CN113295567A - 一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置和试验方法，可以正确模拟直流接地极附近土壤的电流场情况，同时可以通过控制与烘干土壤混合的溶液体积控制土壤的含水率，通过控制与干土混合溶液的含盐量来控制土壤水的含盐量，通过稳压直流电源设置恒定电流输出控制电流密度大小等，可以得到更贴合实际的电渗透系数测量结果，同时可以通过改变电流密度参数，得到实际工程中符合直流接地极附近土壤条件的电流密度阈值。

Description

一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置和试验方法

技术领域

本发明属于电气工程领域技术领域，具体涉及一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置和试验方法。

背景技术

土壤为多相混合介质，其中含有丰富的水分，土壤中水分的质量占烘干土壤总质量的百分比即为土壤含水率。高压直流接地极在运行时，直流电流将从直流接地极流入大地。对于双极运行的高压直流输电系统，直流接地极流入大地的电流为运行的不平衡电流；对于单极-大地运行的直流高压输电系统，直流接地极的入地电流为额定电流，常常高达数千安。在直流接地极的设计过程中，需要校核直流接地极的最大电流密度，目的是为了防止局部电流密度过大，导致该处电渗透效应严重，土壤温升过快，最后导致接地极烧毁。另一个目的即为防止过高电流密度导致的局部跨步电压或接触电压不满足安全要求。

国际大电网组织CIGRE的标准TB675 General Guidelines for HVDC GroundingElectrode(高压直流接地极技术导则)中规定直流接地极的最大电流密度为1.0A/m²，是为了防止接地极附近严重的电渗透效应，避免土壤流失严重，温度陡增，导致接地极烧毁。然而不同位置的土壤其含水率不同，土壤离子浓度，离子种类也不尽相同。例如在海边，土壤中的水分的盐度则较高，内陆则较低。不同的地质条件下土壤的电渗透情况不尽相同，采用统一的1.0A/m²的标准不能因地制宜的设计直流接地极。因此，需要测得直流接地极附近土壤的电渗透系数，评估直流接地极运行下土壤的电渗透效应程度，为直流接地极的设计提供参考。

直流接地极为高压直流输电工程的重要组成部分，距离换流站位置较远，通过接地极引线连接。高压直流输电工程在建设早期常常只有一回线，直流电流通过两端的直流接地极和大地进行回流。对于双回线的直流输电工程，在检修或故障的情况下也会通过两端的直流接地极和大地回流电流。

土壤电渗透效应为土壤水分在直流电流作用下发生移动的现象。当土壤中存在直流电场时，导电的主要途径依赖于土壤空隙水中的阴阳离子，而由于土壤颗粒的负电性，空隙水中的阳离子会被吸引。根据土壤双电层理论，距离土壤颗粒较近的阳离子被紧紧吸附，该层称为非水化阳离子层，不会受到电场的作用而移动。距离土壤颗粒较远的阳离子一般与水分子结合构成水化阳离子，该层又称为水化阳离子层，由于布朗运动的扩散力作用，该层会存在一个滑动面，处于滑动面以外的水化阳离子会在电场的作用下，从阳极向阴极移动，并且在移动的过程中会拖拽其它水分子一起移动，从而产生电渗渗流。

描述电渗透效应的主要参数为电渗透系数，而电渗透系数难以从计算获得，需要通过试验的方式获得。针对直流高压接地极特有的运行环境和情况，需要有针对性的设计接地极附近土壤电渗透系数现有的电渗透测试方法在对土壤样本进行通电的过程中，没有考虑由于电解作用将水变为氢气和氧气而消耗掉的部分水分，而且在试验过程中没有考虑由于重力作用，土壤中的水分垂直移动并从试验容器底部排出的干扰，这就使得电渗透系数在计算结果上出现偏差。且大部分试验仅通过样本从阴极的总排水量来对样本的电渗透情况进行考量，而对于局部土壤的含水率变化无法进行细致掌握和研究。再者，高压直流接地极金属电极外侧首先由焦炭包裹，焦炭外部才是土壤，其土壤结构与一般电渗透试验研究的整体均匀的土壤不同(一般电渗透试验仅为获得土壤样本的电渗透系数，其重点不需要考虑直流接地极结构，试验容器中只需填充土壤样本)，需要考虑阳极侧由于焦炭层存在对电渗透产生的影响。

