專利名稱：接地裝置的沖擊特性模擬試驗裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于接地裝置的模擬試驗技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及接地裝置的沖擊特性模擬試驗裝置及模擬試驗方法。
背景技術(shù)：
研究接地裝置的沖擊特性對電力系統(tǒng)的安全、可靠運行具有十分重大的意義，借助試驗的方法測量接地裝置的沖擊特性一直是接地研究的重要手段，利用接地裝置沖擊特性的模擬試驗?zāi)軌驕?zhǔn)確、可靠的測量接地裝置的沖擊特性，從而指導(dǎo)電力系統(tǒng)中接地裝置的合理設(shè)計與施工，為電力系統(tǒng)的安全運行提供保障?，F(xiàn)有的接地裝置沖擊特性的試驗裝置及方法，如申請?zhí)枮?00910063596. 9的“輸電線路桿塔沖擊接地電阻測量方法及其儀器”，該專利公開的是首先對輸電線路桿塔的接地裝置施加沖擊電流，然后測量桿塔接地裝置的響應(yīng)電壓和沖擊電流幅值，最后利用儀器進(jìn)行電壓、電流的數(shù)據(jù)采集和處理，從而計算獲得工程實際中接地裝置的沖擊接地電阻。又如申請?zhí)枮?01010166901. X的“沖擊接地阻抗測量系統(tǒng)及其測量方法”專利，公開的測量系統(tǒng)包括高壓直流電源、高壓脈沖電容、放電回路、高壓充電開關(guān)、高壓放電開關(guān)、與高壓脈沖電容和放電回路串聯(lián)的電阻分流器以及與放電回路中的參考接地電阻相連的水阻分壓器。公開的方法是首先閉合高壓充電開關(guān)，斷開運動球隙開關(guān)，給高壓脈沖電容充電； 當(dāng)高壓脈沖電容的電壓達(dá)到預(yù)定值時，斷開高壓充電開關(guān)，閉合運動球隙開關(guān)，高壓脈沖電容放電；利用采集到的沖擊電壓、沖擊電流數(shù)據(jù)計算接地裝置的沖擊接地阻抗值。以上兩個專利的主要缺點是①只能獲得接地裝置的沖擊接地阻抗，不能獲得接地裝置的其他沖擊特性，如沖擊散流分布規(guī)律等；②由于運輸及其他諸多條件的制約，試驗中沖擊電流的幅值較小，不能較好的模擬實際雷電流通過接地裝置向周圍土壤散流時的土壤放電過程。因此不能獲得接地裝置全面、準(zhǔn)確的沖擊特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的接地裝置沖擊特性的試驗裝置及方法的不足，提供接地裝置的沖擊特性模擬試驗裝置及方法，具有通用性好，產(chǎn)生沖擊電流幅值大、試驗結(jié)果準(zhǔn)確、安全性好、能方便的調(diào)整試驗參數(shù)等特點。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是一種接地裝置的沖擊特性模擬試驗裝置，主要包括沖擊電流發(fā)生器、半球形試驗槽、模擬接地裝置、穿芯式電流傳感器、沖擊電壓分壓器、寬頻數(shù)字示波器以及同軸屏蔽電纜等。所述的沖擊電流發(fā)生器為市購模塊，瞬時產(chǎn)生幅值為8 200kA可調(diào)、波前時間為 1. 2 20 Μ可變、波尾時間為20 1000 “·可變的雙指數(shù)電流波。沖擊電流發(fā)生器主要包括智能控制系統(tǒng)、調(diào)壓器、升壓變壓器、硅堆、調(diào)波電阻R、調(diào)波電感L、脈沖電容器組、氣動點火球隙、空氣壓縮機(jī)。智能控制系統(tǒng)分別通過光纖，分別與調(diào)壓器、氣孔開閉模塊連接。 所述的氣孔開閉模塊的進(jìn)氣孔通過氣管與空氣壓縮機(jī)相連，氣孔開閉模塊的排氣孔與充氣筒相連，用以實現(xiàn)智能控制系統(tǒng)對調(diào)壓器的輸出電壓、空氣壓縮機(jī)的氣孔開閉模塊的開閉、 脈沖電容器組充電時間的控制；調(diào)壓器的進(jìn)線端通過導(dǎo)線與220V工頻電源連接，調(diào)壓器的出線端與升壓變壓器的原邊通過導(dǎo)線連接；升壓變壓器的副邊與硅堆用導(dǎo)線連接；硅堆的引出導(dǎo)線依次與調(diào)波電阻R、調(diào)波電感L相連接；調(diào)波電感的引出導(dǎo)線與脈沖電容器組的正極連接；脈沖電容器組由4 