改善雷電壓沖擊土體中電壓降分布模擬試驗(yàn)

饒平平,　劉　洋,　劉　彬

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上?！?00093; 2.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系,杭州　311231)

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改善雷電壓沖擊土體中電壓降分布模擬試驗(yàn)

饒平平1,劉洋1,劉彬2

(1.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院,上海200093; 2.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系,杭州311231)

摘要：對(duì)接地體在不同含水率土體中進(jìn)行雷電壓沖擊特性模擬試驗(yàn),分析不同含水率土體對(duì)應(yīng)的沖擊電壓響應(yīng)波形特征,得到了不同含水率下的沖擊電壓降分布規(guī)律.試驗(yàn)結(jié)果表明:在單一含水率的土體中,電壓降呈現(xiàn)出兩端多、中部少的分布規(guī)律,其中輸入端電壓降最大;隨著土體含水率的增加,輸入端電壓降比值減小.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,提出了通過提高土體局部含水率以改善接地體沖擊電壓降分布規(guī)律的措施.改善后的試驗(yàn)結(jié)果表明,沖擊電壓下輸入端土層含水率的提高能夠明顯改善電壓降的分布,主要表現(xiàn)在輸入端電壓降比值顯著降低,且輸入端土層含水率越大,效果越明顯.

關(guān)鍵詞：沖擊電壓; 土體含水率; 電壓降; 端部效應(yīng)

雷電是一種靜電放電現(xiàn)象,當(dāng)雷云與大地之間的電場強(qiáng)度增加到一定時(shí),就會(huì)在雷云與大地之間進(jìn)行放電,即形成雷擊[1].雷電沖擊電流通過接地裝置向巖土體流散,接地裝置的沖擊特性決定建筑物的防雷保護(hù)效果,而接地裝置的沖擊特性與接地裝置周圍巖土體的雷電沖擊特性密切相關(guān),因此有必要對(duì)巖土體在大電流、高電壓下的沖擊特性進(jìn)行研究.已經(jīng)開展的土體擊穿特性試驗(yàn)側(cè)重于研究土體的臨界擊穿場強(qiáng)[2-4]和土體的電離對(duì)接地裝置沖擊接地性能的影響[5-7],利用有限元分析法對(duì)土體動(dòng)態(tài)電離的非線性問題進(jìn)行模擬,得出電離區(qū)域沿接地體分布的不均勻性.除了理論計(jì)算研究外,部分學(xué)者利用真型試驗(yàn)和模擬試驗(yàn)的方法研究沖擊電流入地后地中電場的分布特性.相關(guān)試驗(yàn)研究表明,接地體上沖擊電流和電壓的分布主要集中在接地體端部[8-10],且通過改變接地體的結(jié)構(gòu)和長度可以改善接地體沖擊散流時(shí)的地中電場分布[11-12],達(dá)到保護(hù)人身和電氣設(shè)備的目的.

本文以上海地區(qū)典型軟土為例,利用雷電沖擊電壓發(fā)生器以及自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置,對(duì)不同含水率土體進(jìn)行雷電壓沖擊試驗(yàn),研究不同含水率條件下土體沖擊電壓降分布規(guī)律.并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,從改善接地體沖擊電壓降分布規(guī)律角度進(jìn)行了試驗(yàn)研究.

1試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)裝置

在室內(nèi)試驗(yàn)中,電壓沖擊試驗(yàn)裝置為雷電沖擊電壓發(fā)生器,主要包括脈沖電容器、電壓傳感器、調(diào)波電阻、調(diào)波電感、銅球放電器、數(shù)字示波器以及控制操作平臺(tái).其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.本次試驗(yàn)選擇1.2/50μs標(biāo)準(zhǔn)脈沖電壓波形,輸出開路電壓最大峰值15kV,最大輸出能量為3kJ.土樣模型盒采用有機(jī)鋼化玻璃制作,尺寸為30cm×20cm×20cm(長×寬×高),如圖2所示.試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃幸欢溯斎腚妷?另一端接地,在土盒一側(cè)有5個(gè)金屬接口,各接口間距為5cm,通過這5個(gè)接口可測得離輸入端不同距離處的輸出電壓值.

圖1　雷電沖擊電壓發(fā)生器示意圖

圖2　試驗(yàn)土盒及示意圖

1.2試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣取自上海外灘典型淤泥質(zhì)粘土[13],原狀土的基本物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示.試驗(yàn)土樣運(yùn)回試驗(yàn)室后,將土樣烘干、碾碎、過篩,依次配置含水率為10%,20%,30%.

