计及不同温度的水平分层土壤动态电阻特性试验方法，依据试验方法，进行水平分层土壤动态电阻特性试验平台的搭建；依据试验要求，通过试验平台对土壤样品温度进行稳定控制；在稳定的试验温度下，进行土壤冲击实验，测量土壤样品的电压与电流信号；上位机通过采集的电压与电流信号，获取全时域土壤电阻曲线，并结合设定温度值，对土壤动态电阻特性进行评价；通过平台控制土壤样品为不同温度，并进行不同温度下水平分层土壤动态电阻特性试验。本发明能有效模拟接地系统周围土壤水平分层工况，实现了对温度的精确控制，提高了试验的准确性，实现了对水平分层土壤动态电阻特性的准确评价，有利于分析温度与土壤动态电阻之间的关联性。
1.计及不同温度的水平分层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：搭建计及温度的水平分层土壤动态电阻特性试验平台：该平台包括：土壤试验箱(06)，土壤试验箱(06)的内壁设置有温控装置(08)，土壤试验箱(06)左侧壁设置有左铜电极(05)，土壤试验箱(06)右侧壁还设置有右铜电极(07)，左铜电极(05)和右铜电极(07)均为竖直圆盘且分别紧贴土壤试验箱(06)左侧与右侧内壁；土壤试验箱(06)的左上部、右上部、左下部和右下部还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)；还包括接地装置(11)、冲击电流发生器(12)和分压器(13)，温度分析仪(14)，数字控制器(15)，铜导线(16)，电流采集模块(17)、上位机(18)、高压电缆(19)、电缆接头(03)、一个以上绝缘隔板(09)、以及一字螺钉(02)；
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)分别连接到温度分析仪(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(18)，数字控制器(15)连接到温控装置(08)；冲击电流发生器(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(19)和电缆接头(03)连接到左铜电极(05)，右铜电极(07)通过铜导线(16)连接到冲击电流发生器(12)的接地端，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(18)；电流采集模块(17)通信端连接到上位机(18)，电流采集模块(17)测试端连接到铜导线(16)，还包括一个以上绝缘隔板(09)，绝缘隔板(09)可竖直插入或抽出土壤试验箱(06)；当绝缘隔板(09)插入土壤试验箱(06)时，将土壤试验箱(06)从左至右分割为两个以上的空间；
第二步：进行土壤填充以及温度设定：打开土壤试验箱(06)的上面板，依据待测试土壤的厚度比，使用绝缘隔板(09)将土壤试验箱(06)分层，分层后依次填充满对应的土壤样品，撤去绝缘隔板(09)，并使土壤样品贴合在一起，盖住上面板，拧紧一字螺钉(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)监测土壤试验箱(06)内土壤温度；在温度分析仪(14)上设定试验温度为T，若测量温度超过误差允许上限Tmax，则数字控制器(15)启用温控装置(08)的降温模式进行降温，若温度低于误差允许下限Tmin，则数字控制器(15)启用温控装置(08)的升温模式进行升温，从而控制土壤试验箱(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温度T误差允许范围内时，开启冲击电流发生器(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(18)，通过电流采集模块(17)测量流经铜导线(16)的电流并传输给上位机(18)；
第四步：评估土壤动态电阻特性：上位机(18)通过得到的电压和电流信号，获取土壤动态电阻全时域R(t)波形曲线，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，上位机(18)依据R(t)波形曲线的特征参数与当前试验温度进行土壤动态电阻特性的评估；
式中，电阻最小值R(t)min为R(t)波形曲线上最小值，电阻最大值R(t)max为R(t)波形曲线上最大值，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；
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；
结合最小曲率半径计算考虑温度与最小曲率半径的修正系数k1：
q3＝0.01651log(0.397Δt1+0.427Δt2-42.95)-0.0324log(R(t)min+1.22)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，土壤在该冲击电流与温度下的动态电阻特性评判因数为：
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：进行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，并重复第三步和第四步，进行不同温度下水平分层土壤动态电阻特性试验。
计及不同温度的水平分层土壤动态电阻特性试验方法
技术领域
[0001] 本发明属于电力系统接地技术领域，特别是一种计及不同温度的水平分层土壤动态电阻特性试验方法。
背景技术
[0002] 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，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，增大了土壤电导，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电阻动态下降的过程。土壤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变化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。
