技术领域
[0001] 本
发明属于接地装置的模拟试验技术领域，具体涉及接地装置的冲击特性模拟试验装置及模拟试验方法。
背景技术
[0002] 研究接地装置的冲击特性对电
力系统的安全、可靠运行具有十分重大的意义，借助试验的方法测量接地装置的冲击特性一直是接地研究的重要手段，利用接地装置冲击特性的模拟试验能够准确、可靠的测量接地装置的冲击特性，从而指导电力系统中接地装置的合理设计与施工，为电力系统的安全运行提供保障。
[0003] 现有的接地装置冲击特性的试验装置及方法，如
申请号为200910063596.9的“输电线路杆塔冲击接地
电阻测量方法及其仪器”，该
专利公开的是首先对输电线路杆塔的接地装置施加冲击
电流，然后测量杆塔接地装置的响应
电压和冲击电流幅值，最后利用仪器进行电压、电流的
数据采集和处理，从而计算获得工程实际中接地装置的冲击接地电阻。又如申请号为201010166901.X的“冲击接地阻抗测量系统及其测量方法”专利，公开的测量系统包括：高压直流电源、高压脉冲电容、放电回路、高压充电
开关、高压放电开关、与高压脉冲电容和放电回路
串联的电阻分流器以及与放电回路中的参考接地电阻相连的
水阻
分压器。公开的方法是：首先闭合高压充电开关，断开运动球隙开关，给高压脉冲电容充电；当高压脉冲电容的电压达到预定值时，断开高压充电开关，闭合运动球隙开关，高压脉冲电容放电；利用采集到的冲击电压、冲击电流数据计算接地装置的冲击接地阻抗值。以上两个专利的主要缺点是：①只能获得接地装置的冲击接地阻抗，不能获得接地装置的其他冲击特性，如冲击散流分布规律等；②由于运输及其他诸多条件的制约，试验中冲击电流的幅值较小，不能较好的模拟实际雷电流通过接地装置向周围
土壤散流时的土壤放电过程。因此不能获得接地装置全面、准确的冲击特性。
发明内容
[0004] 本发明的目的是针对现有的接地装置冲击特性的试验装置及方法的不足，提供接地装置的冲击特性模拟试验装置及方法，具有通用性好，产生冲击电流幅值大、试验结果准确、安全性好、能方便的调整试验参数等特点。
[0005] 实现本发明目的的技术方案是：一种接地装置的冲击特性模拟试验装置，主要包括冲击电流发生器、半球形试验槽、模拟接地装置、穿芯式电流
传感器、冲击电压分压器、宽频数字示波器以及同轴屏蔽
电缆等。
[0006] 所述的冲击电流发生器为市购模
块，瞬时产生幅值为8～200kA可调、波前时间为1.2～20 可变、波尾时间为20～1000 可变的双指数电流波。冲击电流发生器主要包括：智能控制系统、调压器、升压
变压器、
硅堆、调波电阻R、调波电感L、脉冲电容器组、
气动点火球隙、空气
压缩机。智能控制系统分别通过光纤，分别与调压器、气孔开闭模块连接。
所述的气孔开闭模块的进气孔通过气管与空气压缩机相连，气孔开闭模块的排气孔与充气筒相连，用以实现智能控制系统对调压器的
输出电压、空气压缩机的气孔开闭模块的开闭、脉冲电容器组充电时间的控制；调压器的进线端通过
导线与220V工频电源连接，调压器的出线端与
升压变压器的原边通过导线连接；升压变压器的副边与硅堆用导线连接；硅堆的引出导线依次与调波电阻R、调波电感L相连接；调波电感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气动点火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
铜带和气动点火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半球形试验槽的外壁通过扁
钢连接并接地；气动点火球隙由上半铜球、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半球形试验槽内的砂子中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；充气筒的底面固定在圆盘形
基座上，其顶壁开口，
侧壁开有一个小孔与气管相连，气管的另一端与气孔开闭模块的排气孔连接，圆柱形充气筒的内径和下半铜球的底座直径相等，当下半铜球的底座放置在充气筒中时，充气筒具备较好的气密性；气孔开闭模块的排气孔与圆柱形充气筒通过气管相连，当智能控制系统发出触发指令时，气孔开闭模块的排气孔开放，气流进入所述的充气筒内，推动气动点火球隙的下半铜球向上运动，使空气间隙被放
电击穿。触发指令消失后，下半铜球在重力的作用下回落到原始位置，等待下一次触发，此外，下半铜球的底座和圆形基座间连接有一定长度的铜带，是为了防止下半铜球被气流推到过高位置和上半铜球碰撞而损坏球隙。
[0007] 所述的半球形试验槽为直径0.5～10m的、外壁由厚为1～3mm的材质为钢板的半球形壳体，用来作为模拟接地的集