1.3試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過程中,對(duì)土體進(jìn)行雷電壓沖擊試驗(yàn)時(shí),首先對(duì)沖擊電壓發(fā)生器的電容器組充電,充電結(jié)束后觸發(fā)銅球間隙放電,使沖擊電壓流過試驗(yàn)土體內(nèi),通過電壓傳感器獲取各個(gè)接口的電壓波形,并通過電纜信號(hào)線輸入數(shù)字示波器.通過分析各接口輸出電壓峰值,得到?jīng)_擊電壓在土體中的電壓降分布規(guī)律.通過試驗(yàn)結(jié)果,分析影響分布規(guī)律的因素,并通過改變部分參數(shù)的方法來改善試驗(yàn)結(jié)果.實(shí)測數(shù)據(jù)顯示,雷電對(duì)大地放電多為負(fù)極性脈沖波[14],故本文雷電沖擊試驗(yàn)采用負(fù)極性電壓,得到的電壓值為負(fù)值.

表1　粘土物理力學(xué)性質(zhì)

2沖擊電壓降試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)測得土體含水率10%,20%,30%所對(duì)應(yīng)的電阻率分別為66.7,21.9,5.3Ω·m,即隨著含水率的增大,土體電阻率逐漸減小.其原因在于隨著含水率的逐漸增大,土體漸趨飽和,土體孔隙與土顆粒表面的電阻率小,從而引起土體的電阻率也逐漸減小.分別在土體含水率為10%,20%,30%的情況下,進(jìn)行水平接地體電壓沖擊特性的試驗(yàn)研究,并考察沖擊電壓幅值變化(8,10,15kV)對(duì)電壓降分布的影響.不同含水率的土體沖擊電壓響應(yīng)曲線如圖3所示.再以每5cm作為一個(gè)導(dǎo)體段,將各導(dǎo)體段兩端電壓峰值之差除以總電壓降做為各段導(dǎo)體的相對(duì)電壓降比值,其分布如圖4所示.

圖3　不同含水率的土體沖擊電壓響應(yīng)曲線

圖4　不同含水率的土體沖擊電壓降分布規(guī)律

由圖3可以看出,由于施加在土體上的沖擊電壓是時(shí)變函數(shù),土體響應(yīng)電壓也隨之呈現(xiàn)時(shí)變特征,沖擊電壓放電在很短的時(shí)間內(nèi)電壓上升到最大值,電壓消散時(shí)間接近250μs,雷電沖擊土體電壓波形具有陡上升和緩下降的特征.在土體含水率相同的情況下,輸入的電壓值越高,得到的電壓波形的峰值越大.在輸入電壓值相同的情況下,對(duì)比分析不同含水率土體對(duì)應(yīng)的沖擊電壓響應(yīng)波形.當(dāng)輸入電壓為8kV時(shí),土體含水率10%,20%,30%對(duì)應(yīng)的峰值電壓分別為-4.6,-5.7,-5.8kV;當(dāng)輸入電壓為10kV時(shí),土體含水率10%,20%,30%對(duì)應(yīng)的峰值電壓分別為-5.8,-6.6,-7.0kV;當(dāng)輸入電壓為15kV時(shí),土體含水率10%,20%,30%對(duì)應(yīng)的峰值電壓分別為-8.9,-10.0,-10.6kV.由此可見,在同一輸入電壓下,隨著含水率的增大,輸出電壓波形峰值也增大.這是因?yàn)橥馏w是典型的多孔介質(zhì),一般來說,土體固相與氣相成分屬于非導(dǎo)電粒子.當(dāng)土體含水率不斷增大時(shí),土體顆粒表面逐漸形成連續(xù)的含水通道,電流通常沿著含水通道擊穿,含水率越大的土體,電阻率越小,電壓通過時(shí)的電壓降也越小.

由圖4可以看出,3種含水率的土體在沖擊雷電壓作用下沿接地體的電壓降分布都是不均勻的,且靠近接地體電壓輸入端導(dǎo)體段電壓降偏大,遠(yuǎn)離輸入端也略大,呈現(xiàn)出明顯的兩端多、中間少的規(guī)律.在圖4(a)中,0-1段導(dǎo)體電壓降比值接近45%;在圖4(b)和圖4(c)中,0-1段導(dǎo)體電壓降比值為35%左右,這說明含水率越低,即土體電阻率越大,電壓降分布的不均勻程度越嚴(yán)重.由于相對(duì)低土體電阻率條件,沖擊電壓注入高土體電阻率時(shí),電流不易通過土體,使得電壓降低變大,從而導(dǎo)致高土體電阻率條件下接地體電壓降分布比低土體電阻率條件下更不均勻.對(duì)于同一種含水率土體,輸入電壓幅值變化對(duì)電壓降分布影響不大,這可能是由于本次試驗(yàn)的輸入電壓均屬于高電壓范圍.

值得注意的是,電壓降沿接地體分布呈現(xiàn)明顯的兩端多、中間少的規(guī)律,但其分布情況并不對(duì)稱,距離電壓輸入端較遠(yuǎn)端土體電壓降遠(yuǎn)比輸入端附近的電壓降小,這種接地體的電壓降不均勻分布大大降低了接地體的利用率,不利于保護(hù)人身和電氣設(shè)備的安全.

3土層含水率改變后的對(duì)比試驗(yàn)

為了使接地體在土體中的電壓降分布均勻,本文使用改變土體局部土層含水率的方法來改變土體電阻率變化,試驗(yàn)土樣為配置雙層不同含水率的土體,其含水率組合分別為20%～10%和30%～10%,沖擊電壓分別為8,10,15kV下進(jìn)行試驗(yàn).

