土壤的离子电迁移网络分析模型及其阻抗特性研究

Soil resistivity is the most significant parameter in grounding engineering, it is affected by water content, season, temperature and so on. Along with the increasing capacity of transmission systems and the development of DC transmission system, more and more problems have been detected in the grounding system because of the soil’s conductivity. It is nesessary to do a deep research on soil’s conductive mechanism.. An experimental platform of porous medium will be established in this project to study the changing regularity of ion concentration in porous medium caused by electic filed under different frequency, amplitude and acting time, and to find out the ion’s dynamic distribution characteristics in porous medium under the effect of electric field.According to the diameter of soil particles, water content, porosity, permeabilty and other parameters, the construction and constitute of pores in porous medium can be determined as well as the tpyes and characteristics of ion channel under different ion construction, thus, to find out the distribution probability of different ion channels.. According to achievements on porous construction, electric field simulation models of kinds of porosity can be established to define the electric field distribution, to annalyze the ion’s moving rules, and to indicate the migration propoties of different ion in the interior porosity electric field.Based on above achievements, the function about equivalent current to ion types and magration of different ion channels can be established. With the help of distribution probability of different types of ion channels, the conductive model of ion in porous medium can be finally established to support the research and development of grounding engineering.

土壤电阻率反映工程接地的重要参数，其受含水量、季节、温度等多种环境因素影响；近年来随着输电容量快速增大和直流输电系统的迅猛发展，接地性能引发的安全问题越来越多。本项目拟建立多孔介质实验平台，探索电场频率、幅值及作用时间等因素对介质中离子浓度的影响规律，以及电场作用下多孔介质中离子的动态分布特性；根据土壤颗粒直径、含水量、孔隙率和渗透率等参数，寻找多孔介质孔隙的组成特性及其结构参数，以及不同结构孔隙组成的离子通道类型、特征，研究离子通道的分布特性；根据多孔介质孔隙结构的研究成果，建立不同类型孔隙的电场仿真模型，确定孔隙内部电场分布，研究模型中离子的运动特性，揭示孔隙内部电场作用下离子的电迁移特性；基于上述成果，建立离子通道内等效电流与离子类型及迁移运动的函数关系，结合多孔介质内不同类型离子通道的分布特性，最终建立多孔介质内离子电导模型，为接地工程的研究和发展提供理论支撑。

随着我国特高压输电系统与地铁网络的发展，接地在大电流接地、直流接地、冻土和杂散电流等方面暴露出越来越多的问题。土壤是接地系统性能的决定因素，研究土壤的导电机理至关重要。.本项目根据土壤结构的无序性与统计自相似性，该研究给出了基于土壤实际参数的分形策略，提出了土壤的可控降权不均匀迭代建模方法，进而提出土壤三维分形建模方法。.提出了微元统计法，即用模型中微元的统计规律来分析宏观参数的方法。发现水微元的视在电导率总是呈指数分布，视在电导率的期望值发生突变是造成宏观土壤电阻率在不同含水量下发生突变的根本原因，并找出突变发生临界条件，即含水量为30%。发现水微元形成空间连通路径是造成土壤电导率突变的根本原因，从而解释了含水量对土壤电阻率的影响机理。.通过搭建土壤孔隙的毛细管实验模型，分析了孔隙内径、离子浓度、离子类型对孔隙模型阻抗频率特性的影响。同时提出了一种存在RLC串联支路的土壤孔隙等效电路模型，解释了土壤在50Hz以下电容随频率降低而增大的物理现象。.提出孔隙模型的低频容性效应主要与电极附近形成的双电层有关，高频容性效应主要与离子迁移过程中正负离子团中心不重合有关，进而提出基于离子电迁移的电容效应产生机理。搭建不同迂曲度的孔隙模型，探究了孔隙迂曲度对离子电迁移的影响规律。.设计了一种可解决现有电源频率过低问题、多个信号放大器在变换频率过程中不同步的频谱测量电源，研究了频谱测量在接地检测中的应用可行性。.本项目提出的土壤分形建模方法可以用于建立混合材料的仿真模型，微元统计法可用于分析复杂结构和多种材料的混合物的性能影响研究，这两种方法可以在电学、力学、电化学、材料学等多个领域得以应用。土壤RLC等效电路模型和容性效应的产生机理可用于研究分析土壤的电离过程和接地装置接地阻抗的暂态性能。研究设计的频谱电源不仅可用于接地装置接地阻抗的频谱特性测量，还可通过调低电压来作为小振幅、广频域的电信号应用于各种电化学实验。