專利名稱：土壤電離的臨界電場強度估計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種土壤電離的臨界電場強度估計方法，尤其涉及一種在測試土壤區(qū)域直接開展而無需破壞土壤自然特性的土壤電離的臨界電場強度估計方法。
背景技術：
接地系統(tǒng)的沖擊響應不同于工頻電流情況下的響應，當接地系統(tǒng)周圍土壤中的電場強度超過臨界電場強度E。時，土壤將開始電離，同時土壤電阻率減小，進而導致沖擊電阻減小。因此土壤電離臨界電場強度對于研究接地系統(tǒng)性能、全空間電磁場分布至關重要。故而該專利將可以為通信、能源等部門的埋地線路、管道等地下設置的防雷系統(tǒng)設計及施工提供重要參考數(shù)據(jù)。前人的研究成果給出了很多關于臨界電場強度E。的參考值和范圍。Oettle建議E。值取為lMV/m，對于含水量較高的土壤為600-800kV/m。Mousa認為應將其更改為600-1850kV/m,考慮到野外土壤環(huán)境的非均勻性，建議含水量較高的土壤為300_400kV/m。此外，Mousa和Liew均認為對于典型土壤的臨界電場強度可認為是300kV/m。然而，顯而易見，土壤臨界電場強度E。會隨著土壤類型的變化而變化，即便是同一土壤，隨著含水量、溫度、季節(jié)等因素的變化亦會有所改變，因此，只有參考值和范圍顯然不夠。因此，學者們開展了確定土壤臨界電場強度方法的研究。Gonos和Stathopulos研究了 E。針對土壤電阻率的變化。N. MohanmadNor等構建脈沖電流測試電路，通過分析V-1曲線形成的封閉環(huán)來判斷和獲取E。。T. K. Manna和P. Chouhuri針對多種土壤進行了實驗,總結出估算各種土壤臨界電場強度E。的公式。F. E. Asimakopoulou等分析了土壤電離的不確定因素，并給出了考慮這些不確定因素情況下，臨界電場強度的擊穿電壓估計。傳統(tǒng)的土壤電離的臨界電場強度的測試，都是搭建實驗測試電路，將土壤采集后進行測試，以獲取土壤電離的臨界電場強度，這樣會導致土壤的自然特性，如含水量、溫度、土壤致密度等，遭到嚴重破壞，因此，即便是在測試電路中得到很精確的測量，獲得很準確的數(shù)據(jù)，此時該數(shù)據(jù)也難以反映自然環(huán)境下土壤臨界電場強度的真實情況；而且，當實驗測試電路中土壤只是發(fā)生了微弱的電離，則該類方法難以發(fā)現(xiàn)，也就是說，必須在土壤發(fā)生較大程度的電離時才能得到電流或電壓這類電信號的變化，然而此時土壤中的電場強度已經(jīng)比實際臨界電場強度大，因此也會導致明顯的誤差。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就在于解決上述問題而提供一種在測試土壤區(qū)域直接開展而無需破壞土壤自然特性的土壤電離的臨界電場強度估計方法。為了達到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術方案本發(fā)明所述土壤電離的臨界電場強度估計方法，包括以下步驟(I)選定測試區(qū)域；(2)在該測試區(qū)域內搭建對地放電回路；
(3)選定一個放電接地位置和一個測試位置，在放電接地位置設置放電接地電極，在測試位置設置兩個測試電極，兩個測試電極之間的距離小于對地放電的脈沖電源所含主信號帶寬中所對應的上限頻率的波長的十分之一；(4)利用對地放電的脈沖電源和對地放電回路實施對地放電；(5)采集兩個測試電極之間的電壓；(6)根據(jù)以下公式計算該位置的電場強度E :E=AU/d，其中，AU表示采集得到的兩個測試電極之間的電壓，d表示兩個測試電極之間的距離；(7)連續(xù)獲取該位置不同時刻的電場強度，并根據(jù)電場強度由大到小突變時的最大電場強度絕對值所對應的時間確定放電接地位置土壤電離的大概時間；