20臺10 100 μ F的脈沖電容器并聯(lián)組成，其中每2 3臺脈沖電容器并聯(lián)組成1個小組，各個小組均勻的排列，并形成一個以與其連接的氣動點火球隙為圓心的不閉口圓環(huán)，各組脈沖電容器正極均通過編織銅帶和氣動點火球隙的上半銅球底座連接，當(dāng)脈沖電容器放電時，圓環(huán)式排列能使從各臺脈沖電容器到模擬接地裝置去的電流能同一瞬間到達(dá)，從而提高沖擊電流的幅值，脈沖電容器組的負(fù)極與半球形試驗槽的外壁通過扁鋼連接并接地；氣動點火球隙由上半銅球、下半銅球和圓柱形充氣筒組成，上半銅球的位置固定并與脈沖電容器組的正極相連，下半銅球通過編織銅帶與埋設(shè)于半球形試驗槽內(nèi)的砂子中的模擬接地裝置的電流注入點連接，用以將沖擊電流發(fā)生器輸出的沖擊電流施加在模擬接地裝置上，上、下半銅球的底座均為圓柱體；充氣筒的底面固定在圓盤形基座上，其頂壁開口，側(cè)壁開有一個小孔與氣管相連，氣管的另一端與氣孔開閉模塊的排氣孔連接，圓柱形充氣筒的內(nèi)徑和下半銅球的底座直徑相等，當(dāng)下半銅球的底座放置在充氣筒中時，充氣筒具備較好的氣密性；氣孔開閉模塊的排氣孔與圓柱形充氣筒通過氣管相連， 當(dāng)智能控制系統(tǒng)發(fā)出觸發(fā)指令時，氣孔開閉模塊的排氣孔開放，氣流進(jìn)入所述的充氣筒內(nèi)， 推動氣動點火球隙的下半銅球向上運動，使空氣間隙被放電擊穿。觸發(fā)指令消失后，下半銅球在重力的作用下回落到原始位置，等待下一次觸發(fā)，此外，下半銅球的底座和圓形基座間連接有一定長度的銅帶，是為了防止下半銅球被氣流推到過高位置和上半銅球碰撞而損壞球隙。所述的半球形試驗槽為直徑0. 5 IOm的、外壁由厚為1 3mm的材質(zhì)為鋼板的半球形殼體，用來作為模擬接地的集電極，模擬電勢為零的無窮遠(yuǎn)大地，半球形試驗槽的外壁通過扁鋼與前述沖擊電流發(fā)生器的脈沖電容器組的負(fù)極相連接后接地。在所述的半球形試驗槽中裝設(shè)有粒徑為0. 05 Imm的含水砂子，通過改變砂子的含水量來模擬電阻率為 10 -1500Ω 的土壤。在含水的砂子中埋設(shè)有模擬接地裝置。所述的模擬接地裝置的材質(zhì)與被測的實際接地裝置的材質(zhì)相同，所述模擬接地裝置的幾何尺寸(即長度和截面積)與被測的實際接地裝置的幾何尺寸(即長度和截面積)的比例η為5 100 (η為模擬比例)。在所述的模擬接地裝置的導(dǎo)體上每隔5 20cm選取一個點(即模擬接地裝置的軸向電流待測點)并進(jìn)行標(biāo)記，穿芯式電流傳感器套裝在所述的軸向電流待測點處，用以測量模擬接地裝置的軸向電流待測點處的軸向電流。所述的模擬接地裝置埋設(shè)在前述半球形試驗槽內(nèi)的砂子中，埋設(shè)的深度根據(jù)實際接地裝置的埋設(shè)深度以及模擬比例η確定，并要求模擬接地裝置的中心位置到前述半球形試驗槽外壁上各點的距離相等，以保證模擬試驗的準(zhǔn)確性。在所述的模擬接地裝置的電流注入點處通過編織銅帶與前述沖擊電流發(fā)生器的氣動點火球隙的下半銅球的底座連接，用以向模擬接地裝置注入沖擊電流，對模擬接地裝置進(jìn)行沖擊特性模擬試驗。所述的穿芯式電流傳感器由不導(dǎo)磁骨架、銅質(zhì)線圈、積分電路、刺刀螺母連接器插座和聚合物絕緣外殼組成。所述的不導(dǎo)磁骨架為內(nèi)徑為2 10cm、外徑為2. 5 12cm、截面直徑為1 4cm、材質(zhì)為不導(dǎo)磁的聚合物的圓環(huán)，其作用是固定銅質(zhì)線圈，同時避免傳感器鐵芯在測量沖擊大電流時飽和。所述的銅質(zhì)線圈由線徑為0. 44 1. 67mm的銅漆包線均勻繞制在圓環(huán)形的不導(dǎo)磁骨架上，繞制的匝數(shù)為50 1000匝，銅質(zhì)線圈兩端的引出線與積
分電路的輸入端連接，用以對感應(yīng)電動勢約的進(jìn)行積分，從而得到WO隨時間t變化的大
