CN109188092A - 一种不同温度下土壤动态电阻特性试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种不同温度下土壤动态电阻特性试验方法，该方法包括搭建测试装置，测试装置包括含左右电极和温度传感器的土壤箱，通过温度分析仪、数字控制器和温控装置控制箱内温度；冲击电流发生模块输出端连接到分压器的高压端，分压器的高压端连接到左铜电极，右铜电极连接到接地模块；试验方法还包括土壤填充以及温度设定、测量土壤样品在当前温度T时的电压与电流以及评估土壤动态电阻特性等步骤。本发明可准确评估土壤动态电阻特性，有利于研究温度与土壤动态电阻之间的关联性。试验方法基于全时域电阻动态波形，可准确表征电阻波形曲线变化规律，进而有效评估出不同温度下土壤试品电阻的动态特性。
Description
技术领域
本发明属于电力系统接地技术领域，特别是一种不同温度下土壤动态电阻特性试验方法。
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，进而造成输电线路跳闸等事故，降低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，可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，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的火花放电等电阻动态下降过程。电阻的动态变化会明显改变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，雷电冲击下输配电杆塔接地装置周边土壤动态电阻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装置埋于土壤中，其冲击特性与接地体周围土壤电阻的动态特性密切相关。目前国内对土壤动态电阻特性的研究，主要通过计算机仿真来模拟土壤的电离过程以及火花放电现象，而土壤在冲击电流下的动态电阻特性受到很多因素的影响，比如：冲击电流幅值、温度、土壤成分与结构、土壤密度、含水量、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，其中土壤温度往往很大程度影响土壤电阻动态特性，对整个接地系统冲击暂态特性影响巨大，所以仿真时土壤动态电阻特性难以精确模拟。因此为了准确地分析土壤动态电阻特性，迫切需要建立一种智能测控方法，可在不同温度下实现土壤动态电阻特性的分析与评价，进而用以输配电系统的安全评估。
发明内容
本发明的目的是提供一种不同温度下土壤动态电阻特性试验方法。
实现本发明目的的技术方案如下：
第一步：搭建计及温度的土壤动态电阻测试装置：装置包括土壤动态电阻测试箱；土壤动态电阻测试箱的内壁设置有温控装置；土壤动态电阻测试箱左侧内壁设置有左铜电极，右侧内壁设置有右铜电极；左铜电极和右铜电极均为竖直圆盘；土壤动态电阻测试箱上面板设有螺钉；土壤动态电阻测试箱的左上部、右上部、左下部和右下部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；土壤动态电阻测试箱以外的装置包括冲击电流发生模块、分压器、接地模块、温度分析仪、数字控制器、电流采集模块、上位机、高压电缆、电缆接头以及铜导线；
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均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；冲击电流发生模块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，左铜电极紧贴土壤动态电阻测试箱左侧内壁；冲击电流发生模块的接地端、分压器的接地端分别连接到接地模块；右铜电极紧贴土壤动态电阻测试箱右侧内壁，并通过铜导线连接到接地模块；分压器的通信端连接到上位机；电流采集模块测量端连接到铜导线，电流采集模块通信端连接到上位机；
第二步：进行土壤填充以及温度设定：拧开上面板螺钉，打开土壤动态电阻测试箱的上面板，填充土壤样品，之后盖住上面板，拧上螺钉；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箱内温度，并在温度分析仪内求取传感器所测温度平均值；设定试验温度为T，若所测温度的平均值超过误差允许上限值Tmax，则通过数字控制器启用温控装置的降温模式进行降温；若所测温度的平均值低于误差允许下限值Tmin，则数字控制器启用温控装置的升温模式进行升温；控制土壤动态电阻测试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T时的电压与电流：当土壤样品测量温度稳定在试验设定温度T误差允许范围内时，启动冲击电流发生模块，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：评估土壤动态电阻特性：通过上位机得到的电压和电流，获取土壤动态电阻全时域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、有效电离时间Δt1以及有效恢复时间Δt2，在上位机上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)从电阻最大值R(t)max下降到电阻最小值R(t)min的时间间隔；
在上位机上计算R(t)min与k的复合评判因子q1：
在上位机上计算R(t)min与Δt1的复合评判因子q2：
在上位机上计算最小曲率半径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，每间隔0.1μs，计算各个时刻所对应的曲率半径，由此可计算出最小曲率半径；
结合最小曲率半径γ计算考虑温度的修正系数k1：
式中，T为当前试验温度；
在上位机上计算评判余项q3：
