一种适用于高分子吸水树脂降阻材料降阻效率评估的装置及
其方法
技术领域
[0001] 本
发明属于电
力系统接地技术领域，特别涉及高分子吸水树脂降阻材料降阻效率评估的装置及其方法，具有测量结果直观准确，具有明确的物理意义的特点。
背景技术
[0002] 高
土壤电阻率地区输电线路杆塔接地电阻偏高、降阻困难是影响电力系统安全可靠运行的突出难题，现有的降阻措施还未能妥善解决该问题。在现有条件下，选择环境友好、
腐蚀性低、吸水保湿性好、寿命长的接地降阻材料，可以为整个电力系统的长期稳定运行提供保障。高分子吸水树脂材料具有良好的吸水、保水性，在农林业、城市园林绿化等领域广泛用作土壤保水剂。因此，可以考虑将高分子吸水树脂作为优良的接地降阻材料用于高土壤电阻率地区，但需要对其降阻效率进行准确的评估。
[0003] 从已有的研究来看，由于缺乏对接地降阻材料冲击降阻效果的直观评估方法，对接地降阻材料降阻效率的评估一般是分析其理化性能和工频电气性能。然而，在实际工程中，当接地降阻材料应用于输电线路杆塔接地装置时，输电线路防雷中真正起作用的是接地装置的冲击散流性能。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于针对目前冲击
电流作用下降阻效率的评估不准确的现状，设计一种适用于高分子吸水树脂降阻材料降阻效率评估的装置。该装置具有测量结果物理意义明确、测量
精度高、测量便捷快速、抗干扰能力强的特点。
[0005] 本发明的机理是：利用
X射线成像技术来观测经降阻材料改良土壤内部放电区域，获得了高分子吸水树脂材料不同吸水量下的模拟土壤中冲击放电区域实际结构的三视图，通过三维重构获得放电区域的体积大小，采用单位体积承担泄放电流值作为评估降阻材料冲击效率的方法。
[0006] 通过X射线成像装置获取经高分子吸水树脂材料改良的模拟土壤中冲击放电区域实际结构三视图。当冲击电流注入接地极，土壤中场强值超过临界击穿场强时，土壤产生放电。根据土壤击穿机理，土壤在电离过程中内部会形成放电通道，并改变土壤的内部结构。X射线具有穿透性质，当其经过方形试验槽时，在被吸收的同时又能穿过槽子到达探测器。X射线被吸收量遵循朗伯比尔定律，假设入射射线浓度为I0，出射射线浓度为I，土壤样品厚度为x，土壤样品对X射线衰减系数为μ，那么根据朗伯比尔定律：
[0007]
[0008] 具体测量原理为：假设放电通道对X射线的衰减系数为μ1，土壤对X射线的衰减系数为μ2。衰减系数本身只和物质的
密度等性质有关，μ1和μ2的值显然不相等。物质密度越大，其对X射线吸收能力越强。土壤的密度远远高于放电通道的密度。因此，对于
电极、模拟土壤样品和放电区域来说，当X射线均匀入射时，它们对于X射线的吸收能力是不同的，导致穿过样品的射线剂量在其相应的
位置上是存在区别的。最后数字成像板(FPD)接收到不同剂量的X 射线，从而呈现出不同灰度值的影像。放电通道吸收射线量少，对应处的FPD 接收到的射线量就更多，其成像结果更黑(灰度值更小)；相反地，土壤吸收射线量多，对应处的FPD接收射线量更少，其成像结果更白(灰度值更大)，最终可以得到灰度值不同的成像结果。
[0009] X射线成像装置得到的一个照射方向上的二维图像数据，通过三维重构计算出土壤放电通道的体积V。具体原理如下：
[0010] 首先，利用高斯低通
滤波器对原始图像进行平滑滤波，在频域中，可以用如下关系式来表示平滑过程：
[0011] G(u,v)＝H(u,v)F(u,v)
[0012] 公式中，F(u,v)是原始图像f(x,y)的