发明内容

本发明提供了一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置和试验方法，以提高电渗透系数测试结果的准确性。

为达到上述目的，本发明所述一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置，包括含水率传感器，相邻且连通的集水槽和用于放置土样的土壤槽，所述含水率传感器，用于测量土样的含水率，所述土壤槽中设置有阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板与电源连接，所述集水槽底面开设有排水口，所述排水口下方设置有用于收集试验中流出液体的容器。

进一步的，集水槽和土壤槽之间通过阴极板隔开，所述阴极板上自上至下开设有多个排水孔。

进一步的，阴极板外包覆有网纱。

进一步的，还包括用于测量土样温度的温度传感器。

进一步的，电源两端连接有电压表。

进一步的，集水槽和土壤槽均设置在称重装置上。

基于上述的测量装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1、将土样装入土壤槽中，然后将土样均匀压，并实使得土样与阳极板和阴极板等高；静置后量取容器中收集的水，量取容器中水的体积；

步骤2、将含水率传感器插入土样中，用烧杯收集由于电渗透作用排出的水分，打开电源，按照试验的设定，通入直流电流；

步骤3、对土样不同位置处的含水率进行记录，并且每隔设定时间，测量烧杯中收集到的水的体积，并观察记录土样表面产生的变化；

步骤4、在达到试验设定的时间后，关闭电源，对最终从排水口排出的水的总重量进行称量；

步骤5、计算电渗排水速率和电渗透系数；

步骤6、改变电源的电压大小，从而改变土样中电流密度的大小，重复试验得到不同电流密度下的电渗透系数。

进一步的，步骤1中，土样装入土壤槽中时，在土样和阳极板之间加入焦炭层。

进一步的，步骤5中，电渗排水速率计算过程如下：

1)计算土壤水分减少的总速率v₁：

其中，ΔQ为土壤含水率的变化量；s为土样横截面面积；L为计算区域的长度；

2)计算电解水的速率v_H，计算过程为：

I为土壤通流大小；t为电流通流时间；F为法拉第常数；V₂为电解水的体积；

为水的密度；

为水的相对摩尔质量；

3)计算自重作用水分流失速率v_g：

式中，V₁为步骤1中的容器中水的体积；V_s为土样体积；t₀为步骤1中的静置时间；

4)计算电渗排水速率v_e：v_e＝v₁-v_H-v_g。

进一步的，步骤5中，通过下式计算电渗透系数：

其中k_e为电渗透系数，单位为m²/sV；D为土壤两边边界端电势测量的间距；φ_e为土样两端的电势差。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

本发明所述的试验装置，通过电极板和电源对土样施加电压，模拟直流接地极运行下土样环境，可使实验过程中从土样中排数的液体及时排出并测量，并对土样进行相关参数的测量。

进一步的，阴极板外包覆有网纱，防止土壤流入集水槽中。

进一步的，还包括用于测量土样温度的温度传感器，由于电流在土壤中流通时也存在焦耳热的发热效应，除含水率测量外同时对温度进行测量，可额外得到各个测点局部温度变化规律，探究温度和含水率变化之间的相互关系。

进一步的，集水槽和土壤槽设置在称重装置上，方便在试验过程中称重。

本发明所述的方法，加入了对试验过程当中由于重力作用导致的排水干扰，以及由于电解水导致的水分产生的干扰方法。采用基于时域反射法原理的含水率测量探头对不同位置局部的土壤含水率进行测量，掌握局部上土壤含水率的变化。

本发明所述的试验方法可以正确模拟直流接地极附近土壤的电流场情况，同时可以通过控制与烘干土壤混合的溶液体积控制土壤的含水率，通过控制与干土混合溶液的含盐量来控制土壤水的含盐量，通过稳压直流电源设置恒定电流输出控制电流密度大小等，可以得到更贴合实际的电渗透系数测量结果，同时可以通过改变电流密度参数，得到实际工程中符合直流接地极附近土壤条件的电流密度阈值。