电极，模拟电势为零的无穷远大地，半球形试验槽的外壁通过扁钢与前述冲击电流发生器的脉冲电容器组的负极相连接后接地。在所述的半球形试验槽中装设有粒径为0.05～1mm的含水砂子，通过改变砂子的
含水量来模拟
电阻率为的土壤。在含水的砂子中埋设有模拟接地装置。
[0008] 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n为5～100（n为模拟比例）。在所述的模拟接地装置的导体上每隔5～20cm选取一个点（即模拟接地装置的轴向电流待测点）并进行标记，穿芯式电流传感器套装在所述的轴向电流待测点处，用以测量模拟接地装置的轴向电流待测点处的轴向电流。所述的模拟接地装置埋设在前述半球形试验槽内的砂子中，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半球形试验槽外壁上各点的距离相等，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。
[0009] 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 进行积分，从而得到 随时间t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～4 MHz，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。
[0010] 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 时，Rogowski线圈中产生的感应电动势 与 的关系如式①所示。
[0011] ①
[0012] ②
[0013] M值与线圈的几何形状有关。
[0014] 所述的冲击电压分压器为市购模块，测量幅值为-400～400kV、
频率为0～1MHz的电压信号，被测信号不产生衰减和
变形。所述的冲击电压分压器设置在前述的冲击电流发生器的输出端，冲击电压分压器的高压端通过编织铜带与前述的半球形试验槽内的模拟接地装置的冲击电流注入点连接；冲击电压分压器的接地端通过编织铜带与所述的半球形试验槽的外壁与前述的脉冲电容器组的负极连接的扁钢连接；冲击电压分压器的信号输出端通过两端装设有刺刀螺母连接器插头的同轴屏蔽电缆与宽频数字示波器的第一输入通道CH1连接，用以将冲击电压测量信号输出至宽频数字示波器。
[0015] 所述的宽频数字示波器为市购产品，在2个信号采集通道同时采集幅值为-400～400V、频率为0～100MHz的电压信号，
采样频率为0～10GS/s、存储容量为0～100MB，能保证采集信号的
精度和长度。所述宽频数字示波器的供电电源为独立
蓄电池和逆变器组合电源或离线UPS电源，这不仅可以提高宽频数字示波器获取的信号的
信噪比，而且能防止冲击电流发生器放电时，冲击大电流入地导致实验室地网电位急剧升高而损毁宽频数字示波器。
[0016] 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，用于方便连接。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。
[0017] 一种接地装置的冲击特性模拟试验方法，利用本发明装置，经确定模拟试条件，连接试验回路，进行冲击放电试验，数据计算处理等步骤，进行接地装置的冲击模拟试验，其具体步骤如下：
[0018] (1) 确定模拟试验条件
[0019] 首先确定试验条件，即确定冲击电流的波头时间和波尾时间、幅值、半球形试验槽中砂子的电阻率、模拟接地装置的电流注入点位置、模拟接地装置的材质、尺寸、埋设深度、穿芯式电流传感器的布置位置等，具体确定如下：
[0020] ①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。
[0021] ②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2
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。
[0022] ③所述半球形试验槽中砂子的电阻率的确定，根据实际接地装置埋设处的土壤电阻率确定。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。
[0023] ④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。
[0024] ⑤所述模拟接地装置的材质与实际接地装置的材质相同。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。
