[发明专利]土壤电离的临界电场强度估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种土壤电离的临界电场强度估计方法，尤其涉及一种在测试土壤区域直接开展而无需破坏土壤自然特性的土壤电离的临界电场强度估计方法。

背景技术

接地系统的冲击响应不同于工频电流情况下的响应，当接地系统周围土壤中的电场强度超过临界电场强度E_c时，土壤将开始电离，同时土壤电阻率减小，进而导致冲击电阻减小。因此土壤电离临界电场强度对于研究接地系统性能、全空间电磁场分布至关重要。故而该专利将可以为通信、能源等部门的埋地线路、管道等地下设置的防雷系统设计及施工提供重要参考数据。

前人的研究成果给出了很多关于临界电场强度E_c的参考值和范围。Oettle建议E_c值取为1MV/m，对于含水量较高的土壤为600-800kV/m。Mousa认为应将其更改为600-1850kV/m，考虑到野外土壤环境的非均匀性，建议含水量较高的土壤为300-400kV/m。此外，Mousa和Liew均认为对于典型土壤的临界电场强度可认为是300kV/m。

然而，显而易见，土壤临界电场强度E_c会随着土壤类型的变化而变化，即便是同一土壤，随着含水量、温度、季节等因素的变化亦会有所改变，因此，只有参考值和范围显然不够。因此，学者们开展了确定土壤临界电场强度方法的研究。Gonos和Stathopulos研究了E_c针对土壤电阻率的变化。N.MohanmadNor等构建脉冲电流测试电路，通过分析V-I曲线形成的封闭环来判断和获取E_c。T.K.Manna和P.Chouhuri针对多种土壤进行了实验，总结出估算各种土壤临界电场强度E_c的公式。F.E.Asimakopoulou等分析了土壤电离的不确定因素，并给出了考虑这些不确定因素情况下，临界电场强度的击穿电压估计。

传统的土壤电离的临界电场强度的测试，都是搭建实验测试电路，将土壤采集后进行测试，以获取土壤电离的临界电场强度，这样会导致土壤的自然特性，如：含水量、温度、土壤致密度等，遭到严重破坏，因此，即便是在测试电路中得到很精确的测量，获得很准确的数据，此时该数据也难以反映自然环境下土壤临界电场强度的真实情况；而且，当实验测试电路中土壤只是发生了微弱的电离，则该类方法难以发现，也就是说，必须在土壤发生较大程度的电离时才能得到电流或电压这类电信号的变化，然而此时土壤中的电场强度已经比实际临界电场强度大，因此也会导致明显的误差。

发明内容

本发明的目的就在于解决上述问题而提供一种在测试土壤区域直接开展而无需破坏土壤自然特性的土壤电离的临界电场强度估计方法。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

本发明所述土壤电离的临界电场强度估计方法，包括以下步骤：

（1）选定测试区域；

（2）在该测试区域内搭建对地放电回路；

（3）选定一个放电接地位置和一个测试位置，在放电接地位置设置放电接地电极，在测试位置设置两个测试电极，两个测试电极之间的距离小于对地放电的脉冲电源所含主信号带宽中所对应的上限频率的波长的十分之一；

（4）利用对地放电的脉冲电源和对地放电回路实施对地放电；

（5）采集两个测试电极之间的电压；

（6）根据以下公式计算该位置的电场强度E：E=ΔU/d，其中，ΔU表示采集得到的两个测试电极之间的电压，d表示两个测试电极之间的距离；

（7）连续获取该位置不同时刻的电场强度，并根据电场强度由大到小突变时的最大电场强度绝对值所对应的时间确定放电接地位置土壤电离的大概时间；

（8）根据放电接地电极与两个测试电极中最接近的测试电极之间的距离计算电流由放电接地电极到达最接近的测试电极所需的延迟时间；

（9）根据第（7）步骤的大概时间和第（8）步骤的延迟时间确定放电接地位置土壤电离的准确时间；

（10）测量测试区域土壤的电导率、磁导率和介电常数，在此基础上根据麦克斯韦方程计算放电接地电极整个放电时间段内每一时刻的最大电场强度并制作二维曲线，根据该曲线和放电接地位置土壤电离的准确时间确定放电接地位置土壤电离的临界电场强度；

（11）判断是否选定测试区域内的下一个测试位置，如果选择，则选定下一个测试位置，然后重复步骤（3）-（10），如果不选择，则进入下一步骤；