傅立叶变换；H(u,v)为平滑函数，利用这个函数可使F(u,v)的高频分量衰减；G(u,v)为平滑后的图像。(x,y)和(u,v)分别表示空间和频域上的
像素点。选择高斯
低通滤波器，即有：
[0013]
[0014] 式中，σ为高斯分布参数，(u,v)为频域上图像任意一像素点的坐标。
[0015] 物体的边界在图像中是由灰度不连续或突变性所反映的，提取边界时先提取局部边缘像素点，然后再将这些像素组合成为完整、精确的边界。设f(x,y)表示图像在空间点(x,y)位置的灰度，其中x代表列，y代表行。因为梯度是一阶导数的二维等效式，f(x,y)在(x,y)点处的梯度定义为：
[0016]
[0017] 式中Gx为(x，y)处梯度横坐标，Gy为(x，y)处梯度纵坐标。
[0018] 梯度幅值和方向：
[0019]
[0020]
[0021] 灰度值在沿边界处变化平缓，而在垂直于边缘的方向变化剧烈。最后，对于同一个放电区域的三个视图，主视图、俯视图和侧视图的边缘分别在XY平面，XZ平面和YZ平面上按照-k，-j和-i的方向进行拉伸，拉伸的距离为投影体的长宽高，生成三个拉伸实体Se(F-k)、Se(T-j)和Se(S-i)。对这三个拉伸实体进行求交运算，得到基本实体S3v(FTS)。最后，在放电区域三维重构图的
基础上，将放电区域剖分成多个相同体积正四面体，然后再对这些四面体的体积进行求和，当单个四面体足够小时，即可得到准确的计算出土壤放电通道的体积V。根据土壤放电通道的体积V，试验电极的冲击电流幅值Ip，定义i 为单位体积承担泄放电流值，计算公式如下：
[0022]
[0023] 实现本发明目的的装置采用的技术方案是：一种适用于高分子吸水树脂降阻材料降阻效率评估的装置，包括冲击电流发生器、同轴屏蔽线、穿芯式电流
传感器、PLC可编程
控制器、试验槽、模拟接地装置、X射线机、数字成像板、
图像处理系统和数字示波器；其中所述冲击电流发生器通过编织
铜带与埋设于试验槽内的模拟接地装置的电流注入点连接，穿芯式电流传感器套装在所述编织铜带上或模拟接地装置的轴向电流待测点处，穿芯式电流传感器的
信号输出端与数字示波器的其中一输入通道连接，穿芯式电流传感器的另一输出端接到 PLC可编程控制器的输入端，PLC可编程控制器的输出端与X射线机连接，X 射线机发出X射线穿过试验槽后由数字成像板接收，数字成像板与安装有图像处理系统的PC机连接。
[0024] 所述的X射线机、数字成像板与图像处理系统为市购模
块，X射线机额定
输出电压120kV，额定输出电流400mA，最大输出电压150kV，最大输出电流 500mA。
[0025] 所述的冲击电流发生器可瞬时产生幅值为8～200kA可调、波前时间为1.2～ 20μs可变、波尾时间为20～1000μs可变的双指数电流波。冲击电流发生器主要包括：调压器T1、升压
变压器T2、
硅堆
整流器D、调波电阻R、调波电感L、脉冲电容器组C、脉冲点火装置A、并联球隙G和充电电阻r1。所述调压器T1的进线端通过
导线与220V或380V工频电源连接，调压器T1的出线端与
升压变压器T2的原边通过导线连接；升压变压器T2的副边与硅堆整流器D用导线连接；硅堆整流器D的引出导线依次与充电电阻r1、并联球隙G相连接；并联球隙的引出导线与脉冲电容器组的正极连接；脉冲电容器组由4～20台10～100μF的脉冲电容器并联组成，其中每2～3台脉冲电容器并联组成1个小组，各个小组均匀的排列，并形成一个以与其连接的并联球隙为圆心的不闭口圆环，各组脉冲电容器正极均通过编织铜带和并联球隙的上半铜球底座连接，当脉冲电容器放电时，圆环式排列能使从各台脉冲电容器到模拟接地装置去的电流能同一瞬间到达，从而提高冲击电流的幅值，脉冲电容器组的负极与立方体形试验槽的外壁通过扁