[0025] ⑥所述穿芯式电流传感器的布置位置的确定：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，先将模拟接地装置上的各个轴向电流待测点进行编号（即从电流注入点开始，按1、2、3···的顺序依次编号），再将所述的穿芯式电流传感器依次分别套装在模拟接地装置的各个轴向电流待测点上。
[0026] (2) 连接试验回路
[0027] 第(1)步完成后，按照本发明装置对试验回路进行接线。即：用扁钢作
连接线分别将所述的脉冲电容器组的负极与半球形试验槽的外壁相连接并接地；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。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。
[0028] (3) 进行冲击放电试验
[0029] 第(2)步完成后，先开启空气压缩机，再启动冲击电流发生器的智能控制系统，智能控制系统中设置充电电压，使充电电压值等于第(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，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 作用在半球形试验槽内的模拟接地装置上，从而完成一次冲击放电试验，依次对模拟接地装置进行冲击放电试验，用以测量模拟接地装置总注入电流或模拟接地装置的待测点的轴向电流，并要求每两次冲击放电试验的时间间隔为2～4分钟，确保每次冲击放电后半球形试验槽中砂子的电气特性有足够的时间恢复正常，使得每次冲击放电试验时半球形试验槽中的砂子特性一致，从而保证测量结果的准确性。
[0030] (4) 数据计算处理
[0031] 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和模拟接地装置上的冲击电压波形，读取冲击电流 的幅值 和冲击电压 的幅值 ，并利用表达式③计算模拟接地装置的冲击接地阻抗。
[0032] ③
[0033] 为保证测量数据的可靠性，在不改变冲击电流和穿芯式电流传感器布置位置的前提下重复进行5次测量。因此在测量一次冲击接地阻抗后，返回第(3)步，再次触发冲击电流发生器放电并根据宽频数字示波器记录的冲击电流和冲击电压波形读取冲击电流 的幅值 和冲击电压 的幅值 ，根据表达式③计算模拟接地装置的冲击接地阻抗。如此反复5次，获得同一模拟接地装置的5个冲击接地阻抗，舍弃5个值中的最大值和最小值，对其余3个冲击接地阻抗求平均，此平均值即为此冲击电流作用下模拟接地装置的冲击接地阻抗。如继续测量其他幅值冲击电流作用下模拟接地装置的冲击接地阻抗，则首先返回第(1)步调节脉冲电容器组的充电电压，然后进入第(2)步连接试验线路，最后循环进行第(3)步和第(4)步，根据宽频数字示波器测量到的电流和电压数据计算此幅值的冲击电流作用下模拟接地装置的冲击接地阻抗。
[0034] 当计算模拟接地装置的冲击散流规律时，则根据第(3)步测得的各个轴向电流待测点的轴向电流幅值，计算模拟接地装置各段导体表面的散流大小。试验中首先将穿芯式电流传感器套装在编号为 的轴向电流待测点处，然后依次完成第(2)步、第(3)步，根据宽频数字示波器上显示的 点处的轴向电流波形，读取其幅值 ，为保证数据可靠性，在不改变冲击电流波形、幅值和穿芯式电流传感器布置位置的前提下重复进行5次测量，每2次测量间隔至少3分钟，确保每次冲击放电后半球形试验槽中砂子的电气特性有足够长的时间恢复正常，最后舍弃5个测量值中的最大值和最小值，对剩下的3个测量值求平均，此平均值即作为轴向电流待测点m处的电流幅值。测量得到轴向电流待测点m处的电流幅值后，在不改变冲击电流波形、幅值的前提下，改变穿芯式电流传感器的布置位置，将其套装在轴向电流待测点( )处，重复上述试验步骤，得到点( )的轴向电流幅值。通过不断的改变穿芯式电流传感器的位置，测量其余各个轴向电流待测点的轴向电流幅值，直到获得模拟接地装置上所有轴向电流待测点的轴向电流幅值。
[0035] 在测量到模拟接地装置上所有待测点的轴向电流幅值后，利用两个相邻待测点、 处的轴向电流幅值分别为 、 来计算点 和点 间导体段的表面散流的幅值为：
[0036] ④
[0037] 在计算出模拟接地装置所有导体段的表面散流值后，即获得了模拟接地装置在此冲击电流作用下的冲击散流规律。
[0038] 本发明采用上述技术方案后，主要具有以下效果：
[0039] (1) 本发明装置的冲击电流发生器的容量很大，因此能在模拟试验中产生幅值很高的冲击电流，从而能够准确模拟实际雷电流通过接地装置向周围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。