进一步的，本发明考虑了试验过程中由于自重排水及电解水产生的对电渗透的影响，测量结果将更加准确。

进一步的，在阳极板侧增设焦炭层，以模拟实际高压直流接地极的情况，使得土样在试验中所处的环境更加接近真实环境，即考虑了阳极侧由于焦炭层存在对电渗透产生的影响，试验结果更加准确。

附图说明

图1为试验装置示意图。

附图中：1、阳极板，2、阴极板，3、焦炭，4、土壤槽，5、集水槽，6、量筒，7、计算机，8、电子秤，9、无线传输模块，10、烧杯，11、含水率传感器，13、电压表，14、电流表，15、直流电源，16、云端。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置，包括箱体100、阳极板1、阴极板2、量筒6、电子秤8、烧杯10、含水率传感器11、温度传感器、电压表13、电流表14、直流电源15、无线传输模块9和计算机7。

其中，箱体100被阴极板2分隔为土壤槽4和集水槽5，阴极板2上开均匀开设有多个排水孔，试验时，阳极板安装在土壤槽内，和阴极板2相对设置，土壤槽用于放置焦炭和土样，阳极板1与直流电源15的正极连接，直流电源15的负极和电流表14一端连接，电流表14另一端与阴极板2连接。电流表的作用为测量直流电源的输出电流，保证输出电流满足试验电流密度要求。电压表13一端与阳极板连接，另一端与阴极板连接。

含水率传感器11和温度传感器的输出端和无线传输模块的输入端电连接，无线传输模块的输出端与云端通讯连接，云端16与计算机7通讯连接。含水率传感器11和温度传感器分别用于测量土样的含水率传感器和温度，并将采集到的含水率和温度通过无线传输模块递至云端16。

云端16用于通过4G信号接收每个土壤湿度和温度传感器的实时数据信息，作为数据采集与保存的中间平台。

计算机7用于从云端下载历史记录的土壤含水率和土壤温度信息，进行进一步的绘图，计算等。

参照图1，一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量的试验方法，具体步骤分为三部分：

一、试验前土壤样品制备

(1)在高压直流接地极选址附近进行土壤取样，并根据《土的工程分类标准》，前期经过对土壤进行观察颜色、手捻、和摇震反应等定性操作，判断出采样土壤样品的种类。为了得到含水率及盐度与极址相对应的土壤，需要进行土壤试品处理。

(2)将土壤样本中的石头和树枝等杂质进行剔除，再对土壤进行筛分，把其中较大的结块土壤筛出。然后将土壤放入土壤箱中压实后，采用土壤含水率传感器测量其初始含水率并记录；称重计算后得到土壤的密度并记录。

(3)将筛分好的土壤先进行称重，再放入烘干箱中，在120℃的温度下烘干8h，取出后进行称重后再放入烘干箱中，反复进行烘干直到土壤重量不变后停止烘干。

(4)用纯净去离子水和NaCl配备相应质量分数NaCl溶液。(质量分数指溶液中溶质质量与溶液质量之比)。溶液质量分数需按照选址实际情况选择。例如在沿海区域，盐度较高，海水的盐度为3.5％，而对于内陆，可采用去离子水不添加NaCl直接配置土壤溶液。为排除土壤原有可溶性盐干扰，应取一定重量土壤(例如20g)，搅拌溶解于去离子水中(例如100ml)，过滤得清液，取清液(例如50ml)在100-105℃下烘干后称重，得到原有土壤中可溶性盐重量，在配置相应质量分数盐溶液的时候，减去相应重量的NaCl。

(4)称取一定量的烘干后的土壤，按照试验要求的土壤初始含水率即海水盐度，在烘干后的土壤中加入相应比例的NaCl溶液，然后搅拌均匀得到土壤试样，将土样放置在密封的容器中进行静置备用。

二、试验流程

(1)试验开始前，取出已经制备好的不同含水率的土壤进行含水率测量，如果土壤因为蒸发作用导致含水率下降，则适当加入少量配制试样室所用的溶液，再进行测量直到土壤含水率达到试验条件。

