一种获得冲击下接地体周围土壤电离放电起始场强的方法

摘要

本发明公开一种获得冲击下接地体周围土壤电离放电起始场强的方法，采用接地棒与圆筒形回流电极结构测试，通过测量接地棒与回流电极之间土壤的电阻随施加的冲击电压的变化曲线，使用变化曲线的斜率推导出电离放电的起始电压，并通过电磁场理论获得相应接地体周围土壤电离放电起始场强。由于通过接地棒与圆筒之间土壤的电阻变化获得冲击下接地体周围土壤电离放电起始场强，结果更客观；由于采用接地棒与圆筒结构测试，接地棒表面场强更均匀。本发明能够用于评估测量接地导体周围土壤放电特性，指导接地工程建设。

权利要求

1.一种获得冲击下接地体周围土壤电离放电起始场强的方法，其特征在于，基于一种用于观测接地棒周围土壤冲击放电特性的装置，所述装置包括回流电极和被试接地棒(2)；

回流电极采用同轴金属圆筒结构，回流电极分三段：两端是对称布置的均压段(21)，中间直线段为测试段(22)；均压段(21)包括依次连接的均压环(210)、四分之一圆弧段(211)和均压直线段(212)；均压直线段(212)与测试段(22)之间通过绝缘圆筒(24)隔开；回流电极轴心放置被试接地棒(2)，被试接地棒(2)与回流电极之间填充土壤；均压段(21)和测试段各通过一条接地线相互连接，最后通过接地线接地；雷电冲击发生器高压输出端接在被试接地棒上，低压输出端接在回流电极的接地线上；

所述一种获得冲击下接地体周围土壤电离放电起始场强的方法，接地体采用接地棒，具体包括以下步骤：

1)、采用同轴金属圆筒结构回流电极，轴心放置被试接地棒，回流电极内放入土壤；

2)、回流电极竖直放置于绝缘台，绝缘台中部钻孔，供被试接地棒穿过；

3)、雷电冲击发生器的高压端接在被试接地棒上；

4)、雷电冲击发生器的低压端接在接地线上；

5)、采用冲击分压器测量被试接地棒与同轴回流电极间的电位差，并用示波器读取时域波形；

6)、测量雷电冲击发生器输出的冲击电流，并用示波器读取时域波形；

7)、将雷电冲击发生器的充电电压逐步增加，依次测量相应充电电压下步骤5)、6)中的电位差、电流；

8)、被试接地棒、回流电极和土壤组成的同轴圆柱型结构的冲击电阻Rim为电压峰值Umax与电流峰值Imax之比：

9)、当冲击电阻对冲击电压的导数绝对值大于阈值α时，土壤中开始出现局部放电现象，使导体附近场强为电离起始场强Ec：式中，被试接地棒半径为ri，回流电极测试段半径为ro。

2.根据权利要求1所述的一种获得冲击下接地体周围土壤电离放电起始场强的方法，其特征在于，回流电极竖直放置于绝缘台上，绝缘台包括绝缘支撑盘(31)和支撑绝缘支撑盘(31)的绝缘支撑柱(32)；绝缘支撑盘(31)中部钻孔(30)，供被试接地棒(2)穿过。

3.根据权利要求1所述的一种获得冲击下接地体周围土壤电离放电起始场强的方法，其特征在于，测试段的接地线外周设有用于测试电流的罗氏线圈。

4.根据权利要求1所述的一种获得冲击下接地体周围土壤电离放电起始场强的方法，其特征在于，α＝5％。

说明书

一种获得冲击下接地体周围土壤电离放电起始场强的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高电压技术领域，特别涉及一种测量接地导体周围土壤电离放电起始场强的方法。

背景技术

[0002] 在电力系统中为了工作和安全的需要，常需将电力系统及其电气设备的某些部分与大地相连接，这就是接地。电力系统接地就其目的来说可分为工作接地、防雷接地和保护接地三种。其中防雷接地是为了避免雷电的危害，避雷针、避雷线和避雷器等防雷设备都必须配以相应的接地装置以便把雷电流导入大地。