[0040] (2) 本发明装置的穿芯式电流传感器不仅能够测量模拟接地装置的总注入电流，从而计算出模拟接地装置的冲击接地阻抗，而且还能测量模拟接地装置各个轴向电流待测点的轴向电流，从而计算出冲击电流作用下模拟接地装置的导体表面散流规律。
[0041] (3) 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，又不影响被测电路，因此保证了模拟试验中测量到的冲击电流的精度。
[0042] (4) 本发明装置用直径为0.5～10m的半球形试验槽中的含水砂子能模拟实际接地装置所在处的土壤，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。
[0043] (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。
[0044] (6) 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。
[0045] 本发明可广泛应用于测量冲击大电流作用下接地装置的冲击接地阻抗和冲击散流规律，特别适用于测量雷电流作用下的接地装置的冲击阻抗和冲击散流规律。
附图说明
[0046] 图1为本发明装置的原理示意图；
[0047] 图2为图1的脉冲电容器组的结构示意图；
[0048] 图3为图1的气动点火球隙放大的结构示意图；
[0049] 图4为图1的穿芯式电流传感器的结构示意图；
[0050] 图5为图4的A-A剖视图。
[0051] 图中：1冲击电流发生器，2智能控制系统，3调压器，4升压变压器，5硅堆，6调波电阻，7调波电感，8脉冲电容器组，9气动点火球隙，10空气压缩机，11冲击电压分压器，12宽频数字示波器，13半球形试验槽，14模拟接地装置，15穿芯式电流传感器，16同轴屏蔽电缆，17光纤，18脉冲电容器，19上半铜球，20下半铜球，21底座，22充气筒，23编织铜带，24基座，25不导磁骨架，26聚合物绝缘外壳，27铜质线圈，28 刺刀螺母连接器插座，29积分电路。
具体实施方式
[0052] 下面结合具体实施方式进一步说明本发明。
[0054] 如图1～5所示，一种接地装置的冲击特性模拟试验装置，主要包括冲击电流发生器1、半球形试验槽13、模拟接地装置14、穿芯式电流传感器15、冲击电压分压器11、宽频数字示波器12以及同轴屏蔽电缆16等。
[0055] 所述的冲击电流发生器1为市购模块，瞬时产生幅值为8～200kA可调、波前时间为1.2～20 可变、波尾时间为20～1000 可变的双指数电流波。冲击电流发生器1主要包括：智能控制系统2、调压器3、升压变压器4、硅堆5、调波电阻6、调波电感7、脉冲电容器组8、气动点火球隙9、空气压缩机10。智能控制系统2分别通过光纤17，分别与调压器3、气孔开闭模块连接。所述的气孔开闭模块的进气孔通过气管与空气压缩机10相连，气孔开闭模块的排气孔与充气筒22相连，用以实现智能控制系统2对调压器3的输出电压、空气压缩机10的气孔开闭模块的开闭、脉冲电容器组8充电时间的控制；调压器3的进线端通过导线与220V/50Hz的工频市电连接，调压器3的出线端与升压变压器4的原边通过导线连接；升压变压器4的副边与硅堆5用导线连接；硅堆5的引出导线依次与调波电阻6、调波电感7相连接；调波电感7的引出导线与脉冲电容器组8的正极连接；脉冲电容器组8由4台10μF的脉冲电容器并联组成，其中每2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气动点火球隙9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气动点火球隙9的上半铜球19的底座连接，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14去的电流能同一瞬间到达，从而提高冲击电流的幅值，脉冲电容器组组8的负极与半球形试验槽13的外壁通过扁钢连接并接地；气动点火球隙9由上半铜球19、下半铜球20和圆柱形充气筒22组成，上半铜球19的位置固定并与脉冲电容器组8的正极相连，下半铜球20通过编织铜带与埋设于半球形试验槽13内的砂子中的模拟接地装置14的电流注入点连接，用以将冲击电流发生器1输出的冲击电流施加在模拟接地装置14上，上、下半铜球的底座均为圆柱体；充气筒22的底面固定在圆盘形基座24上，其顶壁开口，侧壁开有一个小孔与气管相连，气管的另一端与气孔开闭模块的排气孔连接，圆柱形充气筒22的内径和下半铜球的底座21直径相等，当下半铜球20的底座21放置在充气筒22中时，充气筒22具备较好的气密性；气孔开闭模块的排气孔与圆柱形充气筒22通过气管相连，当智能控制系统2发出触发指令时，气孔开闭模块的排气孔开放，气流进入所述的充气筒22内，推动气动点火球隙9的下半铜球20向上运动，使空气间隙被放电击穿。触发指令消失后，下半铜球20在重力的作用下回落到原始位置，等待下一次触发，此外，下半铜球20的底座21和圆形基座24间连接有一定长度的铜带，是为了防止下半铜球20被气流推到过高位置和上半铜球19碰撞而损坏球隙。