钢连接并接地；并联球隙由上半铜球、下半铜球和圆柱形充气筒组成，上半铜球的位置固定并与脉冲电容器组的正极相连，下半铜球通过编织铜带与埋设于立方体形试验槽内的模拟接地装置的电流注入点连接，用以将冲击电流发生器输出的冲击电流施加在模拟接地装置上，上、下半铜球的底座均为圆柱体。脉冲点火装置A与PLC可编程控制器连接，脉冲点火装置对并联球隙施加点火脉冲实现击穿放电，从而形成完整的回路，其中并联球隙的上下两个铜球，在接到触发命令时实现空气隙击穿。
[0026] 所述的试验槽为体积500mm*500mm*20mm、500mm*500mm*15mm等木质槽，其中槽内侧面与底部装有导电铜片，通过底部铜片利用导线将试验槽接地。在所述的试验槽中装设有粒径为0.05～1mm的含水砂子，对砂子称重后，将高分子吸水树脂
质量按砂子重量的0.1％、0.25％、0.5％、0.75％、1％五种比例分别制备，通过改变砂子的
含水量来改变土壤的电阻率。在含水的砂子中埋设有模拟接地装置。
[0027] 所述的模拟接地装置的材质与被测的实际接地装置的材质相同，所述模拟接地装置的几何尺寸(即长度和截面积)与被测的实际接地装置的几何尺寸(即长度和截面积)的比例为n(n为模拟比例，本发明中取值5～100)。所述的模拟接地装置埋设在前述试验槽内中，埋设的深度根据实际接地装置的埋设深度以及模拟比例n确定，并要求模拟接地装置的中心位置到前述立方体形试验槽外壁各
顶点的距离相等，以保证模拟试验的准确性。在所述的模拟接地装置的电流注入点处通过编织铜带与前述冲击电流发生器的
气动点火球隙的下半铜球的底座连接，用以向模拟接地装置注入冲击电流，对模拟接地装置进行冲击特性模拟试验。
[0028] 所述的穿芯式电流传感器由不导磁骨架、铜质线圈、积分
电路、刺刀
螺母连接器插座和
聚合物绝缘
外壳组成。所述的不导磁骨架为内径为2～10cm、外径为2.5～12cm、截面直径为1～4cm、材质为不导磁的聚合物的圆环，其作用是固定铜质线圈，同时避免传感器
铁芯在测量冲击大电流时饱和。所述的铜质线圈由线径为0.44～1.67mm的铜漆包线均匀绕制在圆环形的不导磁骨架上，绕制的
匝数为50～1000匝，铜质线圈两端的引出线与积分电路的输入端连接，用以对感应电动势E进行积分，从而得到电流i(t)随时间变化的大小。积分电路的输出端通过刺刀螺母连接器插座与同轴屏蔽
电缆一端的刺刀螺母连接器插头连接，同轴屏蔽电缆的另一端通过刺刀螺母连接器插头与宽频数字示波器的第二输入通道CH2连接，用以将穿芯式电流传感器的
输出信号通过同轴屏蔽电缆输出至宽频数字示波器的第二输入通道CH2。在所述的穿芯式电流传感器表面浇铸有厚度为0.8～2cm的聚合物绝缘外壳，用以防止大电流窜入穿芯式电流传感器所在的测量回路而损毁测量设备。在穿芯式电流传感器表面浇铸所述的聚合物绝缘外壳时，应将刺刀螺母连接器插座设置在聚合物绝缘外壳外，方便穿芯式电流传感器的信号输出端与同轴屏蔽电缆相连。穿芯式电流传感器的测量带宽为160Hz～4MHz，其不仅具有良好的响应特性，能够准确的测量冲击大电流，而且由于穿芯式电流传感器不与被测电路发生直接的电的联系。当测量注入模拟接地装置总电流的
波形及其幅值时，将所述的穿芯式电流传感器套装在向模拟接地装置注入电流的编织铜带上；当测量模拟接地装置各个待测点的轴向电流波形及其幅值时，将所述的穿芯式电流传感器套装在模拟接地装置的轴向电流待测点上。所述穿芯式电流传感器同时用于输出一个脉冲信号到PLC可编程逻辑控制器上，用以触发PLC的工作。
