一种不同水分含量下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，具体涉及一种不同水分含量下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，进而造成输电线路跳闸等事故，降低了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。土壤非线性特性有助于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电阻的非线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、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电阻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电阻非线性特性，对整个接地系统冲击暂态特性影响巨大。为了准确地分析土壤在冲击下的非线性情况，便于进一步地对接地系统冲击暂态特性进行分析，搭建了智能测控试验平台，来分析不同水分含量下土壤电阻非线性特性，用以评估输配电系统的安全性。提供了一种不同水分含量下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，为有效地设计接地装置提供理论支持。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种不同水分含量下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：搭建不同水分含量下土壤电阻非线性特性的试验平台，试验平台包括土壤箱；土壤箱上面板设有一字槽螺钉；土壤箱上壁设置有滴灌装置；土壤箱左侧壁设置有左铜电极；土壤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；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水分传感器、第二水分传感器、第三水分传感器和第四水分传感器，土壤箱以外的装置包括电缆接头、接地装置、冲击电流发生器、分压器、水分分析仪、数字控制器、电流采集模块、上位机、高压电缆、铜导线；

其中：第一水分传感器、第二水分传感器、第三水分传感器和第四水分传感器分别连接到水分分析仪的输入端，水分分析仪的输出端分别连接到数字控制器和上位机；数字控制器连接到滴灌装置；

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；

第二步：进行土壤填充以及含水量设定：拧松一字槽螺钉，打开土壤箱的上面板，填充土壤样品，使土壤充满整个土壤箱，之后盖住上面板；第一水分传感器、第二水分传感器、第三水分传感器和第四水分传感器将采集的信号传输给水分分析仪，水分分析仪计算出平均含水量，用以监测土壤箱内土壤样品的含水量；设定试验含水量为h％，若含水量超过设定含水量上限hh％，则通过数字控制器断开滴灌装置，若含水量低于设定含水量下限hl％，则通过数字控制器启动滴灌装置向土壤中均匀缓慢注入蒸馏水，使土壤箱中土壤样品的含水量在设定含水量h％的误差允许范围内；

第三步：测量土壤样品在当前含水量h％时的电压与电流：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，上位机根据全时域r(t)波形曲线与当前试验水分含量对土壤进行电阻非线性特性评估；

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h与最小曲率半径γ的修正系数k1：

式中，h为当前含水量h％的分子部分，γ为最小曲率半径；

计算评判余项q3：

q3＝0.01747log(0.368δt1+0.473δt2-41.68)

-0.0343log(r(t)min+1.2075)

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：不同水分含量下土壤电阻非线性特性试验：设定不同试验含水量，在不同设定含水量下，按上述第三步和第四步反复试验，进行不同含水量下土壤电阻非线性特性评估。

本发明的有益效果在于，

1)可以精确控制土壤水分含量稳定在试验设定值，保证了全时域电阻波形曲线与试验水分含量的精确对应，可准确评估土壤电阻非线性特性，有利于研究水分含量与土壤电阻非线性特性之间的关联性。

2)试验方法基于上位机获取的全时域电阻非线性特性波形，可准确表征电阻波形曲线变化规律，进而有效评估出该水分含量下土壤试品电阻的非线性特性。

3)本发明试验平台操作方便，安全可靠。

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：搭建不同水分含量下土壤电阻非线性特性的试验平台：

由图1、图2可知一种不同水分含量下土壤电阻非线性特性的试验平台，用于模拟不同水分含量下土壤电阻非线性特性，试验平台包括：土壤箱(06)；土壤箱(06)上面板设有一字槽螺钉(02)；土壤箱(06)上壁设置有滴灌装置(08)；土壤箱(06)左侧壁设置有左铜电极(05)；土壤箱(06)右侧壁设置有右铜电极(07)；左铜电极(05)和右铜电极(07)均为竖直圆盘，且紧贴左右侧壁；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水分传感器(01a)、第二水分传感器(01b)、第三水分传感器(01c)和第四水分传感器(01d)；土壤箱(06)以外的装置包括电缆接头(03)、接地装置(11)、冲击电流发生器(12)、分压器(13)、水分分析仪(14)、数字控制器(15)、电流采集模块(17)、上位机(18)、高压电缆(19)、铜导线(20)；

其中：第一水分传感器(01a)、第二水分传感器(01b)、第三水分传感器(01c)和第四水分传感器(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(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)通过铜导线(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)的接地端也连接到接地装置(11)，分压器(13)的通信端连接到上位机(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)测试端连接到铜导线(20)；

第二步：进行土壤填充以及含水量设定：

拧下一字槽螺钉(02)，打开土壤箱(06)的上面板，填充土壤样品，使土壤充满整个土壤箱(06)，之后盖住上面板，拧紧一字槽螺钉(02)；第一水分传感器(01a)、第二水分传感器(01b)、第三水分传感器(01c)和第四水分传感器(01d)将采集的信号传输给水分分析仪(14)，水分分析仪(14)计算出平均含水量，水分含量试验允许误差为±0.5％，用以监测土壤箱(06)内土壤样品的含水量；设定试验含水量为h％，若含水量超过设定含水量上限hh％，则通过数字控制器(15)断开滴灌装置(08)，若含水量低于设定含水量下限hl％，则通过数字控制器(15)启动滴灌装置(08)向土壤中均匀缓慢注入蒸馏水，使土壤箱(06)中土壤样品的含水量在设定含水量h％的误差允许范围内；

第三步：测试土壤样品在当前含水量h％时的电压与电流：

开启冲击电流发生器(12)，通过分压器(13)测量左铜电极(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(18)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(18)根据r(t)波形曲线与当前试验水分含量对土壤进行电阻非线性特性评估；

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，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h与最小曲率半径γ的修正系数k1：

式中，h为当前含水量h％的分子部分，γ为最小曲率半径；

计算评判余项q3：

q3＝0.01747log(0.368δt1+0.473δt2-41.68)

-0.0343log(r(t)min+1.2075)

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：不同水分含量下土壤电阻非线性特性试验：设定不同试验含水量，进行不同含水量下土壤电阻非线性特性评估。如要测试三种不同含水量下土壤电阻非线性特性，三种设定含水量分别为h1％、h2％、h3％，设定含水量为h1％时，进行含水量设定后，按上述第三步、第四步进行含水量为h1％的土壤电阻非线性特性试验，待含水量h1％测试结束后，间隔一段时间后，再分别进行含水量为h2％、h3％的土壤电阻非线性特性试验。