[0056] 所述的半球形试验槽13为直径0.5m的、外壁由厚为1mm的材质为钢板的半球形壳体，用来作为模拟接地的集电极，模拟电势为零的无穷远大地，半球形试验槽13的外壁通过扁钢与前述冲击电流发生器1的脉冲电容器组8的负极相连接后接地。在所述的半球形试验槽13中装设有粒径为0.05～1mm的含水砂子，通过改变砂子的含水量来模拟电阻率为 的土壤。在含水的砂子中埋设有模拟接地装置14。
[0057] 所述的模拟接地装置14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14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n在本发明中取为为100（n为模拟比例）。在所述的模拟接地装置14的导体上每隔5～20cm选取一个点（即模拟接地装置14的轴向电流待测点）并进行标记，穿芯式电流传感器15套装在所述的轴向电流待测点处，用以测量模拟接地装置14的轴向电流待测点处的轴向电流。所述的模拟接地装置14埋设在前述半球形试验槽13内的砂子中，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14的中心位置到前述半球形试验槽13外壁上各点的距离相等，以保证模拟试验的准确性。在所述的模拟接地装置14的电流注入点处通过编织铜带与前述冲击电流发生器1的气动点火球隙9的下半铜球20的底座21连接，用以向模拟接地装置14注入冲击电流，对模拟接地装置14进行冲击特性的模拟试验。
[0058] 所述的穿芯式电流传感器15由不导磁骨架25、铜质线圈27、积分电路29、刺刀螺母连接器插座28和聚合物绝缘外壳26组成。所述的不导磁骨架25为内径为2cm、外径为2.5cm、截面直径为1cm、材质为不导磁的聚合物的圆环，其作用是固定铜质线圈27，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27由线径为0.44mm的铜漆包线均匀绕制在圆环形的不导磁骨架25上，绕制的匝数为50匝，铜质线圈27两端的引出线与积分电路29的输入端连接，用以对感应电动势 进行积分，从而得到 随时间t变化的大小。积分电路29的输出端通过刺刀螺母连接器插座28与同轴屏蔽电缆16一端的刺刀螺母连接器插头连接，同轴屏蔽电缆16的另一端通过刺刀螺母连接器插头与宽频数字示波器12的第二输入通道CH2连接，用以将穿芯式电流传感器15的
输出信号通过同轴屏蔽电缆16输出至宽频数字示波器12的第二输入通道CH2。在所述的穿芯式电流传感器15表面浇铸有厚度为0.8cm的聚合物绝缘外壳26，用以防止大电流窜入穿芯式电流传感器15所在的测量回路而损毁测量设备。在穿芯式电流传感器15表面浇铸所述的聚合物绝缘外壳
26时应使刺刀螺母连接器插座28暴露在聚合物绝缘外壳26外，方便穿芯式电流传感器15的信号输出端与同轴屏蔽电缆16相连。穿芯式电流传感器的测量带宽为160Hz～4 MHz，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15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14总电流的波形及其幅值时，将所述的穿芯式电流传感器15套装在向模拟接地装置14注入电流的编织铜带上；当测量模拟接地装置14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
15套装在模拟接地装置14的轴向电流待测点上。
[0059] 所述的冲击电压分压器11为市购模块，测量幅值为-400～400kV、频率为0～1MHz的电压信号，被测信号不产生衰减和变形。所述的冲击电压分压器11设置在前述的冲击电流发生器1的输出端，冲击电压分压器11的高压端通过编织铜带与前述的半球形试验槽13内的模拟接地装置14的冲击电流注入点连接；冲击电压分压器11的接地端通过编织铜带与所述的半球形试验槽13的外壁与前述的脉冲电容器组8的负极连接的扁钢连接；
冲击电压分压器11的信号输出端通过两端装设有刺刀螺母连接器插头的同轴屏蔽电缆16与宽频数字示波器12的第一输入通道CH1连接，用以将冲击电压测量信号输出至宽频数字示波器12。
[0060] 所述的宽频数字示波器12为市购的Tektronix 1012型数字示波器，在2个信号采集通道同时采集幅值为-400～400V、频率为0～100MHz的电压信号，
