冲击电流作用下土壤电离非线性时变特性的模拟试验和数值计算方法研究

准确分析接地装置的冲击动态特性是输电线路防雷计算的基础，因此申请者提出开展冲击电流作用下土壤电离特性的模拟试验和数值计算方法研究。首先依据相似理论建立冲击接地试验平台并进行模拟试验研究，分析接地装置在不同土壤环境下的冲击散流规律；然后建立土壤电阻率非线性特性试验平台，分析电场强度与土壤电阻率的非线性特性；最后根据试验结果，采用空间有限元与时域有限差分相结合的算法建立数学模型。该模型将准确地反映冲击散流的动态过程，并针对导体四周土壤电离区域的时变性及其沿导体分布的不均匀性，通过时变空间电场分布来选择土壤特性，从而达到准确模拟冲击散流过程中土壤参数的时变性。此外，该模型将通过空间坐标变换方法解决有限元计算中散流空间无穷大的问题。对冲击散流过程的准确计算，将有助于分析冲击散流机理和动态过程，从改善地中电场分布的角度，为降低冲击接地阻抗提供新思路。

近年来，研究者对接地装置工频散流特性的认识已基本取得了统一的认识，从原理和试验上揭示了其散流机理，但对于接地装置冲击散流机理的认识和计算模型还存在分歧。现有文献表明对接地装置冲击特性的研究还存在以下不足之处：未找出冲击电流在接地装置导体表面的散流规律，因此现有的冲击特性分析方法中，通常将漏电流分布进行人为设定而缺乏试验依据；未准确考虑土壤放电时参数的非线性变化，特别是土壤击穿电离时形成的不规则火花区域。事实上，假设不同的冲击电流分布情况会导致不同的计算结果，土壤的非线性及其击穿电离区域的不规则分布特性对接地装置的冲击特性也是有影响的。因此，有必要开展冲击电流作用下土壤电离特性的模拟试验和数值计算方法研究，对接地装置在冲击电流作用下的散流规律进行试验研究，在计算接地装置的冲击特性时考虑土壤的非线性特性及其击穿电离特性。. 本项目首先依据相似理论建立冲击接地试验平台并进行模拟试验研究，得出了各种接地装置结构在冲击电流作用下漏电流沿接地导体的分布规律，系统地分析了接地装置结构、冲击电流幅值、土壤电阻率等因素对冲击散流规律的影响；然后建立土壤电阻率非线性特性试验平台，分析电场强度与土壤电阻率的非线性特性；最后根据试验结果，采用空间有限元与时域有限差分相结合建立了考虑土壤动态电离现象的接地装置冲击特性有限元分析模型。该模型将准确地反映冲击散流的动态过程，并针对导体四周土壤电离区域的时变性及其沿导体分布的不均匀性，通过时变空间电场控制土壤电阻率，不需要事先假定土壤火花区域的形状，从而准确地模拟冲击散流过程中土壤参数的分布时变性。此外，该模型还采用空间坐标变换方法解决了有限元计算中散流空间无穷大带来的计算难题。. 根据冲击散流规律的模拟试验及数值分析结果，提出高土壤电阻率地区输电线路杆塔采用针刺式接地装置的降阻措施，并应用本文提出的有限元分析方法对降低冲击接地电阻的原理进行了数值分析；在实验室进行的冲击接地电阻测量试验结果进一步验证了针刺接地极降低冲击接地电阻的降阻效果，并对针刺的布置位置及合理间距进行了仿真分析，提出了接地极结构优化设计方案。. 项目组按照计划进度开展工作，已完成了计划任务书全部内容，得到了冲击电流入地时考虑土壤电参数非线性时变特性的有限元计算模型，揭示了冲击电流经接地装置散流的机理，并对所得规律的工程运用进行了初步探讨。