CN109188093A - 一种不同酸碱度下土壤电阻非线性的试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种不同酸碱度下土壤电阻非线性的试验方法，依据试验方法，搭建了一种不同酸碱度土壤电阻非线性的试验平台，搭建完成后进行土壤试品酸碱度调制与填充，通过实验测量土壤试品在当前酸碱度时的电压与电流信号，依据电压电流获取全时域电阻曲线，并评判出当前酸碱度下土壤电阻非线性特性，通过酸碱度调节剂来调制不同酸碱度土壤，从而进行不同酸碱度下土壤电阻非线性特性试验。本发明通过全时域电阻波形曲线特征并结合酸碱度值进行修正，可准确评估不同酸碱度下土壤电阻非线性特性，有利于研究酸碱度与土壤电阻非线性特性之间的关联性。
Description
技术领域
本发明属于电力***接地技术领域，具体涉及一种不同酸碱度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，塔顶会产生很高的电位，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***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，因此流经接地装置的电流主要是雷电冲击电流。当大冲击电流注入时土壤电阻率会下降，土壤电阻呈现非线性变化。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，接地体周围土壤电阻将发生非线性的变化。土壤电阻的电阻非线性特性有助于降低埋入土壤中的接地***的接地电阻，当然也有助于降低大地表面的暂态接地电位升。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***，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电阻非线性特性密切相关。酸碱度对于土壤的带电能力产生直接的影响，导致土壤在高频大冲击电流作用下的土壤电阻非线性特性变得更加复杂，因此在雷电流作用下，土壤酸碱度与土壤电阻非线性之间的关联性研究具有重要意义，目前国内对土壤冲击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电阻非线性过程，而计算机仿真无法准确的模拟土壤酸碱度对土壤电阻非线性的影响过程。为了研究雷电流作用下，土壤酸碱度与土壤电阻非线性之间的关系，迫切需要建立一种不同酸碱度下土壤电阻非线性特性的试验方法，测试土壤在冲击电流作用下的电阻非线性特性，并且考虑土壤酸碱度的影响，用以输配电***的安全评估。
发明内容
本发明的目的是提供一种不同酸碱度下土壤电阻非线性的试验方法，以准确地建立接地装置在冲击电流作用下的暂态计算模型，为杆塔接地装置冲击特性的研究及其优化设计提供理论支持。
实现本发明目的的技术方案如下：
第一步：搭建一种不同酸碱度土壤电阻非线性的试验平台，包括试验箱；试验箱左侧壁设置有左铜电极；试验箱右侧壁还设置有右铜电极；左铜电极和右铜电极均为竖直圆盘且分别紧贴试验箱左右内壁；还包括接地装置、冲击电流发生器、分压器、电流采集模块、上位机、高压电缆、电缆接头、铜导线以及一字螺钉。
其中：冲击电流发生器输出端连接到高压分压器的高压端，冲击电流发生器接地端连接到接地装置，分压器的高压端通过高压电缆与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接地端，接地端连接到接地装置；分压器的接地端连接到接地装置，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，电流采集模块测量端连接到铜导线。
第二步：测定土壤试品酸碱度并填充：使用酸碱度调节剂调节土壤试品的酸碱度为pH；打开试验箱的上面板，使用pH试纸测试土壤酸碱度，待三次测试结果稳定在试验设定酸碱度值为pH时，填充满土壤试品后盖住上面板，并拧紧一字螺钉。
第三步：测量土壤试品在当前酸碱度时的电压与电流：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铜导线的电流并传输给上位机。
第四步：评估土壤电阻非线性特性：上位机通过得到的电压和电流，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。
计算R(t)min与k的复合评判因子q1：
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；平均下降速率k表示R(t)从最大值R(t)max下降到最小值R(t)min的平均下降速率，且有：
计算R(t)min与Δt1的复合评判因子q2：
