接到水分分析仪(14)的输入端，水分分析仪(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)连接到滴灌装置(09)；

还包括冲击电流发生器(12)和分压器(13)，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)连接到左铜电极(05)；冲击电流发生器(12)的接地端和右铜电极(07)也连接到接地装置(11)，接地装置(11)接地；分压器(13)的电压测量端连接到上位机(18)，接地端接地；电流采集模块(17)测试端连接到铜导线(20)，用于测量流经左铜电极(05)和右铜电极(07)的电流；

还包括一个以上绝缘隔板(08)，绝缘隔板(08)可水平插入或抽出土壤箱(06)；当绝缘隔板(08)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。

第二步：进行土壤填充并控制含水量：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，用绝缘隔板(08)将土壤箱(06)分层后填充土壤样品；撤去绝缘隔板(08)，使土壤样品贴合在一起；第一湿度传感器(01a)、第二湿度传感器(01b)、第三湿度传感器(01c)和第四湿度传感器(01d)采集的信号传至水分分析仪(14)，监测土壤箱(06)内土壤样品的含水量，水分分析仪(14)计算出平均含水量h1；设定实验含水量h0，若平均含水量h1低于设定含水量h0，则通过数字控制器(15)启动滴灌装置(09)向土壤均匀缓慢注入蒸馏水，控制土壤箱(06)中土壤样品的总体含水量百分占比h在设定值h0的允许误差范围内。

第三步：测量土壤样品在当前含水量百分占比h时的电压与电流：当土壤样品的总体含水量百分占比h在设定值h0的允许误差范围内时，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)测量流经左铜电极(05)和右铜电极(07)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r(t)min，r(t)max，有效电离时间t1以及有效恢复时间t2，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：

计算修正系数k1：

式中，h为含水量百分占比，γ为最小曲率半径，由下式计算：

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，上式表示计算r(t)波形曲线在下降的时间段内，从ta+0.1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；

计算评判余项：

q3＝0.01741log(0.424t1+0.391t2-40.11)

-0.0627log(r(t)min+1.322)

式中，t2表示r(t)从r(t)min恢复到r(t)eff的时间；r(t)eff＝0.2r(t)min+0.8r(t)max；r(t)eff表征从r(t)min恢复80％下降差(r(t)max-r(t)min)的电阻值；

计算土壤在该冲击电压与水分含量下的土壤电阻非线性特性评判因数q，

q＝k1(q1+q2)+q3

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

第五步：不同湿度下的土壤电阻非线性试验：根据试验要求，设置土壤不同湿度，并重复第三步和第四步，进行不同湿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，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，结合数字控制器与滴灌装置实现垂直分层土壤水分含量的精确控制，可有效进行不同含水量下垂直分层土壤电阻非线性特性试验；

4)实验装置操作方便，安全可靠，对垂直多层土壤的测试具有普适性。

附图说明

图1是本发明中试验系统的总体结构示意图；

图2使本发明中土壤箱的结构示意图；

图3是本发明中试验方法的流程图；

图4是反映土壤冲击电阻非线性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作进一步说明。

第一步：搭建垂直分层土壤中不同湿度土壤电阻非线性的试验系统

如图1、图2可知一种垂直分层土壤中不同湿度土壤电阻非线性的试验系统，用于模拟不同湿度下垂直分层土壤的电阻非线性，主要由电流采集模块17、上位机18、湿度分析仪14、高压电缆19、冲击电流发生器12、接地装置11、高压分压器13、数字控制器15、交流220v电源16、电缆接头03、第一湿度传感器01a、第二湿度传感器01b、第三湿度传感器01c、第四湿度传感器01d、土壤箱06、滴灌装置09、绝缘隔板08、左铜电极05、操纵机构04、右铜电极07、一字槽螺钉02组成，其中：

冲击电流发生器12电流流出端连接至分压器13的高压端，经过高压电缆19与土壤箱06的左铜电极05相连，右铜电极07通过高压电缆19与分压器13和冲击电流发生器12的接地端相连，接地端与接地装置11相连，当冲击电流发生器12发出电流，分压器13测量土壤箱06两端的电压信号同时电流采集模块17测量流经土壤箱06的电流信号并传输给上位机18，在上位机上实现土壤电阻非线性的测试与分析。

