X射线穿透式土壤火花放电通道的拍摄装置的制作方法

本发明属于电力系统接地特性试验技术领域，具体涉及土壤的多冲击电流放电试验装置及其方法。

背景技术：

接地系统的冲击放电特性是保证电力系统安全可靠运行的重要因素之一，研究接地系统以及土壤介质的冲击放电特性便尤为重要。利用冲击电流发生器模拟实际雷电等冲击源是研究土壤冲击放电特性的重要手段之一。

现有研究表明，雷电具有一次击穿多次放电的特性，一次雷电过程通常含有首次放电和多次继后回击，平均回击次数为3-5次，两次回击之间的时间间隔在几毫秒至几百毫秒之间，平均时间间隔为60ms。

目前接地系统冲击特性研究中均以单冲击电流作用为激励源，单冲击电流仅可以模拟雷电的首次放电，无法考虑继后回击的作用效果，而土壤是由土壤颗粒、颗粒间隙中的空气、水等多种物质组成的复合介质，在冲击大电流作用下，土壤的介电特性及土壤介质中物质的性态会发生改变，而这种物质性态的改变在毫秒级别的时间内无法完全恢复，因此多冲击电流作用下的土壤放电特性与单冲击电流作用下土壤放电特性存在差别。土壤多冲击电流发生装置的开发可以实现雷电多冲击的模拟试验。因此对研究土壤多冲击放电特性而言，多冲击电流发生装置的设计开发具有重要意义。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能有效地得到清晰的火花放电通道的成像图的x射线穿透式土壤火花放电通道的拍摄装置。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

x射线穿透式土壤火花放电通道的拍摄装置，包括冲击电流发生器、x射线机光源、试验槽、数字成像板、电流传感器、控制器、示波器、分压器，所述冲击电流发生器用于产生冲击电流，所述试验槽侧面和底部装有导电铜片，试验槽底部的导电铜片接地，试验槽用于容纳土壤或砂子，试验槽内设置有模拟接地装置，所述冲击电流发生器的电流输出端与模拟接地装置的冲击电流注入端及分压器的高压端电连接，所述分压器的接地端与试验槽的接地点电连接，所述分压器的信号输出端与示波器的一路信号输入端电连接，示波器的另一路信号输入端与电流传感器的信号输出端电连接，所述x射线机光源与数字成像板相对地设置于试验槽的两侧，控制器接收电流传感器的传感信号，控制x射线机光源的开关。

进一步，所述电流传感器为穿心式电流互感器。

进一步，所述穿心式电流互感器包括不导磁骨架、线圈、积分电路和绝缘外壳，线圈缠绕在不导磁骨架上，线圈的两端引出线与积分电路的输入端电连接，积分电路的输出端与示波器的信号输入端电连接，绝缘外壳浇铸在穿心式电流互感器表面。

进一步，所述不导磁骨架为内径为2～10cm，外径为2.5～12cm，截面直径为1～4cm，材质为不导磁的聚合物。

进一步，所述绝缘外壳材质为聚合物，厚度为0.8-2cm。

进一步，所述分压器的信号输出端与示波器的信号输入端通过同轴屏蔽电缆电连接，所述同轴屏蔽电缆两端为刺刀螺母连接头。

进一步，模拟接地装置的材质与被测的实际接地装置的材质相同，所述模拟接地装置的几何尺寸与被测的实际接地装置的几何尺寸的比例n为1：5～100(n为模拟比例)。

进一步，还包括图像处理系统，所述图像处理系统的图像信号输入端与数字成像的图像信号输出端电连接，所述图像处理系统的控制信号端与控制器的信号端电连接。

进一步，所述控制器为plc可编程控制器。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明装置能在模拟试验中产生幅值很高的冲击电流，从而能够准确模拟实际雷电流通过接地装置向周围土壤散流时复杂的土壤放电过程，使模拟试验结果的可靠性大大提高。