(8)根據(jù)放電接地電極與兩個測試電極中最接近的測試電極之間的距離計算電流由放電接地電極到達最接近的測試電極所需的延遲時間；(9)根據(jù)第(7)步驟的大概時間和第(8)步驟的延遲時間確定放電接地位置土壤電離的準確時間；(10)測量測試區(qū)域土壤的電導率、磁導率和介電常數(shù)，在此基礎上根據(jù)麥克斯韋方程計算放電接地電極整個放電時間段內每一時刻的最大電場強度并制作二維曲線，根據(jù)該曲線和放電接地位置土壤電離的準確時間確定放電接地位置土壤電離的臨界電場強度；(11)判斷是否選定測試區(qū)域內的下一個測試位置，如果選擇，則選定下一個測試位置，然后重復步驟(3) - (10),如果不選擇，則進入下一步驟；(12)計算不同測試位置時放電接地位置土壤電離的臨界電場強度的平均值，獲得放電接地位置的土壤電離的臨界電場強度，并作為測試區(qū)域的土壤電離的臨界電場強度，結束。應用中，由于本發(fā)明采用直接在土壤中插入測試電極的方式，不需采集土壤，所以對土壤沒有任何破壞，能夠更加真實地測試土壤電離的臨界電場強度。通過計算電流從測試電極到測試點所需的延遲時間，并從總時間中減去延遲時間，以克服電流傳輸時間帶來的誤差。作為優(yōu)選，所述步驟(3)中，設置兩個測試電極的方法為以放電接地電極為圓心、以放電接地電極與兩個測試電極中最接近的第一個測試電極之間的距離為半徑作圓，第二個測試電極置于沿第一個測試電極在該圓周上所做的切線上；兩個測試電極之間的距離為O. 061m，對地放電的脈沖電流為8/20 μ s脈沖電流；放電接地電極與兩個測試電極中最接近的測試電極之間的距離為1.83m。所述步驟(7)中，電場強度絕對值由大到小突變的認定方法為當波峰值減去波谷值的突變范圍不小于波峰值的20%即認定為發(fā)生突變。所述步驟(8)中，計算電流由放電接地電極到達最接近的測試電極所需的延遲時間的公式為
mI—/)= — = /" X 'I με
V上述公式中，&表示延遲時間，m表示放電接地電極與兩個測試電極中最接近的測試電極之間的距離，V表示土壤中傳導電流的速度，μ表示土壤磁導率，ε表示土壤介電常數(shù)。所述步驟(9)中，確定該位置土壤電離的準確時間的方法為步驟(7)的大概時間減去步驟(8)的延遲時間，即得準確時間。所述步驟(2)中，對地放電的脈沖電源的上升沿盡可能緩慢。脈沖電源的上升沿變化越緩，越有利于提聞臨界電場強度的估算精度。本發(fā)明的有益效果在于采用本發(fā)明在土壤區(qū)域直接開展測試而無需破壞土壤自然特性，能夠更加準確地估算土壤電離的實時臨界電場強度；由于克服了電流從測試電極傳輸?shù)綔y試點所帶來的誤差，所以本發(fā)明的估算精度高，高精度臨界電場強度的獲取將為研究 接地系統(tǒng)性能、全空間電磁場分布提供重要數(shù)據(jù)。


圖1是本發(fā)明所述土壤電離的臨界電場強度估計方法的總體流程圖；圖2是本發(fā)明實施例中對地放電回路及測試電極的分布示意圖；圖3是本發(fā)明實施例中O. 6 μ s內的測試位置A 土壤電離的電場強度走勢圖；圖4是本發(fā)明實施例中O. 6 μ s內的測試位置B 土壤電離的電場強度走勢圖；圖5是本發(fā)明實施例中根據(jù)理論計算出的O. 6μ s內測試區(qū)域土壤中的最大電場強度走勢圖以及測試位置Α、Β 土壤電離的臨界電場強度對應關系示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步具體描述根據(jù)選定的測試區(qū)域的大小不同，以及該區(qū)域土壤特性的差異，本發(fā)明可以有多種不同的實施例，下面對一個應用較多的優(yōu)選實施例進行具體說明，但并非對本發(fā)明技術方案的限制。實施例如圖1和圖2所示，按以下步驟操作(I)選定測試區(qū)域；(2)在該測試區(qū)域內搭建對地放電回路I ;(3)選定一個放電接地位置和一個測試位置，在放電接地位置將放電接地電極2插入土壤內，在測試位置A將第一測試電極4和第二測試電極5插入土壤內，插入深度為O. 61m ;脈沖電源6產(chǎn)生8/20 μ s脈沖電流，第一測試電極4和第二測試電極5之間的距離為O. 061m,以放電接地電極2為圓心、以放電接地電極2與兩個測試電極中最接近的第一測試電極4之間的距離1. 83m為半徑作圓，第二測試電極5置于沿第一測試電極4在該圓周上所做的切線上；脈沖電源6在本實施例中采用脈沖電流源，除此而外也可采用脈沖電壓源；(4)利用對地放電的脈沖電源6和對地放電回路I實施對地放電；(5 )采集第一測試電極4和第二測試電極5之間的電壓，采集電壓用測試位置A的不波器3 ；(6)根據(jù)以下公式計算測試位置A的電場強度E :Ε= Λ U/d，其中，AU表示采集得到的第一測試電極4和第二測試電極5之間的電壓，d表示第一測試電極4和第二測試電極5之間的距離即O. 