采样频率为0～10GS/s、存储容量为0～100MB，能保证采集信号的精度和长度。所述宽频数字示波器12的供电电源为独立蓄电池和逆变器组合电源，这不仅可以提高宽频数字示波器12获取的信号的信噪比，而且能防止冲击电流发生器1放电时，冲击大电流入地导致实验室地网电位急剧升高而损毁宽频数字示波器12。
[0061] 所述的同轴屏蔽电缆16为市购的SYV-75-5型射频电缆，并在同轴屏蔽电缆16的两端分别加装刺刀螺母连接器插头，用于方便连接。同轴屏蔽电缆16的作用是分别将冲击电压分压器11和穿芯式电流传感器15的测量信号传输至宽频数字示波器12的第一输入通道CH1和第二输入通道CH2，同轴屏蔽电缆16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。
[0062] 实施例2
[0063] 一种接地装置的冲击特性模拟试验装置，同实施例1，其中：脉冲电容器组8由12台30μF的脉冲电容器并联组成，其中每3台脉冲电容器并联组成1个小组。半球形试验槽13为直径5m的、外壁由厚为2mm的材质为钢板的半球形壳体。不导磁骨架25为内径为5cm、外径为6cm、截面直径为2cm。铜质线圈27由线径为1.12mm的铜漆包线均匀绕制在圆环形的不导磁骨架25上，绕制的匝数为700匝。穿芯式电流传感器15表面浇铸有厚度为
1cm的聚合物绝缘外壳26。
[0064] 实施例3
[0065] 一种接地装置的冲击特性模拟试验装置，同实施例1，其中：脉冲电容器组8由20台100μF的脉冲电容器并联组成，其中每2台脉冲电容器并联组成1个小组。半球形试验槽13为直径10m的、外壁由厚为3mm的材质为钢板的半球形壳体。不导磁骨架25为内径为10cm、外径为12cm、截面直径为2cm。铜质线圈27由线径为1.67mm的铜漆包线均匀绕制在圆环形的不导磁骨架25上，绕制的匝数为1000匝。穿芯式电流传感器15表面浇铸有厚度为2cm的聚合物绝缘外壳26。所述宽频数字示波器12的电源为离线UPS。
[0066] 实施例4
[0067] 一种接地装置的冲击特性模拟试验方法的具体步骤如下：
[0068] (1) 确定模拟试条件
[0069] 首先确定试验条件，即确定冲击电流的波头时间和波尾时间、幅值、半球形试验槽13中砂子的电阻率、模拟接地装置14的电流注入点位置、模拟接地装置14的材质、尺寸、埋设深度、穿芯式电流传感器15的布置位置等，具体确定如下：
[0070] ①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1回路中的调波电阻6、调波电感7的大小达到所计算的冲击电流的波头时间、波尾时间。
[0071] ②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2
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1中脉冲电容器组8的充电电压预设值来调节试验中冲击电流的幅值。
[0072] ③所述半球形试验槽13中砂子的电阻率的确定，根据实际接地装置埋设处的土壤电阻率确定。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。
[0073] ④所述模拟接地装置14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14的连接点位置来调节模拟接地装置14的冲击电流注入点位置。
[0074] ⑤所述模拟接地装置14的材质与实际接地装置的材质相同。所述模拟接地装置14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14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14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。
[0075] ⑥所述穿芯式电流传感器15的布置位置的确定：当测量注入模拟接地装置14总电流的波形及其幅值时，将所述的穿芯式电流传感器15套装在向模拟接地装置14注入电流的编织铜带上；当测量模拟接地装置14各个待测点的轴向电流波形及其幅值时，先将模拟接地装置14上的各个轴向电流待测点进行编号（即从电流注入点开始，按1、2、3···的顺序依次编号），再将所述的穿芯式电流传感器15依次分别套装在模拟接地装置14的各个轴向电流待测点上。
[0076] (2) 连接试验回路