计算修正系数k1：
式中，pH为当前的酸碱度，γ为最小曲率半径，其中：
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：
q3＝0.01388log(0.389Δt1+0.464Δt2-41.15)
-0.0447log(R(t)min+1.08)
式中，Δt2表示R(t)从R(t)min恢复到有效恢复电阻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当前酸碱度下的电阻非线性特性评判因数为：
q＝k1(q1+q2)+q3
当q∈(0,0.25]时，表征电阻非线性特性较弱，当q∈(0.25,0.65]时，表征电阻非线性特性一般，当q∈(0.65,0.9]时，表征电阻非线性特性较强，当q∈(0.9,1]时，表征电阻非线性特性极强。
第五步：不同酸碱度土壤电阻非线性试验：根据试验要求，调制不同酸碱度的土壤试品，并重复第二步至第四步，进行不同酸碱度下的土壤电阻非线性试验。
本发明的有益效果在于，
1)可以精确控制土壤酸碱度稳定在实验设定值，保证了全时域电阻波形曲线与实验酸碱度的精确对应，可准确评估土壤电阻非线性特性，有利于研究酸碱度与土壤电阻非线性特性之间的关联性。
2)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，进而有效评估出该酸碱度下土壤试品电阻非线性特性。
3)本发明操作方便，安全可靠。
附图说明
图1是本发明中试验装置的总体结构示意图；
图2是本发明中试验方法的流程图；
图3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。
本发明提供的一种不同酸碱度下土壤电阻非线性特性的试验方法，包括如下步骤：
第一步：搭建土壤电阻非线性的试验平台
由图1可知本试验平台包括：试验箱(01)，试验箱(01)左侧壁设置有左铜电极(04)，试验箱(01)右侧壁还设置有右铜电极(05)，左铜电极(04)和右铜电极(05)均为竖直圆盘并分别紧贴试验箱(01)左侧与右侧内壁。还包括接地装置(11)、冲击电流发生器(12)、分压器(13)、电流采集模块(14)、上位机(15)、高压电缆(16)、电缆接头(17)、铜导线 (18)以及一字螺钉(02)。
冲击电流发生器(12)输出端连接到高压分压器(13)的高压端，冲击电流发生器(12) 接地端连接到接地装置(11)，分压器(13)的高压端通过高压电缆(16)连接到左铜电极(04)。右铜电极(05)通过铜导线(18)连接到冲击电流发生器(12)接地端，接地端连接到接地装置(11)，形成试验回路。分压器(13)的接地端连接到接地装置(11)，分压器(13)的通信端连接到上位机(15)。电流采集模块(14)通信端连接到上位机(15)，电流采集模块(14)测量端连接到铜导线(18)。
一字槽螺钉(02)、左铜电极(04)、右铜电极(05)在所述土壤电阻非线性试验箱(01) 的内部。其中左铜电极(04)、右铜电极(05)为一组尺寸相同的圆盘铜电极且紧贴试验箱(01) 内壁。试验箱(01)内径为50*50*50cm，铜电极半径10cm，铜电极厚度0.3cm。
第二步：调节土壤试品酸碱度并进行土壤试品填充
使用酸碱度调节剂调节土壤试品的酸碱度为pH1：向土壤试品中加入适量pH调节剂，期间充分搅拌土壤试品，使试品的酸碱度分布均匀，待三次pH测试结果稳定在试验设定酸碱度值为pH1时。打开试验箱(01)的上面板，向试验箱(01)内填充土壤试品，土壤试品均匀且与试验箱上表面齐平之后，盖上面板，拧紧一字槽螺钉(02)。
第三步：测量土壤试品在当前酸碱度时的电压与电流
在土壤温度20℃，土壤含水量12％的实验条件下，开启冲击电流发生器(12)，通过分压器(13)测量左铜电极(04)和右铜电极(05)间的电压并传输给上位机(15)，通过电流采集模块(14)测量流经铜导线(18)的电流并传输给上位机(15)。
第四步：评估土壤电阻非线性特性
如图2所示，上位机(15)通过得到的电压和电流，获取冲击电阻全时域R(t)波形曲线 (如图3所示)，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)、下降时间Δt1(单位为μs)以及有效恢复时间Δt2(单位为μs)，并结合当前酸碱度值进行土壤电阻非线性特性的评估。
计算R(t)min与k的复合评判因子q1：
式中，电阻最小值R(t)min为R(t)波形曲线中电阻最小值，电阻最大值R(t)max为R(t)波形曲线中电阻最大值，下降时间Δt1表示R(t)从R(t)max下降到R(t)min的时间间隔；平均下降速率k表示R(t)从R(t)max下降到R(t)min的平均下降速率，其中：