061m ；(7)連續(xù)獲取測試位置A不同時刻的電場強度，測試位置A 土壤電離的電場強度走勢見圖3所示，根據(jù)電場強度由大到小突變時的最大電場強度所對應的時間確定放電接地位置土壤電離的大概時間即O. 29483 μ s ;電場強度絕對值由大到小突變的認定方法為當波峰值減去波谷值的突變范圍不小于波峰值的20%即認定為發(fā)生突變，圖3所示突變范圍已達到60%左右，因此認定圖中的電場強度發(fā)生了突變；(8)根據(jù)放電接地電極2與第一測試電極4之間的距離計算電流由放電接地電極2到達第一測試電極4所需的延遲時間&/7 = = \.^3χΛ[με = 6.1X IO-9Ji
V上述公式中，V表示土壤中傳導電流的速度，μ表示土壤磁導率，ε表示土壤介電常數(shù)，這些數(shù)據(jù)可通過現(xiàn)有測量方法事先獲知；(9)根據(jù)第(7)步驟的大概時間和第(8)步驟的延遲時間確定放電接地位置土壤電離的準確時間，具體為步驟(7)的大概時間O. 29483減去步驟(8)的延遲時間O. 0061，即得準確時間O. 28873 μ s ；(10)根據(jù)理論計算測試區(qū)域的O. 6μ s內各時刻土壤中電場強度的最大值并制作二維曲線，得到的二維曲線見圖5所示，根據(jù)該曲線和土壤電離的準確時間確定土壤電離 的臨界電場強度如圖5所示，上部的電場強度即依據(jù)測試位置A確定的放電接地位置土壤電離的臨界電場強度Et_maxA =1. 1079X 105V/m ;計算該位置的各時刻電場強度的最大值的理論為通過已有技術手段獲取測試區(qū)域土壤的電導率、磁導率和介電常數(shù)，在此基礎上根據(jù)麥克斯韋方程計算放電接地電極2整個放電時間段內每一時刻對應的步驟4中由所做半徑為1. 83m的圓、深度為Im的區(qū)域內的最大電場強度，說明由于放電接地電極2埋地深度為O. 61m，所以在該理論計算中深度取為Im ；(11)判斷是否選定下一個測試位置，如果選擇，則選定下一個測試位置，然后重復步驟(3) - (10)，如果不選擇，則進入下一步；本實施例選擇下一個測試位置B，重復步驟
(3)- (10)，放電接地位置土壤電離的電場強度走勢見圖4所示，根據(jù)電場強度由大到小突變時的最大電場強度所對應的時間確定放電接地位置土壤電離的大概時間即O. 29460 μ S，放電接地位置土壤電離的準確時間準確時間為O. 29460-0. 0061=0. 28896 μ S，如圖5所示，下部的電場強度即依據(jù)測試位置B確定的放電接地位置土壤電離的臨界電場強度Et_maxA=l. 107X 105V/m，其它測試過程在此不再贅述；(12)計算依據(jù)測試位置A和測試位置B確定的放電接地位置土壤電離的臨界電場強度的平均值，即將依據(jù)測試位置A和測試位置B確定的放電接地位置土壤電離的臨界電場強度相加再除以2，最后獲得該區(qū)域的土壤電離的臨界電場強度E =(1. 107X 105+1. 107XL 1079X 105) +2=1. 10745 X 105，結束。最后，對上述實施例所得結果進行驗證，該區(qū)域土壤電離的實際臨界電場強度為Ec=L I X 105V/m,最終估計臨界電場強度E=L 10745 X 105V/m,與實際臨界電場強度Ec=L lX105V/m之間相差O. 00745X 105V/m，百分比為O. 68% ;依據(jù)測試位置A確定的放電接地位置的估計臨界電場強度Et_maxA=l. 1079X 105V/m，與實際臨界電場強度Ec=L I X IO5V/m之間相差O. 0079X 105V/m，百分比為O. 72% ;依據(jù)測試位置B確定的放電接地位置的估計臨界電場強度Et_maxA=l. 107X 105V/m，與實際臨界電場強度Ec=L I X 105V/m之間相差O. 007X 105V/m，百分比為O. 64%?？傮w的估計精度很高。 結合圖2，將四種土壤即Soil A (多沙輕粘土)、Soil B (沙和砂礫混合土壤)、F(粘土)、M (沙)分別進行測試，四種土壤的土壤參數(shù)及對臨界電場強度的估計誤差見下表所示
權利要求