小。積分電路的輸出端通過刺刀螺母連接器插座與同軸屏蔽電纜一端的刺刀螺母連接器插頭連接，同軸屏蔽電纜的另一端通過刺刀螺母連接器插頭與寬頻數(shù)字示波器的第二輸入通道CH2連接，用以將穿芯式電流傳感器的輸出信號通過同軸屏蔽電纜輸出至寬頻數(shù)字示波器的第二輸入通道CH2。在所述的穿芯式電流傳感器表面澆鑄有厚度為0. 8 2cm的聚合物絕緣外殼，用以防止大電流竄入穿芯式電流傳感器所在的測量回路而損毀測量設(shè)備。在穿芯式電流傳感器表面澆鑄所述的聚合物絕緣外殼時，應(yīng)將刺刀螺母連接器插座設(shè)置在聚合物絕緣外殼外，方便穿芯式電流傳感器的信號輸出端與同軸屏蔽電纜相連。穿芯式電流傳感器的測量帶寬為160Hz 4 MHz，其不僅具有良好的響應(yīng)特性，能夠準(zhǔn)確的測量沖擊大電流，而且由于穿芯式電流傳感器不與被測電路發(fā)生直接的電的聯(lián)系。當(dāng)測量注入模擬接地裝置總電流的波形及其幅值時，將所述的穿芯式電流傳感器套裝在向模擬接地裝置注入電流的編織銅帶上；當(dāng)測量模擬接地裝置各個待測點的軸向電流波形及其幅值時，將所述的穿芯式電流傳感器套裝在模擬接地裝置的軸向電流待測點上。穿芯式電流傳感器與羅戈夫斯基(Rogowski)線圈的工作原理相同，即利用被測電流產(chǎn)生的磁場在線圈內(nèi)感應(yīng)的電壓來測量電流。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，穿過穿芯式電流傳
感器線圈的導(dǎo)體中通過電流〗力)時，Rogowski線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢約ω與w)的關(guān)系
如式①所示。Ul(t) = M 哩①
dt
Afj
M值與線圈的幾何形狀有關(guān)。所述的沖擊電壓分壓器為市購模塊，測量幅值為-400 400kV、頻率為O IMHz 的電壓信號，被測信號不產(chǎn)生衰減和變形。所述的沖擊電壓分壓器設(shè)置在前述的沖擊電流發(fā)生器的輸出端，沖擊電壓分壓器的高壓端通過編織銅帶與前述的半球形試驗槽內(nèi)的模擬接地裝置的沖擊電流注入點連接；沖擊電壓分壓器的接地端通過編織銅帶與所述的半球形試驗槽的外壁與前述的脈沖電容器組的負(fù)極連接的扁鋼連接；沖擊電壓分壓器的信號輸出端通過兩端裝設(shè)有刺刀螺母連接器插頭的同軸屏蔽電纜與寬頻數(shù)字示波器的第一輸入通道CHl連接，用以將沖擊電壓測量信號輸出至寬頻數(shù)字示波器。所述的寬頻數(shù)字示波器為市購產(chǎn)品，在2個信號采集通道同時采集幅值為-400 400V、頻率為0 IOOMHz的電壓信號，采樣頻率為0 10GS/s、存儲容量為0 IOOMBjg 保證采集信號的精度和長度。所述寬頻數(shù)字示波器的供電電源為獨立蓄電池和逆變器組合電源或離線UPS電源，這不僅可以提高寬頻數(shù)字示波器獲取的信號的信噪比，而且能防止沖擊電流發(fā)生器放電時，沖擊大電流入地導(dǎo)致實驗室地網(wǎng)電位急劇升高而損毀寬頻數(shù)字示波器。所述的同軸屏蔽電纜為市購的SYV-75-5型射頻電纜，并在同軸屏蔽電纜的兩端分別加裝刺刀螺母連接器插頭，用于方便連接。同軸屏蔽電纜的作用是分別將沖擊電壓分壓器和穿芯式電流傳感器的測量信號傳輸至寬頻數(shù)字示波器的第一輸入通道CHl和第二輸入通道CH2，同軸屏蔽電纜的屏蔽層能夠保證信號在傳輸過程中受到的干擾水平較低，從而保證較高的測量精度。一種接地裝置的沖擊特性模擬試驗方法，利用本發(fā)明裝置，經(jīng)確定模擬試條件，連接試驗回路，進(jìn)行沖擊放電試驗，數(shù)據(jù)計算處理等步驟，進(jìn)行接地裝置的沖擊模擬試驗，其具體步驟如下
(1)確定模擬試驗條件
首先確定試驗條件，即確定沖擊電流的波頭時間和波尾時間、幅值、半球形試驗槽中砂子的電阻率、模擬接地裝置的電流注入點位置、模擬接地裝置的材質(zhì)、尺寸、埋設(shè)深度、穿芯式電流傳感器的布置位置等，具體確定如下