计算R(t)min与Δt1的复合评判因子q2：
计算修正系数k1：
式中，pH为当前的酸碱度，γ为最小曲率半径，其中：
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＝0.01388log(0.389Δt1+0.464Δt2-41.15)
-0.0447log(R(t)min+1.08)
式中，Δt2表示R(t)从电阻最小值R(t)min恢复到有效恢复电阻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当前酸碱度下的电阻非线性特性评判因数为：
q＝k1(q1+q2)+q3
当q∈(0,0.25]时，表征电阻非线性特性较弱；当q∈(0.25,0.65]时，表征电阻非线性特性一般；当q∈(0.65,0.9]时，表征电阻非线性特性较强；当q∈(0.9,1]时，表征电阻非线性特性极强。
第五步：不同酸碱度土壤电阻非线性试验：
根据试验要求，调制不同酸碱度的土壤试品，进行不同酸碱度下的土壤电阻非线性试验。如还需进行酸碱度值为pH2与pH3的试验，调制土壤试品酸碱度为pH2，更换土壤箱内土壤，进行酸碱度值为pH2下的土壤电阻非线性特性的试验，同理，进行酸碱度值为pH3下的土壤电阻非线性特性的试验。
Claims (1)
1.一种不同酸碱度下土壤电阻非线性的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：搭建一种不同酸碱度土壤电阻非线性的试验平台：试验平台包括：试验箱(01)，试验箱(01)左侧壁设置有左铜电极(04)，试验箱(01)右侧壁还设置有右铜电极(05)，左铜电极(04)和右铜电极(05)均为竖直圆盘并分别紧贴试验箱(01)左侧与右侧内壁；还包括接地装置(11)、冲击电流发生器(12)、分压器(13)、电流采集模块(14)、上位机(15)、高压电缆(16)、电缆接头(17)、铜导线(18)以及一字螺钉(02)；
其中：冲击电流发生器(12)输出端连接到分压器(13)的高压端，冲击电流发生器(12)接地端连接到接地装置(11)，分压器(13)的高压端通过高压电缆(16)连接到电缆接头(17)，电缆接头(17)与左铜电极(04)连接；右铜电极(05)通过铜导线(18)连接到冲击电流发生器(12)接地端，接地端连接到接地装置(11)；分压器(13)的接地端连接到接地装置(11)，分压器(13)的通信端连接到上位机(15)；电流采集模块(14)通信端连接到上位机(15)，电流采集模块(14)测量端连接到铜导线(18)；
第二步：测定土壤试品酸碱度并填充：使用酸碱度调节剂调节土壤试品的酸碱度为pH，使用pH试纸测试土壤酸碱度，待三次测试结果稳定在试验设定酸碱度值为pH时，打开试验箱(01)的上面板，填充满土壤试品后盖住上面板，拧紧一字螺钉(02)；
第三步：测量土壤试品在当前酸碱度时的电压与电流：开启冲击电流发生器(12)，通过分压器(13)测量左铜电极(04)和右铜电极(05)间的电压并传输给上位机(15)，通过电流采集模块(14)测量流经铜导线(18)的电流并传输给上位机(15)；
第四步：评估土壤电阻非线性特性：上位机(15)通过得到的电压和电流信号，获取冲击电阻全时域R(t)波形曲线，并进行土壤电阻非线性特性的评估；
计算R(t)min与k的复合评判因子q1：
式中，电阻最小值R(t)min为R(t)波形曲线中电阻最小值，电阻最大值R(t)max为R(t)波形曲线中电阻最大值，下降时间Δt1表示R(t)从R(t)max下降到R(t)min的时间间隔；平均下降速率k表示R(t)从R(t)max下降到R(t)min的平均下降速率；其中：
计算R(t)min与Δt1的复合评判因子q2：
计算修正系数k1：
式中，pH为当前的酸碱度，γ为最小曲率半径，其中：
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：
q3＝0.01388log(0.389Δt1+0.464Δt2-41.15)-0.0447log(R(t)min+1.08)
式中，有效恢复时间Δt2表示R(t)从电阻最小值R(t)min恢复到有效恢复电阻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当前酸碱度下的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：不同酸碱度土壤电阻非线性试验：根据试验要求，调制不同酸碱度的土壤试品，重复第二步至第四步，进行不同酸碱度下的土壤电阻非线性试验。
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