q3＝0.089log(0.433Δt1+0.518Δt2-42.108)
-0.0281log(R(t)min+2.37)
式中，Δt2表示R(t)从R(t)min上升至有效恢复电阻R(t)eff的时间间隔；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，对土壤在该冲击电流与温度下的动态电阻特性评判因数为：
q＝k1(q1+q2)+q3
当q∈(0,0.25]时，表征土壤动态电阻特性较弱；当q∈(0.25,0.65]时，表征土壤动态电阻特性一般；当q∈(0.65,0.9]时，表征土壤动态电阻特性较强；当q∈(0.9,1]时，表征土壤动态电阻特性极强；
第五步：不同温度下土壤动态电阻特性试验：根据试验要求，设置不同温度，并重复第三步和第四步，进行不同温度下土壤动态电阻特性评估。
本发明的有益效果在于，
1)可以精确控制土壤温度稳定在试验设定值，保证了全时域电阻波形曲线与试验温度的精确对应，可准确评估土壤电阻动态特性，有利于研究温度与土壤动态电阻之间的关联性。
2)试验方法基于上位机获取的全时域电阻动态波形，可准确表征电阻波形曲线变化规律，进而有效评估出该温度下土壤电阻的动态特性。
3)操作方便，安全可靠。
附图说明
图1是本发明所搭建装置的总体结构示意图；
图2是本发明的土壤动态电阻测试箱的结构示意图；
图3是发明中试验方法的流程图；
图4是反映冲击下土壤动态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：搭建计及温度的土壤动态电阻测试装置
如图1和图2，本发明的测试装置包括：土壤动态电阻测试箱(06)；土壤动态电阻测试箱(06)的内壁设置有温控装置(08)；土壤动态电阻测试箱(06)左侧内壁设置有左铜电极(05)，右侧内壁设置有右铜电极(07)；左铜电极(05)和右铜电极(07)均为竖直圆盘；土壤动态电阻测试箱(06)上面板设有螺钉(02)；土壤动态电阻测试箱(06)的左上部、右上部、左下部和右下部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)；土壤动态电阻测试箱(06)以外的装置包括冲击电流发生模块(12)、分压器(13)、接地模块(11)、温度分析仪(14)、数字控制器(15)、电流采集模块(16)、上位机(17)、高压电缆(18)、电缆接头(03)以及铜导线(19)。
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)均连接到温度分析仪(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(17)；数字控制器(15)连接到温控装置(08)。
冲击电流发生模块(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(18)和电缆接头(03)连接到左铜电极(05)，左铜电极(05)紧贴土壤动态电阻测试箱(06)左侧内壁；冲击电流发生模块(12)的接地端、分压器(13)的接地端分别连接到接地模块(11)；右铜电极(07)紧贴土壤动态电阻测试箱(06)右侧内壁，并通过铜导线(19)连接到接地模块(11)；分压器(13)的通信端连接到上位机(17)；电流采集模块(16)测量端连接到铜导线(19)，电流采集模块(16)通信端连接到上位机(17)。
第二步：进行土壤填充以及温度设定
拧开上面板的螺钉(02)，打开土壤动态电阻测试箱(06)的上面板，填充所需土壤样品，之后盖住上面板，拧上螺钉(02)。
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)实时监测箱内温度。设定所需试验温度为T1，通过温度分析仪计算出四个传感器所测温度的平均值，令试验温度允许误差为正负±0.5℃，若温度分析仪上所测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)的降温模式进行均匀降温；若温度分析仪所测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)的升温模式进行均匀升温；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设定温度T1误差允许范围内时，启动冲击电流发生模块(12)，稳定后通过分压器(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(17)；通过电流采集模块(16)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(17)，可多次测试以获取准确的电压电流波形曲线。
第四步：评估土壤动态电阻特性
通过上位机得到的电压和电流波形，可在上位机获取土壤动态电阻全时域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)、有效电离时间Δt1(计量单位为μs)以及有效恢复时间Δt2(计量单位为μs)，在上位机上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)从电阻最大值R(t)max下降到电阻最小值R(t)min的时间间隔。
1)在上位机上计算R(t)min与k的复合评判因子q1：
2)在上位机上计算R(t)min与Δt1的复合评判因子q2：
3)在上位机上计算最小曲率半径γ：
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，每间隔0.1μs，计算各个时刻所对应的曲率半径，由此可计算出最小曲率半径。
结合最小曲率半径γ计算考虑温度的修正系数k1：
式中，T为当前试验温度。
4)在上位机上计算评判余项q3：
q3＝0.089log(0.433Δt1+0.518Δt2-42.108)
-0.0281log(R(t)min+2.37)