[0003] 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的动态电阻特性密切相关。温度对于土壤中自由电荷的运动将产生直接的影响，温度的变化将导致土壤在高频大冲击电流作用下的土壤动态电阻特性变得更加复杂，因此在雷电流作用下，温度与土壤动态电阻特性之间的关联性研究具有重要意义。对于冲击电流下，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动态电阻特性过程，而计算机仿真无法准确的模拟土壤酸碱度对土壤动态电阻特性的影响过程。为了研究在雷电流作用下，准确地分析水平分层中土壤动态电阻特性，迫切需要一种在不同温度下水平分层土壤动态电阻特性的试验方法，能考虑温度与土壤水平分层影响，在不同温度下进行水平分层土壤动态电阻特性的测试与分析，用以输配电系统的安全评估。
发明内容
[0004] 本发明的目的是提供一种计及不同温度的水平分层土壤动态电阻特性试验方法。
[0005] 实现本发明目的的技术方案如下：
[0006] 第一步：搭建计及温度的水平分层土壤动态电阻特性试验平台：包括土壤试验箱，土壤试验箱的内壁设置有温控装置，土壤试验箱左侧壁设置有左铜电极，土壤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土壤试验箱左侧与右侧内壁；土壤试验箱的左上部、右上部、左下部和右下部还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；还包括接地装置、冲击电流发生器、分压器、温度分析仪、数字控制器、电流采集模块、上位机、铜导线、高压电缆、电缆接头、绝缘挡板以及一字螺钉；
[0007] 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分别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；冲击电流发生器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，右铜电极通过导线连接到冲击电流发生器的接地端，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，电流采集模块测试端连接到铜导线；还包括一个以上绝缘隔板，绝缘隔板可竖直插入或抽出土壤试验箱，当绝缘隔板插入土壤试验箱时，将土壤试验箱从左至右分割为两个以上的空间；
[0008] 第二步：进行土壤填充以及温度设定：打开土壤试验箱的上面板，依据待测试土壤的厚度比，使用绝缘隔板将土壤试验箱分层，分层后依次填充满土壤样品；撤去绝缘隔板，并使土壤样品贴合在一起；盖住上面板，拧紧一字螺钉；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温度；在温度分析仪上设定试验温度为T，若测量温度超过误差允许上限Tmax，则数字控制器启用温控装置的降温模式进行降温，若温度低于误差允许下限Tmin，则数字控制器启用温控装置的升温模式进行升温，控制土壤试验箱中土壤样品的温度在试验温度T误差允许范围内；
[0009] 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温度T误差允许范围内时，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；
[0010] 第四步：评估土壤动态电阻特性：上位机通过得到的电压和电流，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、下降时间Δt1以及有效恢复时间Δt2，上位机依据R(t)波形曲线的特征参数与当前试验温度进行土壤动态电阻特性的评估；
[0011] 计算土壤在冲击电流下的平均下降速率k：
[0012]
[0013] 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；
[0014] 计算R(t)min与k的复合评判因子q1：
[0015]
[0016] 计算R(t)min与Δt1的复合评判因子q2：
[0017]
[0018] 计算最小曲率半径γ：
[0019]
[0020] 其中，
[0021]
[0022] 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。
[0023] 由最小曲率半径γ计算考虑温度与最小曲率半径γ的修正系数k1：
[0024]
[0025] 式中，T为当前试验温度。
[0026] 计算评判余项q3：
[0027] q3＝0.01651log(0.397Δt1+0.427Δt2-42.95)
[0028] -0.0324log(R(t)min+1.22)
[0029] 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；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。
[0030] 综合上述计算，土壤在该冲击电流与温度下的动态电阻特性评判因数为：
[0031] q＝k1(q1+q2)+q3
[0032] 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。
[0033] 第五步：测评不同温度下的土壤动态电阻特性：根据试验要求，设置不同温度，并重复第三步和第四步，进行不同温度下水平分层土壤动态电阻特性测评。
[0034] 本发明的有益效果在于，对土壤进行水平分层，并测量水平分层土壤的动态电阻，能有效模拟接地系统周围土壤水平分层工况。温度分析仪能够实现对温度的精确控制，有利于提高土壤动态电阻试验准确性以及分析温度与土壤动态电阻之间的关联性。动态电阻特性评判因数可对水平分层土壤动态电阻进行准确评价，有利于进一步提高冲击特性计算的准确性。试验装置操作方便，安全可靠，该试验装置可进行水平多层土壤的试验，具有普适性。
附图说明
[0035] 图1是本发明的总体结构示意图；
[0036] 图2是本发明的土壤试验箱的结构示意图；
[0037] 图3是发明中测评方法的流程图；
[0038] 图4是反映土壤动态电阻特性的土壤动态电阻全时域变化波形图例。
具体实施方式
[0039] 下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明。计及不同温度的水平分层土壤动态电阻特性试验方法具体实施方式包括以下步骤：
[0040] 第一步：搭建计及温度的水平分层土壤动态电阻特性试验平台