(2)本发明装置的测量系统既能准确测量接地装置的总注入电流和接地装置各轴向电流待测点的轴向电流，同时又能为plc的触发提供输入信号，同时又不影响被测电路，不仅保证了模拟试验中测量到的冲击电流的精度，还实现了冲击电流发生器和x射线机的同步启动。

(3)本发明装置的智能控制系统延时率低，为毫秒级别，保证了在电流回路导通的同时能够启动x射线机，克服因火花放电过程极短带来的成像技术困难。

(4)本发明装置采用模拟实验装置，相比于真型实验，不仅节约了试验成本，而且使试验受天气和环境影响的程度大大降低。

(5)本发明装置采用隔离电源，即宽频数字示波器采用独立蓄电池与逆变器组合或离线ups电源供电，能有效的防止冲击电流发生器放电时，实验室地网电位急剧升高而损毁宽频数字示波器、穿芯式电流传感器等测量设备现象的发生。

(6)本发明方法具有简单，操作简便，能方便的调整试验参数等优点。此外，模拟试验安全性好，模拟试验结果的准确度和可靠性高。

本发明可广泛应用于冲击大电流作用下接地装置的土壤火花放电通道的成像工作，适用于研究雷电流作用下的接地装置的冲击散流规律和土壤放电机理。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图：

图1示出了x射线穿透式土壤火花放电通道的拍摄装置的结构示意图；

图2示出了穿心式电流互感器的结构示意图；

图3示出了图2的a-a视图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述,但所举实施例不作为对本发明的限定。

参见图1，本实施例的x射线穿透式土壤火花放电通道的拍摄装置，包括冲击电流发生器1、x射线机光源12、试验槽16、数字成像板17、电流传感器10、13、控制器11、示波器14、分压器18，所述冲击电流发生器1用于产生冲击电流，所述试验槽16为尺寸500mm*500mm*20mm或500mm*500mm*15mm的木质槽，试验槽16的侧面和底部装有导电铜片，试验槽16底部的导电铜片接地，试验槽16用于容纳土壤或砂子，试验槽内设置有模拟接地装置，装入土壤或含水砂子后，模拟接地装置被埋入其中，埋设深度由实际接地装置的尺寸等比例缩小确定；实际接地装置指的是实际变电站中的接地装置，比如接地极、接地网等(材质以实际接地导体材质为准，一般为钢材料),所述冲击电流发生器1的电流输出端通过编织铜带与模拟接地装置的冲击电流注入端电连接，模拟接地装置的冲击电流注入端还与分压器18的高压端电连接，所述分压器18的接地端与试验槽16的接地点电连接，所述分压器18的信号输出端与示波器14的第一输入通道ch1电连接，示波器14的第二输入通道ch2与电流传感器13的信号输出端电连接，所述x射线机光源11与数字成像板17相对地设置于试验槽16的两侧，控制器11接收电流传感器10的传感信号，控制x射线机光源12的开关。

参见图2、3，所述电流传感器为穿心式电流互感器，所述穿心式电流互感器包括不导磁骨架19、线圈20、积分电路23和绝缘外壳21，线圈20缠绕在不导磁骨架19上，线圈20的两端引出线与积分电路的23输入端电连接，积分电路23的输出端与示波器14的第二输入通道ch2电连接，绝缘外壳21浇铸在穿心式电流互感器表面。

