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Electrical breakdown of soil under nonlinear pulsed current spreading
摘要
在15–20 kV电压脉冲下，进行了从球形电极散布的脉冲电流和不同水分含量的硅砂电击穿演变的实验室研究。 当电流密度超过某个阈值时，观察到土壤脉冲电阻的急剧非线性下降。 然后，电离过热的不稳定性发展并导致土壤中电流收缩和等离子通道形成。 提出了确定电离阈值电场的方法。 对于类似于热击穿的较长的放电间隙，发现在湿沙中的放电会产生明显的延迟时间。
1. Introduction
高雷电感应的瞬态电流通常会在土壤中形成火花，同时会通过埋入的接地电极转移。 在这种情况下，接地连接的电气特性可能与固定的低电流[1、2]情况下的电气特性有很大差异。 迄今为止，由于两相介质中过程的复杂性和多样性，目前尚无用于描述高电流在土壤中扩散时的电击穿和等离子体通道形成的综合理论。 电击穿的引发机制及其在复杂的分散介质（如湿沙）中的发展可能与传统的先导流缆机制不同。 由于相间边界处的电场增强，电场对分散材料的影响比对均匀材料的影响要大。 电介质颗粒会影响电击穿引发和高安培电流扩散的过程。了解这些过程对于改进传输网络设备的防雷系统是必要的。 电力行业采用基于电涌敏感的微电子设备的控制和执行系统需要可靠的保护性接地系统。 利用大电流脉冲对地壳的结构进行研究需要敏锐地洞察土壤中非线性大电流的传播和电击穿演化的机理。 在文献[3]中描述了对具有磁性爆炸发生器的地壳结构的研究。
施加到接地单元的雷电感应电压直接取决于接地路径的电阻。 在初步实验中[4]，我们证明了它在施加电压低于14 kV时遵循线性欧姆定律，在该值之上出现非线性效应， 例如电离和体积电荷形成。 通常，人们会根据实验和计算得出的相对较小的低频电流通过的电阻来估算该电压。 设计防雷系统时，通常认为电流分布是均匀的。 在这个简单的模型中，火花的形成是由于掩埋电极的有效尺寸增加[5]。但是，如果等离子通道在土壤中生长，则通过受保护设备的电流的实际值可能会大大超过以这种方式计算出的值。在非常接近雷电的条件下，已经针对不同的土壤成分和水流进行了几次野外调查[6-11]。 发现土壤电阻率ρ随着电流脉冲幅度的增加而显着降低。 与接地单元的直流电阻相比，这会降低接地单元对脉冲电流通过的脉冲电阻[12-14]。 如果电流约为几kA，则可能小十倍。 如果电流超过一定值，土壤电离会在埋入电极附近开始，并以火花形成结束。 我们将电离引发所需的电场称为临界电场，并用E c表示，并带有相应的临界电流密度$j _ { \mathrm { c } } : E _ { \mathrm { c } } = \rho j _ { \mathrm { c } }$。 通常，该临界场不足以完成土壤分解。 在[5]中描述的简化模型解释了通过增加掩埋电极的有效尺寸来减小接地电阻。 如今，这种方法用于计算不同单元的接地电阻。 仅针对线性介质操作因子和最简单的电极配置，提出了一种针对电流扩展的解析解决方案。
在大电流情况下，类似于蠕变放电[2]，等离子通道可能会沿着土壤表面传播数百米。 这种放电通常发生在低电导率的土壤中，但仍未被充分研究。
接地单元的实际操作特性可能与标称值有很大不同，并且取决于电离土壤中的电流密度[2，5]。 电流密度还取决于电离开始前细颗粒湿沙中的渗透电导率[15]。 这可能会大大改变电离条件。 脉冲电流在土壤中的扩散可以在实验室实验中以接近雷电的电流密度进行研究。 因此，人们可以研究总雷击电流明显较小的典型雷击接地过程。 在过去的十年中，对几种土壤类型进行了对近地接地的电离土壤的电阻率，临界电场和临界电流的几项研究[12，13]。 在建议的理论中，这些参数取决于土壤电离区域的半径。 然而，在[2]中强调了可靠的接地操作模式的不足。当前的理论不能解释用电离半径计算出并在实验中测量的接地单元的脉冲电阻值之间的差异。 甚至在没有火花形成的情况下，土壤中电场与电流密度之间的非线性相关也是原因之一。 在粘土中经常观察到这种影响，并且难以分析。 由于电流-电压特性的初始部分几乎呈线性，因此在沙质土壤中可以很好地研究电离过程对接地电阻的影响。 伏安特性也可能是描述水蒸气[19]，长距离间隙放电[16、17]和气体微间隙放电[18]的强大工具。
本文的目的是介绍在实验室条件下，在不同湿度条件下，在15–50 kV电压脉冲下，球形电极上的脉冲电流散布以及硅砂电击穿演变的实验室实验结果。
2. Experimental setup
已应用了上升时间短（100 kVμs-1，半峰全宽5 ms（FWHM））和长上升时间（20 kVμs，0.3 ms FWHM）且振幅高达50 kV的高压（HV）脉冲 调查土壤的电流扩散和电击穿。 实验设置方案如图1所示。
实验是在装有土壤的直径60厘米的绝缘圆柱体（1）中进行的。 圆柱体的内表面覆盖有一个黄铜网（2），该铜网通过分流器R sh（0.2–4Ω）连接到高压发生器的接地箱，并用于研究电流扩散。在研究土壤破坏时，需要使用一个额外的环形电极（3）。 镇流电阻R b用于限制电流值。 HV电极（4）由直径为1 cm的杆和连接到杆头的球体组成。 球体的直径从1到6厘米不等。 在实验过程中，可将HV电极的球形部分浸入一半的直径或埋入4-7 cm深度的沙子中。 杆由玻璃管（5）绝缘，以减小其对电流扩散的影响。 在不同的湿度水平，电压脉冲幅度，脉冲持续时间和间隙空间下对湿砂进行实验。 调整土壤电阻率在4000-20Ωm范围内，水含量相应地为3-20％重量。 可以调节HV电极的位置，以便通过打开的百叶窗通过玻璃窗的摄像机获得火花通道的图像（6）。HV电极的电势用电阻欧姆分压器（7）测量。 电压和电流波形由Tektronix DPO7054C示波器记录。
这样应该是一个脉冲电压，主要研究雷电的，和工频的电压还有一点儿区别。