1.一種土壤電離的臨界電場強度估計方法，其特征在于包括以下步驟 (1)選定測試區(qū)域； (2)在該測試區(qū)域內搭建對地放電回路； (3)選定一個放電接地位置和一個測試位置，在放電接地位置設置放電接地電極，在測試位置設置兩個測試電極，兩個測試電極之間的距離小于對地放電的脈沖電源所含主信號帶寬中所對應的上限頻率的波長的十分之一； (4)利用對地放電的脈沖電源和對地放電回路實施對地放電； (5)采集兩個測試電極之間的電壓； (6)根據(jù)以下公式計算該位置的電場強度EΕ= Δ U/d，其中，Λ U表示采集得到的兩個測試電極之間的電壓，d表示兩個測試電極之間的距離； (7)連續(xù)獲取該位置不同時刻的電場強度，并根據(jù)電場強度由大到小突變時的最大電場強度所對應的時間確定放電接地位置土壤電離的大概時間； (8)根據(jù)放電接地電極與兩個測試電極中最接近的測試電極之間的距離計算電流由放電接地電極到達最接近的測試電極所需的延遲時間； (9)根據(jù)第(7)步驟的大概時間和第(8)步驟的延遲時間確定放電接地位置土壤電離的準確時間； (10)測量測試區(qū)域土壤的電導率、磁導率和介電常數(shù)，在此基礎上根據(jù)麥克斯韋方程計算放電接地電極整個放電時間段內每一時刻的最大電場強度并制作二維曲線，根據(jù)該曲線和放電接地位置土壤電離的準確時間確定放電接地位置土壤電離的臨界電場強度； (11)判斷是否選定測試區(qū)域內的下一個測試位置，如果選擇，則選定下一個測試位置，然后重復步驟(3) - (10),如果不選擇，則進入下一步驟； (12)計算不同測試位置時放電接地位置土壤電離的臨界電場強度的平均值，獲得放電接地位置的土壤電離的臨界電場強度，并作為測試區(qū)域的土壤電離的臨界電場強度，結束。
2.根據(jù)權利要求1所述的土壤電離的臨界電場強度估計方法，其特征在于所述步驟(3)中，設置兩個測試電極的方法為以放電接地電極為圓心、以放電接地電極與兩個測試電極中最接近的第一個測試電極之間的距離為半徑作圓，第二個測試電極置于沿第一個測試電極在該圓周上所做的切線上。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的土壤電離的臨界電場強度估計方法，其特征在于所述步驟(3)中，兩個測試電極之間的距離為O. 061m，對地放電的脈沖電流為8/20μ s脈沖電流；放電接地電極與兩個測試電極中最接近的測試電極之間的距離為1.83m。
4.根據(jù)權利要求1所述的土壤電離的臨界電場強度估計方法，其特征在于所述步驟(7)中，電場強度絕對值由大到小突變的認定方法為當波峰值減去波谷值的突變范圍不小于波峰值的20%即認定為發(fā)生突變。
5.根據(jù)權利要求1所述的土壤電離的臨界電場強度估計方法，其特征在于所述步驟(8)中，計算電流由放電接地電極到達最接近的測試電極所需的延遲時間的公式為
6.根據(jù)權利要求1所述的土壤電離的臨界電場強度估計方法，其特征在于所述步驟(9)中，確定該位置土壤電離的準確時間的方法為步驟(7)的大概時間減去步驟(8)的延遲時間，即得準確時間。
7.根據(jù)權利要求1所述的土壤電離的臨界電場強度估計方法，其特征在于所述步驟(2)中，對地放電的脈沖電源的上升沿盡可能緩慢。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種土壤電離的臨界電場強度估計方法，包括以下步驟選定測試區(qū)域；搭建對地放電回路；設置對地放電電極和測試電極；對地放電；采集兩個測試電極之間的電壓；計算該位置的電場強度；確定該位置土壤電離的大概時間；計算電流達到測試點所需的延遲時間；確定該位置土壤電離的準確時間；確定該位置的土壤電離的臨界電場強度；判斷是否選定下一個測試位置，如果選擇，則選定下一個測試位置，然后重復上述步驟，如果不選擇，則計算不同位置的土壤電離的臨界電場強度的平均值，獲得該區(qū)域的土壤電離的臨界電場強度，結束。采用本發(fā)明在土壤區(qū)域直接開展測試而無需破壞土壤自然特性，能準確地估算土壤電離的實時臨界電場強度。
文檔編號G01R29/12GK103018579SQ20121053912
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月13日 優(yōu)先權日2012年12月13日
發(fā)明者劉昆 申請人:成都遠望科技有限責任公司, 成都信息工程學院, 劉昆