圖5所示為試驗(yàn)土樣分布示意圖,圖中不同陰影代表不同含水率的土體.左邊部分的土體含水率為20%和30%,土層厚為7.5cm;右邊部分土體含水率為10%.電壓從左邊即含水率高的一端輸入,右端接地.試驗(yàn)測得土樣在各電壓幅值下的波形圖如圖6所示,通過輸出端口測得的各段導(dǎo)體電壓幅值,計(jì)算分析后得到電壓降分布,如圖7所示(見下頁).

由圖6可以看出,兩種組合的土樣在輸入電壓為8,10,15kV下的沖擊電壓峰值有較大的差距,其峰值分別為5.7,7.1,10.8kV和6.4,8.0,11.9kV.由此可以看出,土體局部含水率改變對(duì)土體的雷電壓沖擊特性有一定的影響,相對(duì)于圖3中的各數(shù)值,各電壓幅值都有所增大.這表明雷電壓通過局部含水率提高的土體時(shí),電壓降較小,這是由于電壓輸入端土體含水率增大,電阻率降低,雷電壓入地后,端部土體處電壓降減小.此外,降低局部土體電阻率,同樣會(huì)降低整個(gè)土體的電阻率,從而雷電壓通過土體試樣后的電壓降隨之減小.

圖5　不同含水率的土層分布示意圖

圖6　不同土層含水率的土體沖擊電壓響應(yīng)曲線

圖7為不同土層含水率的土體沖擊電壓降分布規(guī)律.由圖7(a)可以看出,0-1段導(dǎo)體電壓降比值約為30%,相對(duì)于圖4,其電壓降分布較為均勻.因?yàn)殡妷狠斎攵撕实脑黾咏档土硕瞬康碾娮杪?使得電壓通過端部土體時(shí)的電壓降減小,從而使沖擊電壓在接地體上的電壓降分布趨于均勻.在圖7(b)中,0-1段導(dǎo)體電壓降比值為20%,且其分布規(guī)律明顯比圖7(a)均勻,這是由于進(jìn)一步降低端部的電阻率,大大減小了雷電壓在輸入端土體的電壓損耗,減小了電壓降值,改善了電壓降分布規(guī)律.

圖7　不同土層含水率的土體沖擊電壓降分布規(guī)律

4結(jié)論

利用雷電沖擊電壓發(fā)生器,對(duì)土體進(jìn)行沖擊電壓模擬試驗(yàn),分析了不同含水率土體的沖擊電壓降分布,并從改變接地體周圍局部土體電阻率的角度來改善電壓降分布規(guī)律,得到如下結(jié)論:

a. 土體電壓波形具有陡上升和緩下降的特征,含水量越大,電阻率越小,沖擊電壓波形峰值也越大.

b. 在不同沖擊電壓作用下,土體在沿接地體方向上的電壓降分布都是不均勻的,靠近接地體兩端的土體電壓降偏大,且在電壓輸入端的電壓降占總電壓降比值最大,這種分布規(guī)律隨著土體電阻率的減小呈現(xiàn)得更明顯.

c. 提高電壓輸入端的土體含水率能夠改善接地體雷電壓沖擊時(shí)的電壓降分布,并使其分布趨于均勻,提高了接地體的利用率,且注入端的含水率越高,改善的效果越明顯.

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(編輯:董偉)

Simulation Test for Improving the Distribution of Voltage Drop in Soil Under the Action of Lightning Impulse

RAO Pingping1,LIU Yang1,LIU Bin2

(1.SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China; 2.DepartmentofCivilEngineering,ZhejiangCollegeofConstruction,Hangzhou311231,China)

Abstract：A lightning impulse characteristic simulation test was carried out in the soil with different water contents.The waveform characteristics of shock response of the soil corresponding to different water contents were analyzed,and the distribution of impulse voltage drop under different water contents was obtained.The experimental results show that the distribution of the voltage drop is high at the both ends but low in the middle of the soil layer which is purely wetted with water.The voltage drop at input end is the highest,and the higher the water content,the lower the ratio of voltage drop.According to the experimental results,it is indicated that the distribution of impulse voltage drop can be improved by increasing the local water content.The improved test results show that the increasing water content of the soil layer at input end under the impulse voltage can improve the distribution of the voltage drop significantly.The main performance is the voltage drop at input end reduced greatly,and the water content of the soil layer at input end is higher,the effect is more obvious.

Keywords：impulse voltage; soil moisture; voltage drop; end effect

文章編號(hào)：1007-6735(2016)03-0276-05

DOI：10.13255/j.cnki.jusst.2016.03.011

收稿日期：2015-08-25

中圖分類號(hào)：TU 96

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

第一作者： 饒平平(1984-),男,副教授.研究方向:巖土力學(xué)及環(huán)境巖土工程研究.E-mail:raopingping@usst.edu.cn