[发明专利]接地装置的冲击特性模拟试验装置及方法

权利要求书

1.一种接地装置的冲击特性模拟试验装置，主要包括冲击电流发生器（1），半球形试验槽（13），模拟接地装置（14），穿芯式电流传感器（15），冲击电压分压器（11），宽频数字示波器（12），同轴屏蔽电缆（16），其特征在于：

所述的半球形试验槽（13）为直径0.5～10m的、外壁由厚为1～3mm的材质为钢板的半球形壳体，半球形试验槽（13）的外壁通过扁钢与前述冲击电流发生器（1）的脉冲电容器组（8）的负极相连接后接地，在所述的半球形试验槽（13）中装设有粒径为0.05～1mm的含水砂子，通过改变砂子的含水量来模拟电阻率为10～1500Ω·m的土壤，在含水的砂子中埋设有模拟接地装置（14）；

所述的模拟接地装置（14）的材质与被测的实际接地装置的材质相同，所述模拟接地装置（14）的几何尺寸，即长度和截面积与被测的实际接地装置的几何尺寸，即长度和截面积的比例n为5～100，n为模拟比例，在所述的模拟接地装置（14）的导体上每隔5～20cm选取一个点即模拟接地装置（14）的轴向电流待测点并进行标记，穿芯式电流传感器（15）套装在所述的轴向电流待测点处，所述的模拟接地装置（14）埋设在前述半球形试验槽（13）内的砂子中，埋设的深度根据实际接地装置的埋设深度以及模拟比例n确定，并要求模拟接地装置（14）的中心位置到前述半球形试验槽（13）外壁上各点的距离相等，在所述的模拟接地装置（14）的电流注入点处通过编织铜带与前述冲击电流发生器（1）的气动点火球隙（9）的下半铜球（20）的底座（21）连接；

所述的穿芯式电流传感器（15）由不导磁骨架（25）、铜质线圈（27）、积分电路（29）、刺刀螺母连接器插座（28）和聚合物绝缘外壳（26）组成，所述的不导磁骨架（25）为内径为2～10cm、外径为2.5～12cm、截面直径为1～4cm、材质为不导磁的聚合物的圆环，所述的铜质线圈（27）由线径为0.44～1.67mm的铜漆包线均匀绕制在圆环形的不导磁骨架（25）上，绕制的匝数为50～1000匝，铜质线圈（27）两端的引出线与积分电路（29）的输入端连接，积分电路（29）的输出端通过刺刀螺母连接器插座（28）与同轴屏蔽电缆（16）一端的刺刀螺母连接器插头连接，同轴屏蔽电缆（16）的另一端通过刺刀螺母连接器插头与宽频数字示波器（12）的第二输入通道CH2连接，在所述的穿芯式电流传感器（15）表面浇铸有厚度为0.8～2cm的聚合物绝缘外壳（26），在穿芯式电流传感器（15）表面浇铸所述的聚合物绝缘外壳（26）时，应将刺刀螺母连接器插座（28）设置在聚合物绝缘外壳（26）外，当测量注入模拟接地装置（14）总电流的波形及其幅值时，将所述的穿芯式电流传感器（15）套装在向模拟接地装置（14）注入电流的编织铜带上；当测量模拟接地装置（14）各个待测点的轴向电流波形及其幅值时，将所述的穿芯式电流传感器（15）套装在模拟接地装置（14）的轴向电流待测点上；

所述的冲击电压分压器（11）为市购模块，测量幅值为-400～400kV、频率为0～1MHz的电压信号，被测信号不产生衰减和变形，所述的冲击电压分压器（11）设置在前述的冲击电流发生器（1）的输出端，冲击电压分压器（11）的高压端通过编织铜带与前述的半球形试验槽（13）内的模拟接地装置（14）的冲击电流注入点连接；冲击电压分压器（11）的接地端通过编织铜带与所述的半球形试验槽（13）的外壁与前述的脉冲电容器组（8）的负极连接的扁钢连接；冲击电压分压器（11）的信号输出端通过两端装设有刺刀螺母连接器插头的同轴屏蔽电缆（16）与宽频数字示波器（12）的第一输入通道CH1连接。