湿度传感器01a、01d和01b、01c采集的信号传给湿度分析仪14，水分分析仪14计算出平均含水量h1，实时测量箱中水分含量，并分别将含水量值反馈给数字控制器15以及上位机18，装置水分含量无法做到恒定不变，因而水分含量误差在±1％内即认为满足要求，若平均含水量h1超过设定值上限，则通过数字控制器15控制滴灌装置09断开，若含水量低于设定值下限，则通过数字控制器15开启滴灌装置09，从而保证土壤箱06中水分含量在误差允许范围之内，数字控制器15由交流220v电源16供电，与上位机18控制滴灌装置09调节土壤箱06的内部含水量。

土壤样品通过绝缘隔板08进行垂直分层，土壤箱06中每层土壤分界面平行于土壤箱06的上下表面；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08沿平行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08抽出，并使每层土壤紧密贴合。

第二步：对土壤箱进行土壤填充以及湿度设定

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，依据实际土壤的厚度比，用绝缘隔板08将土壤箱06垂直分层，将土壤样品填充，再撤去绝缘隔板08，使不同层土壤紧密贴合。

若存在某一地区土壤为垂直分层，其第一层土壤的厚度为12m，土壤电阻率为500ω·m，第二层土壤的厚度为24m，土壤电阻率为1000ω·m，第三层土壤的厚度为40m，土壤电阻率为500ω·m，第三层以外为无限厚度的土壤区域；则垂直分层土壤的厚度比为12：24：40，设土壤箱的上下内表面间距离为l，则将此距离按照厚度比进行划分，用绝缘隔板08分层，放入土壤样品，设置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。

盖上面板，拧上一字槽螺钉02。打开交流220v电源16，湿度传感器01a、01b、01c、01d，将采集的信号传至湿度分析仪14，监测土壤箱06内水分含量，并分别将水分含量值反馈给数字控制器15以及上位机18，若含水量超过设定含水量h0，则断开滴灌装置09，含水量低于设定含水量h0，则启动滴灌装置09，向土壤均匀注入蒸馏水，从而控制土壤箱06所填充土壤的含水量稳定在h0(±1％)附近。

第三步：测量不同含水量时土壤箱两端的电压信号与流经土壤箱的电流信号

通过第一步，进行土壤填充第一湿度传感器01a、第二湿度传感器01b、第三湿度传感器01c、第四湿度传感器01d均稳定在设定含水量h0，打开冲击电流发生器12发出电流，分压器13测量土壤箱06两端的电压信号同时电流采集模块17测量流经土壤箱06的电流信号并传输给上位机18；然后利用数字控制器15与上位机18控制滴灌装置09的开断以改变土壤箱06的含水量，重复测量上述电压信号以及电流信号。

第四步：评估土壤电阻非线性

上位机得到的电压电流波形可获取冲击电阻全时域r(t)波形曲线，并提取出r(t)min(单位为ω)，r(t)max(单位为ω)，有效电离时间t1(单位为μs)以及有效恢复时间t2(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(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，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。

步骤1：计算r(t)min与k的复合评判因子q1：

步骤2：计算r(t)min与t1的复合评判因子q2：

步骤3：计算修正系数k1：

式中，h为含水量百分占比，γ为最小曲率半径，由下式计算：

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，上式表示计算r(t)波形曲线在下降的时间段内，从ta+0.1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；

步骤4：计算评判余项q3：

q3＝0.01741log(0.424t1+0.391t2-40.11)

-0.0627log(r(t)min+1.322)

式中，t2(单位为μs)表示r(t)从r(t)min恢复到r(t)eff的时间。其中r(t)eff＝0.2r(t)min+0.8r(t)max,r(t)eff表征从r(t)min恢复80％下降差(r(t)max-r(t)min)的电阻值。

步骤5：计算土壤在该冲击电压与湿度下的电阻非线性评判因数q：

q＝k1(q1+q2)+q3

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

第五步：不同湿度下的土壤电阻非线性特性试验

根据试验要求，设置土壤不同湿度即不同含水量，并重复第三步和第四步，进行不同湿度下垂直分层土壤电阻非线性特性评估。如还需测试h2，h3下垂直分层土壤电阻非线性，则在h1测试结束后，间隔一段时间，设定水分分析仪14的设定含水量为h2，重复第三第四步，测试h2的土动态电阻非线性，间隔一段时间后，测试h3下的土壤电阻非线性。