电阻性土壤中与放电有关的电学参数
Electrical Parameters Associated With Discharges in Resistive Soils
摘要
为了更好地了解电阻性土壤在大浪涌电流作用下的非线性行为，研究了电阻性土壤中与放电有关的电学参数。利用实验和计算方法，确定了土壤电阻率等与放电有关的参数。介电强度被发现是土壤含水量的函数，排泄引导场也是如此。测量了起始电流，实验结果与计算值吻合较好。
1. 引言
研究接地电极的土壤电离和放电过程的重要性主要是由于这些非线性现象降低了接地系统在大电流放电时的电阻。
尽管存在这种效应的实际后果，但目前对电阻性介质放电电学参数的实验数据很少，而且不同作者发表的参数之间的不同意见使得它们的值之间的比较成为一项相当困难的任务。
这就是为什么在提出评估程序之前，我们决定定义与可变电阻率土壤中的放电有关的最重要参数，例如介电强度、初始电流和放电导向场。为了阐明各参数在接地系统暂态电阻中的作用，提出了一套调节土壤流量参数的实验数据。
所有这些关键参数使我们能够更好地了解电阻性土壤中电放电的形成和发展。精确掌握这些参数有助于改善接地系统的设计，例如减少电力系统和建筑物的保护装置或对电磁干扰敏感的设备上的闪电所产生的沿海地区的暂态电阻。
整个实验测试是在实验室中进行的，使用小样本的电阻性土壤和浓缩电极。
2. 土壤电阻率的测定
土壤电阻率对接地系统的电阻起着决定性的作用。为了研究土壤中的电离现象，用浓缩电极进行了试验。由于接地电极极短，其感应行为可以忽略[12] ，因此接地电极周围的电场分布主要取决于土壤的电阻率和电流密度。
在这项研究中，考虑了大范围的电阻率，在50到500000Ωm之间。
提出了两种测定土壤电阻率的实验方法，这些土壤的特性如下:
- 其中石英占82.8% ，钾长石占2.9% ，石灰石占7.2% ，碳酸钙占3.1% ，云母占0.9% ，黑云母占2.4% ，磁铁矿占0.7% ;
- 黑色粘土;
- 由砂(50%)和粘土(50%)制成的混合物;
- 混凝土由$4.8dm^3$砂土，$1.6dm^3$水泥和$1dm^3$水组成。
经验中使用的土壤含水量按重量计约为0.06% 至15% 不等。
2.1 均匀电场法
实验是在平面对平面的间隙中进行的。电极表面为$72.4cm^2$，为了保持电场的均匀性，电极之间的距离不能超过1cm。
在所有的实验中，所使用的Marx发生器(600kV，4kJ)以8us个前沿时间(通常是第一次击穿雷电电流的时间)提供电流脉冲。快速电阻式分压器可以测量电压随时间的变化。电流测量采用与地平面串联的时间常数为0.35us的0.18Ω同轴分流器。
图1显示了含有未知电阻率沙子的系统的电压、电流和电阻的时间演化。
在这个例子中，仔细检查电压和电流记录，就会发现没有脉冲放电发展到缝隙中。因此，接地系统的电阻$R_t$定义为外加电位与阻性电流之比(线性条件)。但是测量到的电流$I$由阻性电流$I_r$和电容电流$I_c$的给出
\[I = Ir + Ic = Ir + C \frac { d U } { d t } \tag{1}\]因此，为了忽略电容电流，$dU/dt = 0$确定了$R_t$的值。
知道这一电阻后，就可以使用众所周知的公式计算土壤电阻率。
\[R _ { t } = \rho \times \frac { d } { S } \tag{2}\]我们得到
$\rho = 1600 \Omega \cdot m$
计算了几个电压等级的电阻率，最高可达8kV(超过此值，放电进入间隙并导致击穿)。看起来沙子的电阻率在这个电压范围内是恒定的。粘土和50%砂50%粘土的混合物也是如此。此外，混凝土的性能完全不同，如图2所示。
混凝土的电阻率随外加电场的增大而减小，表现出非线性。
虽然测量的土壤电阻率(砂、粘土和混合物)在8kV以下保持不变，但这种方法不允许在较高电压下评估这一特性。
为了阐明这一重要课题，我们提出了一种实验方法，用于测量高电压下土壤的电阻率。