[0003] 由于雷电流很大，通过接地装置集中散流入地时会在土壤中产生很高的电位梯度，超过土壤的耐受场强时，土壤中将会出现放电现象。土壤的放电将大大影响接地装置的雷电冲击特性，导致冲击接地电阻呈时变和频变混合的非线性变化，并进而影响避雷针、避雷线和避雷器的防雷特性。土壤中的放电首先是以电离放电的形式开始的。因此非常有必要研究接地棒周围土壤在冲击下的电离放电起始场强。

[0004] 目前针对土壤的放电研究所用的放电间隙的形式主要为尖-板、尖-尖、球-球，而实际中接地体通常为棒状，因此缺乏线-板间隙的放电特性。由于线板间隙与尖-板、尖-尖、球-球间隙的完全不同，线-板间隙下在小电流下，土壤开始出现局部电离，随着电流的增加，电离区域逐步变大，当电流大到一定值后，土壤出现电弧放电。由于电离放电的逐步发展的，不是突然变化，不易观测到，需要开发土壤电离放电起始场强测量方法。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提出一种获得冲击下接地体周围土壤电离放电起始场强的方法，用于评估测量接地导体周围土壤放电特性，指导接地工程建设。

[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0007] 一种获得冲击下接地体周围土壤电离放电起始场强的方法，基于一种用于观测接地棒周围土壤冲击放电特性的装置，所述装置包括回流电极和被试接地棒；回流电极采用同轴金属圆筒结构，回流电极，分三段：两端是对称布置的均压段，中间直线段为测试段；均压段包括依次连接的均压环、四分之一圆弧段和均压直线段；均压直线段与测试段之间通过绝缘圆筒隔开；回流电极轴心放置被试接地棒，被试接地棒与回流电极之间填充土壤；均压段和测试段各通过一条接地线相互连接，最后通过接地线接地；雷电冲击发生器高压输出端接在被试接地棒上，低压输出端接在回流电极的接地线上；

[0008] 所述一种获得冲击下接地体周围土壤电离放电起始场强的方法，具体包括以下步骤：

[0009] 1)、采用同轴金属圆筒结构回流电极，轴心放置被测接地棒，回流电极内放入土壤；

[0010] 2)、回流电极竖直放置于绝缘，绝缘台中部钻孔，供被试接地棒穿过；

[0011] 3)、雷电冲击发生器的高压端接在被试接地棒上；

[0012] 4)、雷电冲击发生器的低压端接在接地线上；

[0013] 5)、采用冲击分压器测量被试接地棒与同轴回流电极间的电位差，并用示波器读取时域波形；

[0014] 6)、测量雷电冲击发生器输出的冲击电流，并用示波器读取时域波形；

[0015] 7)、将雷电冲击发生器的充电电压逐步增加，依次测量相应充电电压下步骤5)、6)中的电压、电流；

[0016] 8)、被试接地棒、回流电极和土壤组成的同轴圆柱型结构的冲击电阻Rim为电压峰值Umax与电流峰值Imax之比：

[0017]

[0018] 9)、当冲击电阻对冲击电压的导数绝对值大于阈值α时，土壤中开始出现局部放电现象，时导体附近场强为电离起始场强Ec：

[0019]

[0020] 式中，被试接地棒半径为ri，回流电极测试段半径为ro。

[0021] 进一步的，回流电极竖直放置于绝缘台上，绝缘台包括绝缘支撑盘和支撑绝缘支撑盘的绝缘支撑柱；绝缘支撑盘中部钻孔，供被试接地棒穿过。

[0022] 进一步的，测试段的接地线外周设有用于测试电流的罗氏线圈。

[0023] 进一步的，所述装置还包括用于测量被试接地棒与回流电极之间的电位差的冲击分压器。

[0024] 进一步的，α＝5％。

[0025] 相对于现有技术，本发明具备以下有益效果：通过接地棒与圆筒之间土壤的电阻变化获得冲击下接地体周围土壤电离放电起始场强，更客观；采用接地棒与圆筒结构测试，接地棒表面场强更均匀。

附图说明

[0026] 图1为土壤样品冲击电阻随冲击电压的变化规律示意图；

[0027] 图2为一种用于观测接地棒周围土壤冲击放电特性的装置的结构示意图。

具体实施方式

[0028] 请参阅图2所示，本发明一种获得冲击下接地体周围土壤电离放电起始场强的方法，应用到一种用于观测接地棒周围土壤冲击放电特性的装置，该装置包括回流电极和被试接地棒2；回流电极采用同轴金属圆筒结构，轴心放置被试接地棒。