①沖擊電流的波頭時間和波尾時間的確定，根據(jù)實際雷電流的波頭時間和波尾時間， 以及模擬比例η確定。即先分別將實際雷電流的波頭時間、波尾時間除以模擬比例Π，計算出模擬試驗的沖擊電流的波頭時間、波尾時間，再通過改變沖擊電流發(fā)生器回路中的調(diào)波電阻R、調(diào)波電感L的大小達(dá)到所計算的沖擊電流的波頭時間、波尾時間。②沖擊電流的幅值的確定，根據(jù)實際雷電流的幅值和模擬比例η確定。即先將實際雷電流的幅值除以η2，計算出模擬試驗的沖擊電流幅值，再通過調(diào)節(jié)沖擊電流發(fā)生器中脈沖電容器組的充電電壓預(yù)設(shè)值來調(diào)節(jié)試驗中沖擊電流的幅值。③所述半球形試驗槽中砂子的電阻率的確定，根據(jù)實際接地裝置埋設(shè)處的土壤電阻率確定。即通過晾曬砂子或在砂子中加水來調(diào)節(jié)砂子的電阻率，直到砂子的電阻率與實際接地裝置埋設(shè)處的土壤電阻率相同或相近(使砂子的電阻率和實際土壤電阻率的差異控制在1% 2%)為止。④所述模擬接地裝置的電流注入點位置的確定，根據(jù)實際接地裝置和接地引下線的焊接點確定。通過調(diào)節(jié)編織銅帶與模擬接地裝置的連接點位置來調(diào)節(jié)模擬接地裝置的沖擊電流注入點位置。⑤所述模擬接地裝置的材質(zhì)與實際接地裝置的材質(zhì)相同。所述模擬接地裝置的尺寸和埋設(shè)深度根據(jù)實際接地裝置的尺寸、埋設(shè)深度以及模擬比例η確定，確定模擬接地裝置的尺寸和埋設(shè)深度的方法是(1)根據(jù)工程中接地裝置的實際情況，確定實際接地裝置的幾何尺寸及其埋設(shè)深度；(2)將實際接地裝置的幾何尺寸及其埋設(shè)深度分別除以模擬比例η，得到模擬接地裝置的幾何尺寸及其埋設(shè)深度，其幾何尺寸包括導(dǎo)體的長度和導(dǎo)體的截面積。⑥所述穿芯式電流傳感器的布置位置的確定當(dāng)測量注入模擬接地裝置總電流的波形及其幅值時，將所述的穿芯式電流傳感器套裝在向模擬接地裝置注入電流的編織銅帶上；當(dāng)測量模擬接地裝置各個待測點的軸向電流波形及其幅值時，先將模擬接地裝置上的各個軸向電流待測點進(jìn)行編號(即從電流注入點開始，按1、2、3· · 的順序依次編號)，再將所述的穿芯式電流傳感器依次分別套裝在模擬接地裝置的各個軸向電流待測點上。(2)連接試驗回路
第(1)步完成后，按照本發(fā)明裝置對試驗回路進(jìn)行接線。即用扁鋼作連接線分別將所述的脈沖電容器組的負(fù)極與半球形試驗槽的外壁相連接并接地；用編織銅帶作連接線將所述的沖擊電流發(fā)生器的下半銅球的底座與模擬接地裝置的電流注入點相連；用同軸屏蔽電纜將沖擊電壓分壓器的信號輸出端與寬頻數(shù)字示波器的第一輸入通道CHl相連，用以將模擬接地裝置上的沖擊電壓波形輸出至寬頻數(shù)字示波器顯示；將穿芯式電流傳感器套裝在用于為模擬接地裝置注入沖擊電流的編織銅帶上或模擬接地裝置的軸向電流待測點處，用以測量模擬接地裝置的總注入電流或各個軸向電流待測點的軸向電流，將穿芯式電流傳感器的信號輸出端與寬頻數(shù)字示波器的第二輸入通道CH2相連，用以將穿芯式電流傳感器測量獲得的模擬接地裝置的總注入電流或待測點的軸向電流的波形輸出至寬頻數(shù)字示波器顯示。最后檢查接線是否正確，連接是否良好，當(dāng)全部接線連接良好后，才能進(jìn)行下一步。(3)進(jìn)行沖擊放電試驗
第(2)步完成后，先開啟空氣壓縮機(jī)，再啟動沖擊電流發(fā)生器的智能控制系統(tǒng)，智能控制系統(tǒng)中設(shè)置充電電壓，使充電電壓值等于第(1)步中確定的充電電壓預(yù)設(shè)值，并根據(jù)充電電壓的大小設(shè)置充電時間，當(dāng)充電電壓大于50kV時，充電時間設(shè)置為90s，反之則將充電時間設(shè)置為60s，這是為了避免充電過快而使脈沖電容器組加速老化或充電不均勻等現(xiàn)象發(fā)生。設(shè)置完成后，按下“開始充電”鍵，待脈沖電容器組充電達(dá)到預(yù)設(shè)電壓值時，按下“觸發(fā)”鍵，沖擊電流發(fā)生器氣動點火球隙的下半銅球在向上運動的過程中球隙被擊穿，沖擊電
流&作用在半球形試驗槽內(nèi)的模擬接地裝置上，從而完成一次沖擊放電試驗，依次對模擬
接地裝置進(jìn)行沖擊放電試驗，用以測量模擬接地裝置總注入電流或模擬接地裝置的待測點的軸向電流，并要求每兩次沖擊放電試驗的時間間隔為2 4分鐘，確保每次沖擊放電后半球形試驗槽中砂子的電氣特性有足夠的時間恢復(fù)正常，使得每次沖擊放電試驗時半球形試驗槽中的砂子特性一致，從而保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。(4)數(shù)據(jù)計算處理