所述不导磁骨架19为内径为2～10cm，外径为2.5～12cm，截面直径为1～4cm，材质为不导磁的聚合物。所述绝缘外壳21材质为聚合物，厚度为0.8-2cm。

所述的冲击电流发生器1，瞬时产生幅值为8～200ka可调、波前时间为1.2～20可变、波尾时间为20～1000可变的双指数电流波。冲击电流发生器1主要包括：智能控制系统(图中未示出)、调压器2、升压变压器3、硅堆4、充电电阻5、调波电阻9、调波电感8、脉冲电容器组6、气动点火球隙7等。另有与气动点火球隙7配合的空气压缩机(图中未示出)和气孔开闭模块(图中未示出)，智能控制系统分别通过光纤，分别与调压器、气孔开闭模块连接。所述的气孔开闭模块的进气孔通过气管与空气压缩机相连，气孔开闭模块的排气孔与气动点火球隙7的充气筒相连，用以实现智能控制系统对调压器的输出电压、空气压缩机、气孔开闭模块的开闭、脉冲电容器组充电时间的控制；调压器的进线端通过导线与220v工频电源连接，调压器的出线端与升压变压器的原边通过导线连接；升压变压器的副边与硅堆用导线连接；硅堆的引出导线依次与调波电阻r、调波电感l相连接；调波电感的引出导线与脉冲电容器组的正极连接；脉冲电容器组由4～20台10～100μf的脉冲电容器并联组成，其中每2～3台脉冲电容器并联组成1个小组，各个小组均匀的排列，并形成一个以与其连接的气动点火球隙为圆心的不闭口圆环，各组脉冲电容器正极均通过编织铜带和气动点火球隙的上半铜球底座连接，当脉冲电容器放电时，圆环式排列能使从各台脉冲电容器到模拟接地装置去的电流能同一瞬间到达，从而提高冲击电流的幅值，脉冲电容器组的负极与半球形试验槽的外壁通过扁钢连接并接地；气动点火球隙由上半铜球、下半铜球和圆柱形充气筒组成，上半铜球的位置固定并与脉冲电容器组的正极相连，下半铜球通过编织铜带与埋设于半球形试验槽内的砂子中的模拟接地装置的电流注入点连接，用以将冲击电流发生器输出的冲击电流施加在模拟接地装置上，上、下半铜球的底座均为圆柱体；充气筒的底面固定在圆盘形基座上，其顶壁开口，侧壁开有一个小孔与气管相连，气管的另一端与气孔开闭模块的排气孔连接，圆柱形充气筒的内径和下半铜球的底座直径相等，当下半铜球的底座放置在充气筒中时，充气筒具备较好的气密性；气孔开闭模块的排气孔与圆柱形充气筒通过气管相连，当智能控制系统发出触发指令时，气孔开闭模块的排气孔开放，气流进入所述的充气筒内，推动气动点火球隙的下半铜球向上运动，使空气间隙被放电击穿。触发指令消失后，下半铜球在重力的作用下回落到原始位置，等待下一次触发，此外，下半铜球的底座和圆形基座间连接有一定长度的铜带，是为了防止下半铜球被气流推到过高位置和上半铜球碰撞而损坏球隙。

所述分压器18为电容式分压器，分压器18的信号输出端与示波器14的信号输入端通过同轴屏蔽电缆电连接，所述同轴屏蔽电缆两端为刺刀螺母连接头。

模拟接地装置用于模拟实际需要测试的接地装置，其两者材质相同，所述模拟接地装置的几何尺寸与被测的实际接地装置的几何尺寸的比例n为1：n，n＝5～100。

还包括图像处理系统15，所述图像处理系统15的图像信号输入端与数字成像板17的图像信号输出端电连接，所述图像处理系统15的控制信号端与控制器11的信号端电连接。

所述控制器11为plc可编程控制器。

利用本发明装置，经确定模拟试条件，连接试验回路，进行冲击放电试验并同时进行放电通道的拍摄试验，数据计算处理等步骤，进行土壤火花放电通道的拍摄试验，其具体步骤如下：