[0029] 穿芯式电流传感器与罗戈夫斯基(Rogowski)线圈的工作原理相同，即利用被测电流产生的
磁场在线圈内感应的电压来测量电流。根据
电磁感应原理，穿过穿芯式电流传感器线圈的导体中通过电流i1(t)时，Rogowski线圈中产生的感应电动势u1(t)与i1(t)的关系如下式所示。
[0030]
[0031]
[0032] M值与线圈的几何形状有关。
[0033] 所述的同轴屏蔽电缆为市购的SYV-75-5型射频电缆，并在同轴屏蔽电缆的两端分别加装刺刀螺母连接器插头，方便连接。同轴屏蔽电缆的作用是分别将冲击电压
分压器和穿芯式电流传感器的测量
信号传输至宽频数字示波器的第一输入通道CH1和第二输入通道CH2，同轴屏蔽电缆的屏蔽层能够保证信号在传输过程中受到的干扰水平较低，从而保证较高的测量精度。
[0034] 本发明的优点及有益效果如下：
[0035] 本发明采用以上技术方案后，主要有以下技术效果：
[0036] (1)本发明装置的冲击电流发生器可瞬时产生幅值为8～200kA可调、波前时间为1.2～20μs可变、波尾时间为20～1000μs可变的双指数电流波，从而能够准确模拟实际雷电流通过接地装置向周围高分子吸水树脂材料改性的土壤散流时复杂的土壤放电过程，使模拟试验结果的可靠性大大提高。
[0037] (2)本发明装置的穿芯式电流传感器既能准确测量接地装置的总注入电流和接地装置各轴向电流待测点的轴向电流，又能为PLC的触发提供
输入信号，同时又不影响被测电路，不仅保证了模拟试验中测量到的冲击电流的精度，还实现了冲击电流发生器和X射线机的同步启动。
[0038] (3)本发明装置的PLC
可编程逻辑器件延时率低，为毫秒级别，保证了在电流回路导通的同时能够启动X射线机，克服因火花放电过程极短带来的成像技术困难。
[0039] (4)本发明装置用试验槽中添加高分子吸水树脂降阻材料的含水砂子模拟实际经高分子吸水树脂改性的土壤，将原本需要在室外进行的试验变为室内进行，不仅节约了试验成本，而且使试验受天气和环境影响的程度大大降低。
[0040] (5)本发明装置的宽频数字示波器采用独立
蓄电池与逆变器组合或离线 UPS电源供电，能有效的防止冲击电流发生器放电时，实验室地网电位急剧升高而损毁宽频数字示波器、穿芯式电流传感器等测量设备现象的发生。
[0041] (6)基于土壤冲击放电影像观测的冲击降阻效率分析方法能够更直观地反映土壤内部对冲击电流的泄放情况，且提出的单位体积泄放电流值有明确的物理意义，因此，对冲击降阻效率的分析计算也更加准确。
[0042] (7)本发明方法具有简单，操作简便，能方便的调整试验参数等优点。此外，模拟试验安全性好，模拟试验结果的准确度和可靠性高。
附图说明
[0044] 图2为本发明的测量装置整体外观图；
[0045] 图2中的测量装置主要部件分别是：1-冲击电流发生器、2-同轴屏蔽线、 3-穿芯式电流传感器，最大通流能力为20kA、4-PLC可编程控制器、5-试验槽、 6-模拟接地装置、7-X射线机、8-数字成像板、9-图像处理系统、10-数字示波器，
采样率为1.0G samples/s，带宽为100MHz、11-冲击电压分压器，分压比K＝691；
具体实施方式