第(3)步完成后，當(dāng)計算模擬接地裝置的沖擊接地阻抗時，根據(jù)第(3)步寬頻數(shù)字示波器上顯示的作用在模擬接地裝置上的沖擊電流波形和模擬接地裝置上的沖擊電壓波形，讀
取沖擊電流’的幅值乙和沖擊電壓&的幅值U,,并利用表達(dá)式③計算模擬接地裝置的沖
擊接地阻抗。Zi=U9Uf③
為保證測量數(shù)據(jù)的可靠性，在不改變沖擊電流和穿芯式電流傳感器布置位置的前提下重復(fù)進(jìn)行5次測量。因此在測量一次沖擊接地阻抗后，返回第(3)步，再次觸發(fā)沖擊電流發(fā)
生器放電并根據(jù)寬頻數(shù)字示波器記錄的沖擊電流和沖擊電壓波形讀取沖擊電流\的幅值
^和沖擊電壓K的幅值 ，根據(jù)表達(dá)式③計算模擬接地裝置的沖擊接地阻抗。如此反復(fù)5
次，獲得同一模擬接地裝置的5個沖擊接地阻抗，舍棄5個值中的最大值和最小值，對其余 3個沖擊接地阻抗求平均，此平均值即為此沖擊電流作用下模擬接地裝置的沖擊接地阻抗。 如繼續(xù)測量其他幅值沖擊電流作用下模擬接地裝置的沖擊接地阻抗，則首先返回第(1)步調(diào)節(jié)脈沖電容器組的充電電壓，然后進(jìn)入第(2)步連接試驗線路，最后循環(huán)進(jìn)行第(3)步和第(4)步，根據(jù)寬頻數(shù)字示波器測量到的電流和電壓數(shù)據(jù)計算此幅值的沖擊電流作用下模擬接地裝置的沖擊接地阻抗。當(dāng)計算模擬接地裝置的沖擊散流規(guī)律時，則根據(jù)第(3)步測得的各個軸向電流待測點的軸向電流幅值，計算模擬接地裝置各段導(dǎo)體表面的散流大小。試驗中首先將穿芯式電流傳感器套裝在編號為《的軸向電流待測點處，然后依次完成第(2)步、第(3)步，根據(jù)
寬頻數(shù)字示波器上顯示的《點處的軸向電流波形，讀取其幅值4，為保證數(shù)據(jù)可靠性，在
不改變沖擊電流波形、幅值和穿芯式電流傳感器布置位置的前提下重復(fù)進(jìn)行5次測量，每2 次測量間隔至少3分鐘，確保每次沖擊放電后半球形試驗槽中砂子的電氣特性有足夠長的時間恢復(fù)正常，最后舍棄5個測量值中的最大值和最小值，對剩下的3個測量值求平均，此平均值即作為軸向電流待測點m處的電流幅值。測量得到軸向電流待測點m處的電流幅值后，在不改變沖擊電流波形、幅值的前提下，改變穿芯式電流傳感器的布置位置，將其套裝在軸向電流待測點(《 + 1 )處，重復(fù)上述試驗步驟，得到點(《 + 1 )的軸向電流幅值。通過不斷的改變穿芯式電流傳感器的位置，測量其余各個軸向電流待測點的軸向電流幅值， 直到獲得模擬接地裝置上所有軸向電流待測點的軸向電流幅值。在測量到模擬接地裝置上所有待測點的軸向電流幅值后，利用兩個相鄰待測盧
權(quán)利要求
1.一種接地裝置的沖擊特性模擬試驗裝置，主要包括沖擊電流發(fā)生器(1)，半球形試驗槽(13)，模擬接地裝置(14)，穿芯式電流傳感器(15)，沖擊電壓分壓器(11)，寬頻數(shù)字示波器(12)，同軸屏蔽電纜(16)，其特征在于所述的半球形試驗槽(13)為直徑0. 5 IOm的、外壁由厚為1 3mm的材質(zhì)為鋼板的半球形殼體，半球形試驗槽(13)的外壁通過扁鋼與前述沖擊電流發(fā)生器(1)的脈沖電容器組(8)的負(fù)極相連接后接地，在所述的半球形試驗槽(13)中裝設(shè)有粒徑為0. 05 Imm的含水砂子，通過改變砂子的含水量來模擬電阻率為10 1500 Ω · m的土壤，在含水的砂子中埋設(shè)有模擬接地裝置(14)；所述的模擬接地裝置(14)的材質(zhì)與被測的實際接地裝置的材質(zhì)相同，所述模擬接地裝置(14)的幾何尺寸，即長度和截面積與被測的實際接地裝置的幾何尺寸，即長度和截面積的比例η為5 100，η為模擬比例，在所述的模擬接地裝置(14)的導(dǎo)體上每隔5 20cm選取一個點即模擬接地裝置(14)的軸向電流待測點并進(jìn)行標(biāo)記，穿芯式電流傳感器(15)套裝在所述的軸向電流待測點處，所述的模擬接地裝置(14)埋設(shè)在前述半球形試驗槽(13) 內(nèi)的砂子中，埋設(shè)的深度根據(jù)實際接地裝置的埋設(shè)深度以及模擬比例η確定，并要求模擬接地裝置(14)的中心位置到前述半球形試驗槽(13)外壁上各點的距離相等，在所述的模擬接地裝置(14)的電流注入點處通過編織銅帶與前述沖擊電流發(fā)生器(1)的氣動點火球隙(9)的下半銅球(20)的底座(21)連接；所述的穿芯式電流傳感器(15)由不導(dǎo)磁骨架(25)、銅質(zhì)線圈(27)、積分電路(29)、刺刀螺母連接器插座(28)和聚合物絕緣外殼(26)組成，所述的不導(dǎo)磁骨架(25)為內(nèi)徑為2 10cm、外徑為2. 