[0077] 第(1)步完成后，按照本发明装置对试验回路进行接线。即：用扁钢作连接线分别将所述的脉冲电容器组8的负极与半球形试验槽13的外壁相连接并接地；用编织铜带作连接线将所述的冲击电流发生器1的下半铜球20的底座21与模拟接地装置14的电流注入点相连；用同轴屏蔽电缆16将冲击电压分压器11的信号输出端与宽频数字示波器12的第一输入通道CH1相连，用以将模拟接地装置14上的冲击电压波形输出至宽频数字示波器12显示；将穿芯式电流传感器15套装在用于为模拟接地装置14注入冲击电流的编织铜带上或模拟接地装置14的轴向电流待测点处，用以测量模拟接地装置14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15的信号输出端与宽频数字示波器12的第二输入通道CH2相连，用以将穿芯式电流传感器15测量获得的模拟接地装置14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12显示。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。
[0078] (3) 进行冲击放电试验
[0079] 第(2)步完成后，先开启空气压缩机10，再启动冲击电流发生器1的智能控制系统2，在智能控制系统2中设置充电电压，使充电电压值等于第(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8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8充电达到预设电压值时，按下“触发”键，冲击电流发生器1气动点火球隙9的下半铜球20在向上运动的过程中球隙被击穿，冲击电流 作用在半球形试验槽13内的模拟接地装置14上，从而完成一次冲击放电试验，依次对模拟接地装置14进行冲击放电试验，用以测量模拟接地装置14总注入电流或模拟接地装置14的待测点的轴向电流，并要求每两次冲击放电试验的时间间隔为2～4分钟，确保每次冲击放电后半球形试验槽13中砂子的电气特性有足够的时间恢复正常，使得每次冲击放电试验时半球形试验槽13中的砂子特性一致，从而保证测量结果的准确性。
[0080] (4) 数据计算处理
[0081] 第(3)步完成后，当计算模拟接地装置14的冲击接地阻抗时，根据第(3)步宽频数字示波器12上显示的作用在模拟接地装置14上的冲击电流波形和模拟接地装置14上的冲击电压波形，读取冲击电流 的幅值 和冲击电压 的幅值 ，并利用表达式③计算模拟接地装置14的冲击接地阻抗。
[0082] ③
[0083] 为保证测量数据的可靠性，在不改变冲击电流和穿芯式电流传感器15布置位置的前提下重复进行5次测量。因此在测量一次冲击接地阻抗后，返回第(3)步，再次触发冲击电流发生器1放电并根据宽频数字示波器12记录的冲击电流和冲击电压波形读取冲击电流 的幅值 和冲击电压 的幅值 ，根据表达式③计算模拟接地装置14的冲击接地阻抗。如此反复5次，获得同一模拟接地装置14的5个冲击接地阻抗，舍弃5个值中的最大值和最小值，对其余3个冲击接地阻抗求平均，此平均值即为此冲击电流作用下模拟接地装置14的冲击接地阻抗。如继续测量其他幅值冲击电流作用下模拟接地装置14的冲击接地阻抗，则首先返回第(1)步调节脉冲电容器组8的充电电压，然后进入第(2)步连接试验线路，最后循环进行第(3)步和第(4)步，根据宽频数字示波器12测量到的电流和电压数据计算此幅值的冲击电流作用下模拟接地装置14的冲击接地阻抗。
[0084] 当计算模拟接地装置14的冲击散流规律时，则根据第(3)步测得的各个轴向电流待测点的轴向电流幅值，计算模拟接地装置14各段导体表面的散流大小。试验中首先将穿芯式电流传感器15套装在编号为 的轴向电流待测点处，然后依次完成第(2)步、第(3)步，根据宽频数字示波器12上显示的 点处的轴向电流波形，读取其幅值 ，为保证数据可靠性，在不改变冲击电流波形、幅值和穿芯式电流传感器15布置位置的前提下重复进行5次测量，每2次测量间隔至少3分钟，确保每次冲击放电后半球形试验槽13中砂子的电气特性有足够长的时间恢复正常，最后舍弃5个测量值中的最大值和最小值，对剩下的3个测量值求平均，此平均值即作为轴向电流待测点m处的电流幅值。测量得到轴向电流待测点m处的电流幅值后，在不改变冲击电流波形、幅值的前提下，改变穿芯式电流传感器15的布置位置，将其套装在轴向电流待测点( )处，重复上述试验步骤，得到点( )的轴向电流幅值。通过不断的改变穿芯式电流传感器15的位置，测量其余各个轴向电流待测点的轴向电流幅值，直到获得模拟接地装置14上所有轴向电流待测点的轴向电流幅值。
[0085] 在测量到模拟接地装置14上所有待测点的轴向电流幅值后，利用两个相邻待测点 、 处的轴向电流幅值分别为 、 来计算点 和点 间导体段的表面散流的幅值为：
[0086] ④
[0087] 在计算出模拟接地装置14所有导体段的表面散流值后，即获得了模拟接地装置14在此冲击电流作用下的冲击散流规律。