[0029] 回流电极采用同轴金属圆筒结构，分三段：两端是对称布置的均压段21，中间直线段22为测试段。均压段21包括依次连接的均压环210、四分之一圆弧段211和均压直线段212；均压直线段212与测试段22之间通过绝缘圆筒24隔开。

[0030] 均压段21外轮廓由均压直线段和与其相切的向外张开的四分之一圆弧段211构成。均压直线段用以确保测试段内的电场，在测试段沿线方向上电场分布的一致性，向外张开的四分一直圆弧段则保证在端部不会发生土壤的沿面放电，这样，土壤放电情况则可集中在测试段区域。

[0031] 均压段21与测试段22之间应用一段绝缘圆筒24进行电气隔离，以防止均压段21的土壤放电对测试结果造成影响。均压段21和测试段22各通过一条接地线相互连接，最后通过接地线25接地；雷电冲击发生器高压输出端接在被试接地棒上，低压输出端接在回流电极的接地线25上。

[0032] 回流电极和被试接地棒2组成的同轴圆筒结构竖直放置于绝缘台上，绝缘台包括绝缘支撑盘31和支撑绝缘支撑盘31的绝缘支撑柱32；绝缘支撑盘31中部钻孔30，以使被试接地导体电极(被试接地棒2)顺利穿过。

[0033] 本分发明一种获得冲击下接地体周围土壤电离放电起始场强的方法，包括以下步骤：

[0034] 1)、采用同轴金属圆筒结构回流电极，轴心放置被测接地棒2，回流电极内放入土壤。

[0035] 2)、回流电极竖直放置于绝缘台，绝缘台中部钻孔，以使被试接地棒穿过。

[0036] 3)、雷电冲击发生器的高压端接在被试接地棒上；

[0037] 4)、雷电冲击发生器的低压端接在接地线上；

[0038] 5)、采用冲击分压器测量被试接地棒与同轴回流电极间的电位差，并用示波器读取时域波形；

[0039] 6)、测量雷电冲击发生器输出的冲击电流，并用示波器读取时域波形；

[0040] 7)、将雷电冲击发生器的充电电压逐步增加，依次测量相应充电电压下步骤5)、6)中的电压、电流。

[0041] 8)、定义被试接地棒、回流电极和土壤组成的同轴圆柱型结构的冲击电阻Rim为电压峰值Umax与电流峰值Imax之比：

[0042]

[0043] 9)、如步骤7)，在不同强度高压脉冲作用下，土壤放电程度不同将导致Rim不同，由此可得到一组对应于高压脉冲强度的Rim值，在未击穿阶段，Rim随Umax变化的规律如图1所示。可以看出，虽然冲击电压峰值较低时没有发生击穿现象，但土壤的冲击电阻仍然是降低的，说明土壤在该冲击电压作用下有局部放电产生，只是尚未形成放电通道，常以“电离”指代这种发生在土壤中的局部放电。

[0044] 10)、由于电离是逐渐增加的，因此电压和电流并不会出现明显的转折点。为了定量分析电离现象，引入电离起始场强的概念，并按如下方式计算求取：当冲击电阻对冲击电压的导数绝对值大于等于某一规定值α时，可认为土壤中开始出现局部放电现象，使得冲击电阻产生变化，将此时导体附近场强定义为电离起始场强Ec：

[0045]

[0046] 式中，被试接地棒半径为ri，回流电极测试段半径为ro。

[0047] 例如，一般α取5％，从直观上理解，α表示当Rim-Umax曲线上某一点切线与水平轴夹角θ达到arctanα时，则认为该点即为临界点。利用试验数据进行插值，可差分求取冲击电阻对冲击电压的导数，当满足临界条件时，可求得对应的土壤电离放电起始场强Ec。

[0048] 试验中，ro＝15cm，ri为0.5cm，对土壤施加1.2/50μs冲击电压波，在不同的充电电压等级下，将相应地得到不同的电压电流波形。以粒径1.0—2.0mm、含水量为6.8％的沙土为例，得到图1所示的土壤样品冲击电阻随冲击电压的变化规律。α取5％时，从图1可得相应的冲击电压约为6.12kV，带入到公式(2)可得土壤电离放电起始场强Ec为3.6kV/cm。