2.按照权利要求1所述的接地装置的冲击特性模拟试验装置，其特征在于：所述的冲击电流发生器（1）的瞬时产生幅值为8~200kA可调、波前时间为1.2~20可变、波尾时间为20~1000μs可变的双指数电流波；所述的穿芯式电流传感器（15）的测量带宽为160Hz~4 MHz，具有良好的响应特性；所述的冲击电压分压器（11）的测量幅值为-400~400kV、频率为0~1MHz的电压信号，被测信号不产生衰减和变形；所述的宽频数字示波器（12）的2个信号采集通道同时采集幅值为-400~400V、频率为0~100MHz的电压信号，采样频率为0~10GS/s，存储容量为0~100MB。

3.一种接地装置的冲击特性模拟试验方法，利用权利要求1、2所述的接地装置的冲击特性模拟试验装置，进行接地装置的冲击模拟试验的具体步骤如下：

(1) 确定模拟试验条件

首先确定试验条件，即确定冲击电流的波头时间和波尾时间、幅值、半球形试验槽（13）中砂子的电阻率、模拟接地装置（14）的电流注入点位置、模拟接地装置（14）的材质、尺寸、埋设深度、穿芯式电流传感器（15）的布置位置等，具体确定如下：

①冲击电流的波头时间和波尾时间的确定，根据实际雷电流的波头时间和波尾时间，以及模拟比例n确定，即先分别将实际雷电流的波头时间、波尾时间除以模拟比例n，计算出模拟试验的冲击电流的波头时间、波尾时间，再通过改变冲击电流发生器（1）回路中的调波电阻（6）、调波电感（7）的大小达到所计算的冲击电流的波头时间、波尾时间；

②冲击电流的幅值的确定，根据实际雷电流的幅值和模拟比例n确定，即先将实际雷电流的幅值除以n²，计算出模拟试验的冲击电流幅值，再通过调节冲击电流发生器（1）中脉冲电容器组（8）的充电电压预设值来调节试验中冲击电流的幅值；

③所述半球形试验槽（13）中砂子的电阻率的确定，根据实际接地装置埋设处的土壤电阻率确定，即通过晾晒砂子或在砂子中加水来调节砂子的电阻率，直到砂子的电阻率与实际接地装置埋设处的土壤电阻率相同或相近，即使砂子的电阻率和实际土壤电阻率的差异控制在1%～2%为止；

④所述模拟接地装置（14）的电流注入点位置的确定，根据实际接地装置和接地引下线的焊接点确定，通过调节编织铜带与模拟接地装置（14）的连接点位置来调节模拟接地装置（14）的冲击电流注入点位置；

⑤所述模拟接地装置（14）的材质与实际接地装置的材质相同，所述模拟接地装置（14）的尺寸和埋设深度根据实际接地装置的尺寸、埋设深度以及模拟比例n确定，确定模拟接地装置（14）的尺寸和埋设深度的方法是：(1)根据工程中接地装置的实际情况，确定实际接地装置的几何尺寸及其埋设深度；(2)将实际接地装置的几何尺寸及其埋设深度分别除以模拟比例n，得到模拟接地装置（14）的几何尺寸及其埋设深度，其几何尺寸包括导体的长度和导体的截面积；

⑥所述穿芯式电流传感器（15）的布置位置的确定：当测量注入模拟接地装置（14）总电流的波形及其幅值时，将所述的穿芯式电流传感器（15）套装在向模拟接地装置（14）注入电流的编织铜带上；当测量模拟接地装置（14）各个待测点的轴向电流波形及其幅值时，先将模拟接地装置（14）上的各个轴向电流待测点进行编号，即从电流注入点开始，按1、2、3···的顺序依次编号，再将所述的穿芯式电流传感器（15）依次分别套装在模拟接地装置（14）的各个轴向电流待测点上；

(2) 连接试验回路

第(1)步完成后，按照本发明装置对试验回路进行接线，即：用扁钢作连接线分别将所述的脉冲电容器组（8）的负极与半球形试验槽（13）的外壁相连接并接地；用编织铜带作连接线将所述的冲击电流发生器（1）的下半铜球（20）的底座与模拟接地装置（14）的电流注入点相连；用同轴屏蔽电缆（16）将冲击电压分压器（11）的信号输出端与宽频数字示波器（12）的第一输入通道CH1相连；将穿芯式电流传感器（15）套装在用于为模拟接地装置（14）注入冲击电流的编织铜带上或模拟接地装置（14）的轴向电流待测点处，将穿芯式电流传感器（15）的信号输出端与宽频数字示波器（12）的第二输入通道CH2相连，最后检查接线是否正确，连接是否良好，当全部接线连接良好后，才能进行下一步；

