土壤冲击放电的X射线数字影像特征及接地装置暂态性能研究

摘要

接地装置良好的散流性能是降低输电线路及杆塔雷击事故的重要保障，对接地装置冲击特性的准确评估是输电线路和杆塔防雷计算的基础工作。现有的研究表明，土壤冲击放电现象是影响接地装置冲击特性的重要因素，采用特定值的集中参数电阻来模拟是不准确的。然而，由于受到观测手段的限制，对土壤冲击放电现象的研究进展缓慢。因此，有必要对土壤冲击放电现象进行系统的分析、研究，并将其考虑到接地装置的冲击特性评估中。在上述的研究背景下，并考虑当前土壤冲击放电研究的瓶颈，本文开展了采用 X射线数字成像技术的土壤冲击放电特性的研究，提出了基于土壤冲击放电影像特征的土壤临界击穿场强、放电区域剩余电阻率的计算方法，探讨了土壤冲击击穿机理，并提出考虑土壤放电特性电参数动态变化的接地装置暂态性能计算模型。论文的主要研究工作如下：
　　①提出采用X射线数字成像技术的土壤冲击放电观测方法，获得了接地装置冲击散流多视角影像，并提出了 X射线透射成像观测土壤放电区域的规范试验方法。采用本文提出的观测方法，可以实现土壤冲击放电区域影像的高效采集，得到了高清晰度、可后处理的数字影像结果。更重要的是，该观测方式采用的是非介入式的成像技术，在成像过程中保证了对土壤冲击放电过程的无干扰性。
　　②针对土壤放电区域的影像特点，研究了接地装置冲击散流下土壤放电影像的预处理技术，研究了图像滤波技术、边界提取方法以及土壤放电区域的三维图像重构方法，提出了描述土壤放电区域特征的最大放电区域面积、最大等效空气厚度以及三维放电区域体积等影像特征参量。开展了冲击电流波形、土壤参数以及电极型式对土壤放电区域特性影响的模拟试验研究，得到了冲击电流幅值、土壤电阻率以及电极结构对土壤冲击放电特性的影响规律。结果表明，最大放电区域面积S0和放电区域体积V随冲击电流幅值的增加而变大，随土壤电阻率的增加而减小；最大等效空气厚度 T随冲击电流幅值的增加，呈现先增大后减小的变化规律，随土壤电阻率增大而减小。相同条件下的垂直接地极较水平接地极，其最大放电区域面积及放电区域体积均更大，说明垂直接地型接地极散流的效率是优于水平型接地极的。研究了影像特征量和传统测量电参数之间的相关关系，提出基于影像特征量的接地装置冲击散流性能评估方法。
　　③根据土壤放电区域影像特征，提出了区别于传统对称模型的二分区土壤放电模型。在此基础上，提出了采用放电区域三维形貌与有限元方法的土壤放电特性电参数反演方法，实现了基于真实土壤放电区域的土壤临界击穿场强Ec与剩余电阻率ρres的准确计算。采用模拟试验与数值仿真相结合的方法，研究了包括土壤含水量、土壤含盐量和土壤紧密度等关键因素对土壤放电特性电参数影响规律。结果表明，不同条件下的Ec的值在115.57kV/m~268.75kV/m之间，ρres的值介于金属电阻率与7％ρ0之间。随着土壤含水量的增加，Ec呈先减小后增大最终趋于饱和的变化规律；随着含盐量的增加，Ec逐渐减小并最终趋于饱和；随着土壤紧密度的增加，Ec逐渐增大；随着初始电阻率的增大，ρres逐渐减小并趋于饱和。提出了土壤放电特性电参数动态变化模型。根据土壤冲击放电过程中放电区域在不同时刻的变化过程，探讨了土壤的冲击击穿过程。
　　④从麦克斯韦方程组的微分形式出发，考虑土壤放电特性电参数的动态变化，建立了计及土壤放电特性电参数变化特性的接地装置暂态性能有限元计算模型，将本章模型计算结果与文献中电路法计算结果、试验测量结果以及传统有限元法计算结果进行了对比，并利用本文的有限元模型对典型接地极结构的冲击散流性能进行了仿真分析，比较仿真计算结果与模拟试验结果，验证了本文提出的暂态模型在计算接地装置冲击特性时的准确性。

目录

1 绪 论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要研究内容

2 土壤冲击放电过程的X射线数字成像观测方法

2.1概述

2.2 土壤冲击放电过程观测原理

2.3 土壤冲击放电的X射线数字成像观测平台

2.4 土壤样品制备与规范试验方法

2.5 土壤冲击放电的X射线数字成像结果

2.6 本章小结

3 冲击电流下土壤放电的影像特征及影响因素研究

3.1概述

3.2 土壤冲击放电区域特征量提取

3.3 雷电流幅值对土壤冲击放电的影响分析

3.4 土壤电阻率对土壤冲击放电的影响分析

3.5 影像特征量与传统电参数的相关性分析

3.6 本章小结

4 基于影像特征的土壤放电特性电参数计算及其影响因素分析

4.1 概述

4.2 土壤放电特性电参数计算方法

4.3 土壤放电特性电参数影响因素的分析

4.4 土壤冲击击穿机理的分析

4.5 本章小结

5 考虑土壤电参数变化的接地装置暂态性能分析

5.1 概述

5.2 土壤放电过程中特征参数的变化特性

5.3 考虑土壤电参数动态变化特性的接地装置冲击特性有限元模型

5.4 接地装置暂态性能有限元分析模型的验证

5.5 典型接地极结构的冲击散流性能的分析

5.6 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间参与的科研课题