5 12cm、截面直徑為1 如m、材質(zhì)為不導(dǎo)磁的聚合物的圓環(huán)，所述的銅質(zhì)線圈(27)由線徑為0. 44 1. 67mm的銅漆包線均勻繞制在圓環(huán)形的不導(dǎo)磁骨架(25)上， 繞制的匝數(shù)為50 1000匝，銅質(zhì)線圈(27)兩端的引出線與積分電路(29)的輸入端連接， 積分電路(29)的輸出端通過刺刀螺母連接器插座(28)與同軸屏蔽電纜(16) —端的刺刀螺母連接器插頭連接，同軸屏蔽電纜(16)的另一端通過刺刀螺母連接器插頭與寬頻數(shù)字示波器(12)的第二輸入通道CH2連接，在所述的穿芯式電流傳感器(15)表面澆鑄有厚度為 0. 8 2cm的聚合物絕緣外殼(26)，在穿芯式電流傳感器(15)表面澆鑄所述的聚合物絕緣外殼(26)時，應(yīng)將刺刀螺母連接器插座(28)設(shè)置在聚合物絕緣外殼(26)外，當(dāng)測量注入模擬接地裝置(14)總電流的波形及其幅值時，將所述的穿芯式電流傳感器(15)套裝在向模擬接地裝置(14)注入電流的編織銅帶上；當(dāng)測量模擬接地裝置(14)各個待測點的軸向電流波形及其幅值時，將所述的穿芯式電流傳感器(15)套裝在模擬接地裝置(14)的軸向電流待測點上；所述的沖擊電壓分壓器(11)為市購模塊，測量幅值為-400 400kV、頻率為0 IMHz 的電壓信號，被測信號不產(chǎn)生衰減和變形，所述的沖擊電壓分壓器(11)設(shè)置在前述的沖擊電流發(fā)生器(1)的輸出端，沖擊電壓分壓器(11)的高壓端通過編織銅帶與前述的半球形試驗槽(13)內(nèi)的模擬接地裝置(14)的沖擊電流注入點連接；沖擊電壓分壓器(11)的接地端通過編織銅帶與所述的半球形試驗槽(13)的外壁與前述的脈沖電容器組(8)的負(fù)極連接的扁鋼連接；沖擊電壓分壓器(11)的信號輸出端通過兩端裝設(shè)有刺刀螺母連接器插頭的同軸屏蔽電纜(16)與寬頻數(shù)字示波器(12)的第一輸入通道CHl連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的接地裝置的沖擊特性模擬試驗裝置，其特征在于所述的沖擊電流發(fā)生器(1)的瞬時產(chǎn)生幅值為8 200kA可調(diào)、波前時間為1. 2^20可變、波尾時間為 2(Tl000yS可變的雙指數(shù)電流波；所述的穿芯式電流傳感器(15)的測量帶寬為160Hz、 MHz，具有良好的響應(yīng)特性；所述的沖擊電壓分壓器(11)的測量幅值為_40(T400kV、頻率為 (TlMHz的電壓信號，被測信號不產(chǎn)生衰減和變形；所述的寬頻數(shù)字示波器(12)的2個信號采集通道同時采集幅值為-40(T400V、頻率為(TlOOMHz的電壓信號，采樣頻率為(TlOGS/s， 存儲容量為(Γ100ΜΒ。
3. 一種接地裝置的沖擊特性模擬試驗方法，利用權(quán)利要求1、2所述的接地裝置的沖擊特性模擬試驗裝置，進(jìn)行接地裝置的沖擊模擬試驗的具體步驟如下(1)確定模擬試驗條件首先確定試驗條件，即確定沖擊電流的波頭時間和波尾時間、幅值、半球形試驗槽(13) 中砂子的電阻率、模擬接地裝置(14)的電流注入點位置、模擬接地裝置(14)的材質(zhì)、尺寸、 埋設(shè)深度、穿芯式電流傳感器(15)的布置位置等，具體確定如下①沖擊電流的波頭時間和波尾時間的確定，根據(jù)實際雷電流的波頭時間和波尾時間， 