式中，Δt2表示R(t)从R(t)min上升至有效恢复电阻R(t)eff的时间间隔；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。
5)综合上述计算，对土壤在该冲击电流与温度下的动态电阻特性评判因数为：
q＝k1(q1+q2)+q3
当q∈(0,0.25]时，表征土壤动态电阻特性较弱；当q∈(0.25,0.65]时，表征土壤动态电阻特性一般；当q∈(0.65,0.9]时，表征土壤动态电阻特性较强；当q∈(0.9,1]时，表征土壤动态电阻特性极强。
第五步：不同温度下的土壤动态电阻特性试验
根据试验要求，设置不同温度，重复试验，进行不同温度下的土壤动态电阻特性试验。如还需测试T2，T3下土壤动态电阻特性，则在T1测试结束并间隔一段时间后，通过温度分析仪(14)、数字控制器(15)和温控装置(08)将设定温度改变为T2，重复第三步和第四步，测试T2温度下的土壤动态电阻特性；类似地，间隔一段时间后，可测试T3温度下的土壤动态电阻特性。
Claims (1)
1.一种不同温度下土壤动态电阻特性试验方法，其特征在于，包括以下步骤
第一步：搭建计及温度的土壤动态电阻测试装置：装置包括土壤动态电阻测试箱(06)；土壤动态电阻测试箱(06)的内壁设置有温控装置(08)；土壤动态电阻测试箱(06)左侧内壁设置有左铜电极(05)，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；土壤动态电阻测试箱(06)上面板设有螺钉(02)；土壤动态电阻测试箱(06)的左上部、右上部、左下部和右下部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)；土壤动态电阻测试箱(06)以外的装置包括冲击电流发生模块(12)、分压器(13)、接地模块(11)、温度分析仪(14)、数字控制器(15)、电流采集模块(16)、上位机(17)、高压电缆(18)、电缆接头(03)以及铜导线(19)；
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)均连接到温度分析仪(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(17)；数字控制器(15)连接到温控装置(08)；
冲击电流发生模块(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(18)和电缆接头(03)连接到左铜电极(05)，左铜电极(05)紧贴土壤动态电阻测试箱(06)左侧内壁；冲击电流发生模块(12)的接地端和分压器(13)的接地端均连接到接地模块(11)；右铜电极(07)紧贴土壤动态电阻测试箱(06)右侧内壁，并通过铜导线(19)连接到接地模块(11)；分压器(13)的通信端连接到上位机(17)；
电流采集模块(16)测量端连接到铜导线(19)，电流采集模块(16)通信端连接到上位机(17)；
第二步：进行土壤填充以及温度设定：拧开上面板螺钉(02)，打开土壤动态电阻测试箱(06)的上面板，填充土壤样品，之后盖住上面板，拧上螺钉(02)；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)监测箱内温度；设定试验温度为T，若测量温度超过误差允许上限值Tmax，则数字控制器(15)启用温控装置(08)的降温模式进行降温；若温度低于误差允许下限值Tmin，则数字控制器(15)启用温控装置(08)的升温模式进行升温；控制土壤动态电阻测试箱(06)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T时的电压与电流：当土壤样品测量温度稳定在试验设定温度T误差允许范围内时，启动冲击电流发生模块(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(17)；通过电流采集模块(16)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(17)；
第四步：评估土壤动态电阻特性：通过上位机得到的电压和电流，获取土壤动态电阻全时域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、有效电离时间Δt1以及有效恢复时间Δt2，在上位机上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)从电阻最大值R(t)max下降到电阻最小值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：
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，每间隔0.1μs，计算各个时刻所对应的曲率半径，由此可计算出最小曲率半径；
结合最小曲率半径γ计算考虑温度的修正系数k1：
式中，T为当前试验温度；
计算评判余项q3：
q3＝0.089log(0.433Δt1+0.518Δt2-42.108)
-0.0281log(R(t)min+2.37)
式中，Δt2表示R(t)从R(t)min上升至有效恢复电阻R(t)eff的时间间隔；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，对土壤在该冲击电流与温度下的动态电阻特性评判因数为：
q＝k1(q1+q2)+q3
当q∈(0,0.25]时，表征土壤动态电阻特性较弱；当q∈(0.25,0.65]时，表征土壤动态电阻特性一般；当q∈(0.65,0.9]时，表征土壤动态电阻特性较强；当q∈(0.9,1]时，表征土壤动态电阻特性极强；
第五步：不同温度下土壤动态电阻特性试验：根据试验要求，设置不同温度，并重复第三步和第四步，进行不同温度下的土壤动态电阻特性评估。
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