[0041] 如图1和图2，本发明的试验平台包括：土壤试验箱(06)，土壤试验箱(06)的内壁设置有温控装置(08)，土壤试验箱(06)左侧壁设置有左铜电极(05)，土壤试验箱(06)右侧壁还设置有右铜电极(07)，左铜电极(05)和右铜电极(07)均为竖直圆盘且分别紧贴土壤试验箱(06)左侧与右侧内壁。土壤试验箱的左上部、右上部、左下部和右下部还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)。还包括接地装置(11)、冲击电流发生器(12)、分压器(13)、温度分析仪(14)、数字控制器(15)、铜导线(16)、电流采集模块(17)、上位机(18)、高压电缆(19)、电缆接头(03)、一个以上绝缘隔板(09)以及一字螺钉(02)。
[0042] 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)分别连接到温度分析仪(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(18)。数字控制器(15)连接到温控装置(08)。冲击电流发生器(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(19)和电缆接头(03)连接到左铜电极(05)。右铜电极(07)通过铜导线(16)连接到冲击电流发生器(12)的接地端，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(18)。电流采集模块(17)通信端连接到上位机(18)，电流采集模块(17)测试端连接到铜导线(16)。还包括一个以上绝缘隔板(09)，绝缘隔板(09)可竖直插入或抽出土壤试验箱(06)。当绝缘隔板(09)插入土壤试验箱(06)时，将土壤试验箱(06)从左至右分割为两个以上的空间，分层数为实际土壤的有限分层数，如实际土壤分为3层，每一层均为有限厚度，则土壤的厚度比可以得到，绝缘隔板(09)沿平行于电极表面方向将土壤试验箱(06)中土壤按照厚度比分隔开，填充满土壤样品后，将绝缘隔板(09)抽出，并使每层土壤紧密贴合。
[0043] 第二步：进行土壤填充以及温度设定
[0044] 打开土壤试验箱(06)的上面板，依据待测试土壤的厚度比，使用绝缘隔板(09)将土壤试验箱(06)分层，分层后依次填充满对应土壤样品；撤去绝缘隔板(09)，使各土壤样品贴合在一起。
[0045] 若存在某一地区土壤为水平分层情况，其第一层土壤的厚度为7m，土壤电阻率为200Ω·m，第二层土壤的厚度为20m，土壤电阻率为1000Ω·m，第三层土壤的厚度为39m，土壤电阻率为500Ω·m，第三层土壤以下为无限厚度的土壤区域；则水平分层厚度比为7：20：
39，设土壤试验箱的左右电极间距离为S，则将其距离按照此厚度比进行划分，用绝缘隔板(09)分层，放入土壤样品，土壤样品的每一层土壤电阻率与实际土壤层的电阻率相同。
[0046] 盖住土壤试验箱(06)上面板，拧紧一字螺钉(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)监测温度；在温度分析仪(14)上设定试验温度为T1，温度分析仪计算出四个传感器测量温度平均值，温度试验允许误差为正负±0.5℃，则若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)的降温模式进行降温；若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)的升温模式进行升温；控制土壤试验箱(06)中土壤样品的温度在试验温度T1误差允许范围内(Tmin～Tmax)。
[0047] 第三步：测量土壤样品在当前温度T1时的电压与电流
[0048] 当土壤样品测量温度稳定在试验温度T1误差允许范围内时，开启冲击电流发生器(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(18)，通过电流采集模块(17)测量流经铜导线(16)的电流并传输给上位机(18)。
[0049] 第四步：评估土壤动态电阻特性
[0050] 如图3所示，机通过得到电压和电流信号，获取土壤动态电阻全时域R(t)波形曲线(如图4所示)，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)，上位机(18)依据R(t)波形曲线与当前试验温度进行土壤动态电阻特性的评估。
[0051] 计算土壤在冲击电流下的平均下降速率k：
[0052]
[0053] 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。
[0054] 计算R(t)min与k的复合评判因子q1：
[0055]
[0056] 计算R(t)min与Δt1的复合评判因子q2：
[0057]
[0058] 计算最小曲率半径γ：
[0059]
[0060] 其中，
[0061]
[0062] 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。
[0063] 结合最小曲率半径γ计算考虑温度与最小曲率半径γ的修正系数k1：
[0064]
[0065] 式中，T为当前试验温度。
[0066] 计算评判余项q3：
[0067] q3＝0.01651log(0.397Δt1+0.427Δt2-42.95)
[0068] -0.0324log(R(t)min+1.22)
[0069] 式中，Δt2表示R(t)从R(t)min上升至有效恢复电阻R(t)eff(单位为Ω)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。
[0070] 综合上述计算，土壤在该冲击电流与温度下的动态电阻特性评判因数为：
[0071] q＝k1(q1+q2)+q3
[0072] 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。
[0073] 第五步：不同温度下的土壤动态电阻特性试验
[0074] 根据试验要求，设置不同温度，重复试验，进行不同温度下水平分层土壤动态电阻特性测评。如还需进行温度为T2、T3下水平分层土壤动态电阻特性试验，则在T1试验结束后，间隔一段时间后，设定温度分析仪(14)的设定温度为T2，重复第三第四步，进行T2温度下的土壤动态电阻特性试验，间隔一段时间后，设定温度分析仪(14)的设定温度为T3，重复第三第四步，进行T3温度下的土壤动态电阻特性试验。