(2)按照附图1所示的试验装置，先将阳极板1和阴极板2分别放入土壤箱100两侧，将焦炭和制取的土样装入土壤槽4中，阴极极板2上均匀开设有排水孔，方便由于电渗透效应最终移动到阴极极板的水分从该处流出方便收集，在阴极板2的表面用纱布包裹，防止土壤从阴极极板2的排水孔中漏出。然后将土样均匀压，并实使得土样的厚度为l，及刚好与阳极板1和阴极板2等高。试验过程中由于重力的作用，土样中会有部分水分下下移动并从装置的排水孔排出，该部分排出的水分并非受电渗透影响导致的，因此需要将其排除，具体的排除方法为：用保鲜膜覆盖整个箱体100，并在排水口17下放置烧杯10，静置24h后量取烧杯中的水，记录其体积为V₁，这部分水是因为自重作用而从土壤中渗出的水。进行这一步操作的目的是减少由于水的自重作用产生的水流对试验的干扰。

(3)将含水率传感器和温度传感器按照试验的设定插入土壤箱中相应的位置，在阴极板2的表面和焦炭-土壤交界面上各设一组传感器，一组传感器包括一个含水率传感器11和一个温度传感器，根据土壤槽4的长度可在两个传感器之间等间距增设更多个传感器。例如在长30cm的土壤槽4中，每隔10cm设置一个含水率传感器。然后调整含水率传感器采样记录步长，可按照采样精度要求设置为1min-5min，接着在排水口17的下方放置烧杯10收集由于电渗透作用排出的水分。然后将电源的正负极分别连接至阳极板1和阴极板2，打开电源，按照试验的设定，通入直流电流，并保持相应的时间。

(4)试验过程中，对土壤不同位置处的温度和含水率变化情况进行记录，由于电流在土壤中流通时也存在焦耳热的发热效应，除含水率测量外同时对温度进行测量，可额外得到各个测点局部温度变化规律，探究温度和含水率变化之间的相互关系，并且每隔30min，将烧杯10中收集到的水倒入量筒6中进行读数，同时，记录土壤排出的水量，并观察记录土样表面产生的明显变化，例如土壤有无明显干裂的现象。

(5)在通流达到试验设定的时间后关闭电源，高压直流接地极单极-大地运行的时间针对具体工程其情况也不同，每次该工况连续运行时间为1-2小时左右，但也存在更长时间的可能，因此试验时间可设定为8小时，拆除温度传感器和含水率传感器。最后对试验数据进行整理分析。

(6)对试验过程中的排水量，电渗透系数进行计算。

(7)改变电源的电压大小，从而改变土样中电流密度的大小，重复试验步骤(1)-(6)得到不同电流密度下的电渗透系数。

(8)寻找电渗透系数发生突变的电流密度区间，得到工程中具体直流接地极设计过程中应采取的电流密度限制值大小。

三、土壤排水速率计算，电渗透系数计算

(1)电渗排水速率计算

电渗排水速率是指某一区域内的土样在单位时间内由于电渗透效应而排出的水量。

土壤水分减少的总速率为：

其中v₁为水分减少总速率，单位为mL/s；ΔQ为土壤含水率的变化量，由于焦炭附近的土壤最接近阳极，由于水分迁移，该处含水率变化最为剧烈，因此采用土壤和焦炭交界面处的含水率传感器数据作为含水率变化量的计算来源，利用通电前含水率数值减去通电后含水率数值得到含水率变化量，单位为％；s为土样横截面面积，单位为cm²；L为计算区域的长度，在本试验中，即为土壤箱中，土壤的长度，从土壤和焦炭交界面到阴极极板的长度，单位为cm。

由于在通电的情况下，土壤中的水分子会分解，由于分解会减少部分水，该部分水需要在计算中排除。根据法拉第公式，电解1mol水需要消耗2×96500C的电荷，因此可以计算电解水的速率v_H，计算过程为：

I为土壤通流大小，单位为A；t为电流通流时间，单位为s；F为法拉第常数，数值为96500C/mol；V₂为电解水的体积，该量为方程式推导中间变量，单位为mL；

为水的密度，单位为g/cm³；

为水的相对摩尔质量，数值为18g/mol；v_H为电解水速率，单位为mL/s。

除此之外，仍需排除由于自重作用导致的水分流失速率，根据步骤(2)的测量结果，计算自重作用水分流失速率v_g的方法为：

式中，V₁为步骤(2)中得到的自重排水体积，单位为L；V_s为土壤样本体积，单位为L；t₀为步骤(2)中的静置时间，为24小时，即86400s。

根据式(1.1)，(1.3)和(1.4)得到电渗排水速率的计算公式为：

v_e＝v₁-v_H-v_g (1.5)