(3) 进行冲击放电试验

第(2)步完成后，先开启空气压缩机（10），再启动冲击电流发生器（1）的智能控制系统（2），在智能控制系统（2）中设置充电电压，使充电电压值等于第(1)步中确定的充电电压预设值，并根据充电电压的大小设置充电时间，当充电电压大于50kV时，充电时间设置为90s，反之则将充电时间设置为60s，设置完成后，按下“开始充电”键，待脉冲电容器组（8）充电达到预设电压值时，按下“触发”键，冲击电流发生器（1）气动点火球隙（9）的下半铜球（20）在向上运动的过程中球隙被击穿，冲击电流i_c作用在半球形试验槽（13）内的模拟接地装置（14）上，从而完成一次冲击放电试验，依次对模拟接地装置（14）进行冲击放电试验，并测量模拟接地装置（14）总注入电流或模拟接地装置（14）的待测点的轴向电流，要求每两次冲击放电试验的时间间隔为2～4分钟；

(4) 数据计算处理

第(3)步完成后，当计算模拟接地装置（14）的冲击接地阻抗时，根据第(3)步宽频数字示波器（12）上显示的作用在模拟接地装置（14）上的冲击电流波形和模拟接地装置（14）上的冲击电压波形，读取冲击电流i_c的幅值I_p和冲击电压u_c的幅值U_p，并利用表达式③计算模拟接地装置（14）的冲击接地阻抗；

  Z_i=U_p/I_p                                             ③

在不改变冲击电流和穿芯式电流传感器（15）布置位置的前提下重复进行5次测量，因此在测量一次冲击接地阻抗后，返回第(3)步，再次触发冲击电流发生器（1）放电并根据宽频数字示波器（12）记录的冲击电流和冲击电压波形读取冲击电流i_c的幅值I_p和冲击电压u_c的幅值U_p，根据表达式③计算模拟接地装置（14）的冲击接地阻抗，如此反复5次，获得同一模拟接地装置（14）的5个冲击接地阻抗，舍弃5个值中的最大值和最小值，对其余3个冲击接地阻抗求平均，此平均值即为此冲击电流作用下模拟接地装置（14）的冲击接地阻抗，如继续测量其他幅值冲击电流作用下模拟接地装置（14）的冲击接地阻抗，则首先返回第(1)步调节脉冲电容器组（8）的充电电压，然后进入第(2)步连接试验线路，最后循环进行第(3)步和第(4)步，根据宽频数字示波器（12）测量到的电流和电压数据计算此幅值的冲击电流作用下模拟接地装置（14）的冲击接地阻抗；

当计算模拟接地装置（14）的冲击散流规律时，则根据第(3)步测得的各个轴向电流待测点的轴向电流幅值，计算模拟接地装置（14）各段导体表面的散流大小，试验中首先将穿芯式电流传感器（15）套装在编号为m的轴向电流待测点处，然后依次完成第(2)步、第(3)步，根据宽频数字示波器（12）上显示的m点处的轴向电流波形，读取其幅值I_m，在不改变冲击电流波形、幅值和穿芯式电流传感器（15）布置位置的前提下重复进行5次测量，每2次测量间隔至少3分钟，最后舍弃5个测量值中的最大值和最小值，对剩下的3个测量值求平均，此平均值即作为轴向电流待测点m处的电流幅值，测量得到轴向电流待测点m处的电流幅值后，在不改变冲击电流波形、幅值的前提下，改变穿芯式电流传感器（15）的布置位置，将其套装在轴向电流待测点(m+1)处，重复上述试验步骤，得到点(m+1)的轴向电流幅值，通过不断的改变穿芯式电流传感器（15）的位置，测量其余各个轴向电流待测点的轴向电流幅值，直到获得模拟接地装置（14）上所有轴向电流待测点的轴向电流幅值；

在测量到模拟接地装置（14）上所有待测点的轴向电流幅值后，利用两个相邻待测点m、m+1处的轴向电流幅值分别为I_m、I_m+1来计算点m和点m+1间导体段的表面散流的幅值为：

                                                                                           ④

在计算出模拟接地装置（14）所有导体段的表面散流值后，即获得了模拟接地装置（14）在此冲击电流作用下的冲击散流规律。