以及模擬比例η確定，即先分別將實際雷電流的波頭時間、波尾時間除以模擬比例η，計算出模擬試驗的沖擊電流的波頭時間、波尾時間，再通過改變沖擊電流發(fā)生器(1)回路中的調(diào)波電阻(6)、調(diào)波電感(7)的大小達(dá)到所計算的沖擊電流的波頭時間、波尾時間；②沖擊電流的幅值的確定，根據(jù)實際雷電流的幅值和模擬比例η確定，即先將實際雷電流的幅值除以η2，計算出模擬試驗的沖擊電流幅值，再通過調(diào)節(jié)沖擊電流發(fā)生器(1)中脈沖電容器組(8)的充電電壓預(yù)設(shè)值來調(diào)節(jié)試驗中沖擊電流的幅值；③所述半球形試驗槽(13)中砂子的電阻率的確定，根據(jù)實際接地裝置埋設(shè)處的土壤電阻率確定，即通過晾曬砂子或在砂子中加水來調(diào)節(jié)砂子的電阻率，直到砂子的電阻率與實際接地裝置埋設(shè)處的土壤電阻率相同或相近，即使砂子的電阻率和實際土壤電阻率的差異控制在1% 21為止；④所述模擬接地裝置(14)的電流注入點位置的確定，根據(jù)實際接地裝置和接地引下線的焊接點確定，通過調(diào)節(jié)編織銅帶與模擬接地裝置(14)的連接點位置來調(diào)節(jié)模擬接地裝置 (14)的沖擊電流注入點位置；⑤所述模擬接地裝置(14)的材質(zhì)與實際接地裝置的材質(zhì)相同，所述模擬接地裝置 (14)的尺寸和埋設(shè)深度根據(jù)實際接地裝置的尺寸、埋設(shè)深度以及模擬比例η確定，確定模擬接地裝置(14)的尺寸和埋設(shè)深度的方法是(1)根據(jù)工程中接地裝置的實際情況，確定實際接地裝置的幾何尺寸及其埋設(shè)深度；(2)將實際接地裝置的幾何尺寸及其埋設(shè)深度分別除以模擬比例η，得到模擬接地裝置(14)的幾何尺寸及其埋設(shè)深度，其幾何尺寸包括導(dǎo)體的長度和導(dǎo)體的截面積；⑥所述穿芯式電流傳感器(15)的布置位置的確定當(dāng)測量注入模擬接地裝置(14)總電流的波形及其幅值時，將所述的穿芯式電流傳感器(15)套裝在向模擬接地裝置(14)注入電流的編織銅帶上；當(dāng)測量模擬接地裝置(14)各個待測點的軸向電流波形及其幅值時， 先將模擬接地裝置(14)上的各個軸向電流待測點進(jìn)行編號，即從電流注入點開始，按1、2、 3· · 的順序依次編號，再將所述的穿芯式電流傳感器(15)依次分別套裝在模擬接地裝置(14)的各個軸向電流待測點上；(2)連接試驗回路第(1)步完成后，按照本發(fā)明裝置對試驗回路進(jìn)行接線，即用扁鋼作連接線分別將所述的脈沖電容器組(8)的負(fù)極與半球形試驗槽(13)的外壁相連接并接地；用編織銅帶作連接線將所述的沖擊電流發(fā)生器(1)的下半銅球(20)的底座與模擬接地裝置(14)的電流注入點相連；用同軸屏蔽電纜(16)將沖擊電壓分壓器(11)的信號輸出端與寬頻數(shù)字示波器 (12)的第一輸入通道CHl相連；將穿芯式電流傳感器(15)套裝在用于為模擬接地裝置(14) 注入沖擊電流的編織銅帶上或模擬接地裝置(14)的軸向電流待測點處，將穿芯式電流傳感器(15)的信號輸出端與寬頻數(shù)字示波器(12)的第二輸入通道CH2相連，最后檢查接線是否正確，連接是否良好，當(dāng)全部接線連接良好后，才能進(jìn)行下一步；(3)進(jìn)行沖擊放電試驗第(2)步完成后，先開啟空氣壓縮機(jī)(10)，再啟動沖擊電流發(fā)生器(1)的智能控制系統(tǒng) (2)，在智能控制系統(tǒng)(2)中設(shè)置充電電壓，使充電電壓值等于第(1)步中確定的充電電壓預(yù)設(shè)值，并根據(jù)充電電壓的大小設(shè)置充電時間，當(dāng)充電電壓大于50kV時，充電時間設(shè)置為 90s，反之則將充電時間設(shè)置為60s，設(shè)置完成后，按下“開始充電”鍵，待脈沖電容器組(8) 充電達(dá)到預(yù)設(shè)電壓值時，按下“觸發(fā)”鍵，沖擊電流發(fā)生器(1)氣動點火球隙(9)的下半銅球(20)在向上運動的過程中球隙被擊穿，沖擊電流i。作用在半球形試驗槽(13)內(nèi)的模擬接地裝置(14)上，從而完成一次沖擊放電試驗，依次對模擬接地裝置(14)進(jìn)行沖擊放電試驗，并測量模擬接地裝置(14)總注入電流或模擬接地裝置(14)的待測點的軸向電流，要求每兩次沖擊放電試驗的時間間隔為2 4分鐘；(4)數(shù)據(jù)計算處理第( 步完成后，當(dāng)計算模擬接地裝置(14)的沖擊接地阻抗時，根據(jù)第( 步寬頻數(shù)字示波器(12)上顯示的作用在模擬接地裝置(14)上的沖擊電流波形和模擬接地裝置(14) 上的沖擊電壓波形，讀取沖擊電流i。