其中v_e为电渗排水速率，单位为mL/s。

(2)电渗透系数计算

电渗透系数被定义为单位电势梯度下电渗透效应使土壤孔隙水迁移的流速，可以反应直流电场使得土壤孔隙水发生迁移的难易程度，主要与土壤的理化性质有关，根据Esrig的理论中电渗排水速率的计算公式为：

经过变形可以电渗透系数的计算公式为：

其中k_e为电渗透系数，单位为m²/sV；D为土壤两边边界端(即阴极极板侧和焦炭和土壤交界面之间)电势测量的间距，单位为cm；φ_e为土样两端的电势差，单位为V。

土壤的电渗透系数一般无法直接测得，需要根据电渗试验结果进行计算，将试验中测量区域间的电势差的记录数据和电渗排水速率的计算结果带入可以得到电渗透系数。

本发明考虑了试验过程中由于自重排水及电解水产生的对电渗透的影响，测量结果将更加准确。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置，其特征在于，包括含水率传感器(11)，相邻且连通的集水槽(5)和用于放置土样的土壤槽(4)，所述含水率传感器(11)，用于测量土样的含水率，所述土壤槽(4)中设置有阳极板(1)和阴极板(2)，所述阳极板(1)和阴极板(2)与电源连接，所述集水槽(5)底面开设有排水口(7)，所述排水口(7)下方设置有用于收集试验中流出液体的容器。

2.根据权利要求1所述的一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量的试验方法，其特征在于，所述的集水槽(5)和土壤槽(4)之间通过阴极板(2)隔开，所述阴极板(2)上自上至下开设有多个排水孔。

3.根据权利要求2所述的一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置，其特征在于，所述阴极板(2)外包覆有网纱。

4.根据权利要求1所述的一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置，其特征在于，还包括用于测量土样温度的温度传感器。

5.根据权利要求1所述的一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置，其特征在于，所述电源两端连接有电压表(13)。

6.根据权利要求1所述的一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置，其特征在于，所述集水槽(5)和土壤槽(4)均设置在称重装置上。

7.基于权利要求1所述的测量装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将土样装入土壤槽(4)中，然后将土样均匀压，并实使得土样与阳极板(1)和阴极板(2)等高；静置后量取容器中收集的水，量取容器中水的体积；

步骤2、将含水率传感器(11)插入土样中，用烧杯(10)收集由于电渗透作用排出的水分，打开电源，按照试验的设定，通入直流电流；

步骤3、对土样不同位置处的含水率进行记录，并且每隔设定时间，测量烧杯(10)中收集到的水的体积，并观察记录土样表面产生的变化；

步骤4、在达到试验设定的时间后，关闭电源，对最终从排水口(17)排出的水的总重量进行称量；

步骤5、计算电渗排水速率和电渗透系数；

步骤6、改变电源的电压大小，从而改变土样中电流密度的大小，重复试验得到不同电流密度下的电渗透系数。

8.根据权利要求7所述的一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量的试验方法，其特征在于，所述步骤1中，土样装入土壤槽(4)中时，在土样和阳极板(1)之间加入焦炭层。

9.根据权利要求7所述的一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量的试验方法，其特征在于，所述步骤5中，电渗排水速率计算过程如下：

1)计算土壤水分减少的总速率v₁：

其中，ΔQ为土壤含水率的变化量；s为土样横截面面积；L为计算区域的长度；

2)计算电解水的速率v_H，计算过程为：

I为土壤通流大小；t为电流通流时间；F为法拉第常数；V₂为电解水的体积；

为水的密度；

为水的相对摩尔质量；

3)计算自重作用水分流失速率v_g：

式中，V₁为步骤1中的容器中水的体积；V_s为土样体积；t₀为步骤1中的静置时间；

4)计算电渗排水速率v_e：v_e＝v₁-v_H-v_g。

10.根据权利要求7所述的一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量的试验方法，其特征在于，所述步骤5中，通过下式计算电渗透系数：

其中k_e为电渗透系数；D为土壤两边边界端电势测量的间距；φ_e为土样两端的电势差。

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