1)确定试验条件

首先确定试验条件，即确定x射线机光源的输出电压和输出电流、照射时间、冲击电流的波头时间和波尾时间、幅值、试验槽中砂子的电阻率、模拟接地装置的电流注入点位置、模拟接地装置的尺寸、埋设深度等，具体确定如下：

x射线机光源的输出电压和输出电流、照射时间以实际砂层的厚度确定，通过不加压试验调整得到最合适的输出电压和输出电流、照射时间的值。

冲击电流的波头时间和波尾时间的确定，根据实际雷电流的波头时间和波尾时间，以及模拟比例n确定。即先分别将实际雷电流的波头时间、波尾时间除以模拟比例n，计算出模拟试验的冲击电流的波头时间、波尾时间，再通过改变冲击电流发生器回路中的调波电阻、调波电感的大小达到所计算的冲击电流的波头时间、波尾时间。

冲击电流的幅值的确定，根据实际雷电流的幅值和模拟比例n确定。即先将实际雷电流的幅值除以n²，计算出模拟试验的冲击电流幅值，再通过调节冲击电流发生器中脉冲电容器组的充电电压预设值来调节试验中冲击电流的幅值。

所述半球形试验槽中砂子的电阻率的确定，根据实际接地装置埋设处的土壤电阻率确定。即通过晾晒砂子或在砂子中加水来调节砂子的电阻率，直到砂子的电阻率与实际接地装置埋设处的土壤电阻率相同或相近(使砂子的电阻率和实际土壤电阻率的差异控制在1％～2％)为止。

所述模拟接地装置的电流注入点位置的确定，根据实际接地装置和接地引下线的焊接点确定。通过调节编织铜带与模拟接地装置的连接点位置来调节模拟接地装置的冲击电流注入点位置。

所述模拟接地装置的尺寸和埋设深度根据实际接地装置的尺寸、埋设深度以及模拟比例n确定，确定模拟接地装置的尺寸和埋设深度的方法是：(1)根据工程中接地装置的实际情况，确定实际接地装置的几何尺寸及其埋设深度；(2)将实际接地装置的几何尺寸及其埋设深度分别除以模拟比例n，得到模拟接地装置的几何尺寸及其埋设深度，其几何尺寸包括导体的长度和导体的截面积。

2)进行冲击放电、拍摄土壤火花放电通道试验

启动冲击电流发生器的智能控制系统，智能控制系统中设置充电电压，使充电电压值等于第(1)步中确定的充电电压预设值，并根据充电电压的大小设置充电时间，当充电电压大于50kv时，充电时间设置为90s，反之则将充电时间设置为60s，这是为了避免充电过快而使脉冲电容器组加速老化或充电不均匀等现象发生。设置完成后，按下“开始充电”键，待脉冲电容器组充电达到预设电压值时，打开手动开关，使x射线机光源球管处于旋转状态，按下“触发”键，冲击电流发生器气动点火球隙的下半铜球在向上运动的过程中球隙被击穿，冲击电流ic作用在试验槽内的模拟接地装置上，从而完成一次冲击放电试验，与此同时电流传感器的信号输入到plc，触发x射线机光源二档，进行同步拍摄。依次对模拟接地装置进行冲击放电试验，试验过程中应注意在同一试验条件下的电压和电流进行6次测量，取大小居中的4次试验数据的平均值作为该条件下接地网冲击电流的有效测量值，每次试验后应对整个充、放电回路放电，每次冲击试验后都要对试验土壤试样进行重新混合均匀，保证土壤的电气特性和形状恢复正常，从而保证测量结果的准确性。

3)数据计算处理

第2)步完成后，当计算模拟接地装置的冲击接地阻抗时，根据第2)步宽频数字示波器上显示的作用在模拟接地装置上的冲击电流波形和模拟接地装置上的冲击电压波形，读取冲击电流ic的幅值ip和冲击电压uc的幅值up，并利用表达式③计算模拟接地装置的冲击接地阻抗。

zi＝up/ip

对各种实验条件下拍摄得到的火花放电通道图像利用图像处理技术，反演土壤中的电场分布，为获得模拟接地装置在此冲击电流作用下的冲击散流规律和土壤放电机理提供实验基础和验证方法。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。