[0047] 参见图1和图2，一种适用于高分子吸水树脂降阻材料降阻效率评估的装置，包括冲击电流发生器1、同轴屏蔽线2、穿芯式电流传感器3、PLC可编程控制器4、试验槽5、模拟接地装置6、X射线机7、数字成像板8、图像处理系统9、数字示波器10和冲击电压分压器11；其中所述冲击电流发生器1通过编织铜带与埋设于试验槽5内的模拟接地装置6的电流注入点连接，穿芯式电流传感器3 套装在所述编织铜带上或模拟接地装置6的轴向电流待测点处，穿芯式电流传感器3的信号输出端与数字示波器10的其中一输入通道连接，穿芯式电流传感器3的另一输出端接到PLC可编程控制器4的输入端，PLC可编程控制器4的输出端与X射线机7连接，X射线机7发出X射线穿过试验槽5后由数字成像板8接收，数字成像板8与安装有图像处理系统9的PC机连接，冲击电压分压器11的一端与模拟接地装置6的电流注入点连接，另一端接地。
[0048] 所述冲击电流发生器1包括调压器T1、升压变压器T2、硅堆整流器D、调波电阻R、调波电感L、脉冲电容器组C、脉冲点火装置A、并联球隙G和充电电阻r1；所述调压器T1的进线端通过导线与220V或380V工频电源连接，调压器T1的出线端与升压变压器T2的原边通过导线连接；升压变压器T2的副边与硅堆整流器D用导线连接；硅堆整流器D的引出导线依次与充电电阻r1、并联球隙G相连接；并联球隙G包括上半铜球和下半铜球，上半铜球的位置固定，其引出导线与脉冲电容器组C的正极连接，脉冲电容器组C的负极接地；下半铜球的引出导线
串联调波电感L和调波电阻R，然后通过编织铜带与模拟接地装置6的电流注入点连接；脉冲点火装置A与PLC可编程控制器4连接，脉冲点火装置A对并联球隙G施加点火脉冲。
[0049] 参见图3，一种适用于高分子吸水树脂降阻材料降阻效率评估方法，利用本发明装置，经确定模拟试验条件，连接试验回路，进行高分子吸水树脂降阻材料改良土壤的冲击放电试验并同时进行放电通道的拍摄试验，数据计算处理等步骤，进行土壤火花放电通道的拍摄试验，其具体步骤如下：
[0050] 1)确定试验条件
[0051] 首先确定试验条件，即确定X光机的输出电压和输出电流、照射时间、冲击电流的波头时间和波尾时间、幅值、试验槽中土壤的电阻率、模拟接地装置的电流注入点位置、模拟接地装置的尺寸、埋设深度等，具体确定如下：
[0052] ①X光机的输出电压和输出电流、照射时间以实际沙层的厚度确定，通过不加压试验调整得到最合适的输出电压和输出电流、照射时间的值。
[0053] ②冲击电流的波头时间和波尾时间的确定，根据实际雷电流的波头时间和波尾时间，以及模拟比例n确定。即先分别将实际雷电流的波头时间、波尾时间除以模拟比例n，计算出模拟试验的冲击电流的波头时间、波尾时间，再通过改变冲击电流发生器回路中的调波电阻R、调波电感L的大小达到所计算的冲击电流的波头时间、波尾时间。
[0054] ③冲击电流的幅值的确定，根据实际雷电流的幅值和模拟比例n确定。即先将实际雷电流的幅值除以n，计算出模拟试验的冲击电流幅值，再通过调节冲击电流发生器中脉冲电容器组的充电电压预设值来调节试验中冲击电流的幅值。
[0055] ④所述试验槽中土壤的电阻率根据实际接地装置埋设处的土壤电阻率确定，对土壤称重后，将高分子吸水树脂质量按土壤重量的0.1％、0.25％、0.5％、0.75％、 1％五种比例分别制备，通过改变砂子的含水量来改变土壤的电阻率。即通过晾晒砂子或在砂子中加水来调节砂子的电阻率，直到砂子的电阻率与实际接地装置埋设处的土壤电阻率相同或相近(使砂子的电阻率和实际土壤电阻率的差异控制在1％～2％)为止。
[0056] ⑤所述模拟接地装置的电流注入点位置的确定，根据实际接地装置和接地引下线的
焊接点确定。通过调节编织铜带与模拟接地装置的连接点位置来调节模拟接地装置的冲击电流注入点位置。