的幅值Ip和沖擊電壓11。的幅值&，并利用表達(dá)式③計算模擬接地裝置(14)的沖擊接地阻抗；Zi=UpZIp③在不改變沖擊電流和穿芯式電流傳感器(15)布置位置的前提下重復(fù)進(jìn)行5次測量，因此在測量一次沖擊接地阻抗后，返回第C3)步，再次觸發(fā)沖擊電流發(fā)生器(1)放電并根據(jù)寬頻數(shù)字示波器(12)記錄的沖擊電流和沖擊電壓波形讀取沖擊電流i。的幅值Ip和沖擊電壓 Uc的幅值仏，根據(jù)表達(dá)式③計算模擬接地裝置(14)的沖擊接地阻抗，如此反復(fù)5次，獲得同一模擬接地裝置(14)的5個沖擊接地阻抗，舍棄5個值中的最大值和最小值，對其余3個沖擊接地阻抗求平均，此平均值即為此沖擊電流作用下模擬接地裝置(14)的沖擊接地阻抗，如繼續(xù)測量其他幅值沖擊電流作用下模擬接地裝置(14)的沖擊接地阻抗，則首先返回第(1)步調(diào)節(jié)脈沖電容器組(8)的充電電壓，然后進(jìn)入第( 步連接試驗線路，最后循環(huán)進(jìn)行第C3)步和第(4)步，根據(jù)寬頻數(shù)字示波器(12)測量到的電流和電壓數(shù)據(jù)計算此幅值的沖擊電流作用下模擬接地裝置(14)的沖擊接地阻抗；當(dāng)計算模擬接地裝置(14)的沖擊散流規(guī)律時，則根據(jù)第( 步測得的各個軸向電流待測點的軸向電流幅值，計算模擬接地裝置(14)各段導(dǎo)體表面的散流大小，試驗中首先將穿芯式電流傳感器(15)套裝在編號為m的軸向電流待測點處，然后依次完成第( 步、第(3) 步，根據(jù)寬頻數(shù)字示波器(12)上顯示的m點處的軸向電流波形，讀取其幅值Im，在不改變沖擊電流波形、幅值和穿芯式電流傳感器(15)布置位置的前提下重復(fù)進(jìn)行5次測量，每2次測量間隔至少3分鐘，最后舍棄5個測量值中的最大值和最小值，對剩下的3個測量值求平均，此平均值即作為軸向電流待測點m處的電流幅值，測量得到軸向電流待測點m處的電流幅值后，在不改變沖擊電流波形、幅值的前提下，改變穿芯式電流傳感器(15)的布置位置， 將其套裝在軸向電流待測點(m+1)處，重復(fù)上述試驗步驟，得到點(m+1)的軸向電流幅值， 通過不斷的改變穿芯式電流傳感器(15)的位置，測量其余各個軸向電流待測點的軸向電流幅值，直到獲得模擬接地裝置(14)上所有軸向電流待測點的軸向電流幅值；在測量到模擬接地裝置(14)上所有待測點的軸向電流幅值后，利用兩個相鄰待測點 m、m+1處的軸向電流幅值分別為Im、Im+1來計算點m和點m+1間導(dǎo)體段的表面散流的幅值在計算出模擬接地裝置(14)所有導(dǎo)體段的表面散流值后，即獲得了模擬接地裝置 (14)在此沖擊電流作用下的沖擊散流規(guī)律。
全文摘要
一種接地裝置的沖擊特性模擬試驗裝置及方法，屬于接地裝置的模擬試驗領(lǐng)域。本發(fā)明裝置主要包括沖擊電流發(fā)生器、半球形試驗槽、模擬接地裝置、穿芯式電流傳感器、沖擊電壓分壓器、寬頻數(shù)字示波器以及同軸屏蔽電纜等；本發(fā)明方法是利用本發(fā)明裝置，進(jìn)行接地裝置的沖擊模擬試驗。本發(fā)明能準(zhǔn)確模擬實際雷電流通過接地裝置向周圍土壤流散時的土壤放電過程，測量獲得接地裝置的沖擊接地阻抗和接地裝置的沖擊散流規(guī)律，具有可靠性高，安全性好，試驗的成本低等特點。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于測量沖擊大電流作用下接地裝置的沖擊阻抗和沖擊散流規(guī)律，特別適用于測量雷電流作用下的接地裝置的沖擊阻抗和沖擊散流規(guī)律。
文檔編號G01R31/12GK102298108SQ20111013698
公開日2011年12月28日 申請日期2011年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月25日
發(fā)明者司馬文霞, 孫才新, 廖瑞金, 杜林 , 楊慶, 袁濤, 雷超平 申請人:重慶大學(xué)