冲击大电流下考虑土壤参数频变与时变的大型接地装置特性与模型研究

The impulse characteristic of the grounding system plays an important role on the lightening protection. Considering the nonlinear phenomena of the soil such as ionization and frequency-varying, the characteristic based on the power frequency analysis or simulation test cannot be applied in the estimation of the large grounding system under strong impulse. So in recent years, the researches on the large grounding system under strong impulse taking the time-varying and frequency-varying characteristic of the soil into account, become a hotspot of the international studies. This project pays attention to the frequency-varying characteristic of the soil resistivity and permittivity and the time-varying characteristic resulted from ionization. Based on the results, the project attempts to summarize the theoretic model and empirical formula. Moreover, based on the real test on large grounding system with strong impulse, the project researches on the impulse characteristic of the grounding system including the relationship of the voltage and the current, the current distribution and soil ionization along the grounding conductor. Based on the testing results, the project also tries to put up a simulation model and a calculation approach which consider the frequency-varying and time-varying characteristic of soil as well as the inductance and shielding effect of the grounding conductor altogether. As a goal, the project not only makes a breakthrough in the area of fundamental research, also will provides a practical support on grounding optimization design and lightning protection.

接地装置的冲击特性对杆塔防雷效果有很大影响。由于土壤电离、频变等非线性现象，已有的接地装置工频特性和基于小尺度模拟试验的冲击特性研究成果无法可靠用于评估大型接地装置的冲击特性，近年来研究大电流下大型接地装置的冲击特性及其仿真模型成为国际研究的热点。课题针对冲击大电流下考虑土壤参数频变与时变的大型接地装置特性与建模问题，研究土壤电阻率和介电常数的频变特性、冲击大电流下土壤电离的时变特性，建立考虑土壤时变和频变特性的理论模型和经验公式；通过大型接地装置大电流冲击实验及沿导体的电流分布测量，考虑接地体电感和电位屏蔽作用，研究大型接地装置沿导体的土壤电离分布规律，获得接地装置冲击特性；综合以上研究成果，提出同时考虑时变和频变非线性特性的大型接地装置大冲击电流下的仿真模型和计算方法。不但在基础理论研究方面取得突破，还将为实际接地装置的优化设计以及防雷分析提供有力支持。

掌握准确的接地装置冲击特性、建立合理的接地装置暂态模型是开展防雷分析的基础，由于土壤电离、频变等非线性现象，已有的接地装置工频特性和基于小尺度模拟试验的冲击特性研究成果无法可靠用于评估大型接地装置的冲击特性，课题针对冲击大电流下考虑土壤参数频变与时变的大型接地装置特性与建模问题开展研究，取得的成果有： .借助宽频介电谱仪和阻抗谱仪，对雷电频谱内土壤电气参数的频变特性进行了实验研究，获得了水分、温度以及土壤颗粒大小等因素对土壤电阻率和介电常数的影响。.试验研究了土壤在非均匀电场作用下的冲击放电特性，揭示了电弧放电和电离放电两阶段放电过程及临界转换条件，获得了不同因素对土壤非均匀电场冲击放电特征参数的影响，提出了参数计算的经验公式。.运用土壤多孔介质理论、Voronoi网格理论、电介质击穿理论及放电分形理论，提出了土壤冲击放电介观计算模型，可有效模拟土壤微观放电过程，并能统一分析土壤导电、放电、频变等宏观电气特性。分析了不同因素对土壤放电特征参数的影响规律；阐释了土壤频变特性及其机理。.提出了全面考虑土壤放电时变特征、土壤与导体参数频变特征及导体间电磁耦合效应等因素的冲击暂态时域计算模型。通过大量实验，验证了计算模型的有效性。.搭建了冲击接地试验平台，设计实现了多通道分布式冲击接地测量系统，解决了分布式多通道暂态电压电流同步触发及屏蔽强电位差干扰的问题。在不同地质条件地区开展了大量的杆塔真型接地装置大容量冲击试验，获得了冲击条件下接地装置阻抗特性和电压电流沿接地导体分布特性，提出了冲击条件下杆塔接地装置优化设计的定性准则与定量判据。.以上研究不仅完善了土壤放电机理，而且通过将所提出的杆塔接地装置冲击暂态计算模型嵌入到电磁暂态分析软件PSCAD/EMTP中，实现了输电线路冲击暂态特性的全时域分析，揭示了接地装置接地电阻的动态变化对线路雷击过程的影响。课题研究成果为输电线路直击雷防护提供了理论和仿真分析工具。