[0057] ⑥所述模拟接地装置的尺寸和埋设深度根据实际接地装置的尺寸、埋设深度以及模拟比例n确定，确定模拟接地装置的尺寸和埋设深度的方法是：(1)根据工程中接地装置的实际情况，确定实际接地装置的几何尺寸及其埋设深度； (2)将实际接地装置的几何尺寸及其埋设深度分别除以模拟比例n，得到模拟接地装置的几何尺寸及其埋设深度，其几何尺寸包括导体的长度和导体的截面积。
[0058] 2)连接试验回路
[0059] 第1)步完成后，按照本发明装置对试验回路进行接线。即：用编织铜带作
连接线分别将所述的脉冲电容器组的负极与试验槽底部铜片连接并接地；用编织铜带作连接线将所述的冲击电流发生器的下半铜球的底座与模拟接地装置的电流注入点相连；用同轴屏蔽电缆将冲击电压分压器的信号输出端与宽频数字示波器的第一输入通道CH1相连，用以将模拟接地装置上的冲击电压波形输出至宽频数字示波器显示；将穿芯式电流传感器套装在用于为模拟接地装置注入冲击电流的编织铜带上或模拟接地装置的轴向电流待测点处，用以测量模拟接地装置的总注入电流或各个轴向电流待测点的轴向电流，将穿芯式电流传感器的信号输出端与宽频数字示波器的第二输入通道CH2相连，用以将穿芯式电流传感器测量获得的模拟接地装置的总注入电流或待测点的轴向电流的波形输出至宽频数字示波器显示；X射线机高压发生器的启动器一档通过手动
开关输入信号到PLC后打开，同时将穿芯式电流传感器的输出端接到PLC的输入端，用以触发PLC工作，PLC的输出端接X射线机高压发生器的启动器二档两端，最后检查接线是否正确，连接是否良好，当全部接线连接良好后，才能进行下一步。
[0060] 3)进行冲击放电、拍摄土壤火花放电通道试验
[0061] 第2)步完成后，启动冲击电流发生器，设置充电电压值等于第(1)步中确定的充电电压预设值，并根据充电电压的大小设置充电时间，当充电电压大于50kV 时，充电时间设置为90s，反之则将充电时间设置为60s，这是为了避免充电过快而使脉冲电容器组
加速老化或充电不均匀等现象发生。设置完成后，按下“开始充电”键，待脉冲电容器组充电达到预设电压值时，打开(2)中手动开关，使X射线机球管处于旋转状态，按下“触发”键，冲击电流发生器气动点火球隙的下半铜球在向上运动的过程中球隙被击穿，冲击电流ic作用在试验槽内的模拟接地装置上，从而完成一次冲击放电试验，与此同时电流传感器的信号输入到PLC，触发X射线机二档，进行同步拍摄。依次对模拟接地装置进行冲击放电试验，试验过程中应注意在同一试验条件下的电压和电流进行6次测量，取大小居中的4次试验数据的平均值作为该条件下接地网冲击电流的有效测量值，每次试验后应对整个充、放电回路放电，每次冲击试验后都要对试验土壤试样进行重新混合均匀，保证土壤的电气特性和形状恢复正常，从而保证测量结果的准确性。
[0062] 4)数据计算处理
[0063] 第3)步完成后，当计算模拟接地装置的冲击接地阻抗时，根据第3)步宽频数字示波器上显示的作用在模拟接地装置上的冲击电流波形，读取冲击电流ic的幅值Ip，根据土壤放电通道三视图进行三维重构，计算放电通道体积V，并利用如下表达式计算经高分子吸水树脂降阻材料改良土壤的单位冲击泄放电流值i。
[0064] i＝Ip/V
[0065] 对各种实验条件下拍摄得到的经高分子吸水树脂降阻材料改良土壤的火花放电通道图像利用图像处理技术，获得模拟接地装置在此冲击电流作用下的冲击散流规律，为土壤放
电机理研究提供实验基础和验证方法。
[0066] 以上这些
实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或
修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明
权利要求所限定的范围。
