一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置和试验方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置和试验方法，可以正确模拟直流接地极附近土壤的电流场情况，同时可以通过控制与烘干土壤混合的溶液体积控制土壤的含水率，通过控制与干土混合溶液的含盐量来控制土壤水的含盐量，通过稳压直流电源设置恒定电流输出控制电流密度大小等，可以得到更贴合实际的电渗透系数测量结果，同时可以通过改变电流密度参数，得到实际工程中符合直流接地极附近土壤条件的电流密度阈值。

【技术实现步骤摘要】
一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置和试验方法
本专利技术属于电气工程领域
，具体涉及一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置和试验方法。
技术介绍
土壤为多相混合介质，其中含有丰富的水分，土壤中水分的质量占烘干土壤总质量的百分比即为土壤含水率。高压直流接地极在运行时，直流电流将从直流接地极流入大地。对于双极运行的高压直流输电系统，直流接地极流入大地的电流为运行的不平衡电流；对于单极-大地运行的直流高压输电系统，直流接地极的入地电流为额定电流，常常高达数千安。在直流接地极的设计过程中，需要校核直流接地极的最大电流密度，目的是为了防止局部电流密度过大，导致该处电渗透效应严重，土壤温升过快，最后导致接地极烧毁。另一个目的即为防止过高电流密度导致的局部跨步电压或接触电压不满足安全要求。国际大电网组织CIGRE的标准TB675GeneralGuidelinesforHVDCGroundingElectrode(高压直流接地极技术导则)中规定直流接地极的最大电流密度为1.0A/m2，是为了防止接地极附近严重的电渗透效应，避免土壤流失严重，温度陡增，导致接地极烧毁。然而不同位置的土壤其含水率不同，土壤离子浓度，离子种类也不尽相同。例如在海边，土壤中的水分的盐度则较高，内陆则较低。不同的地质条件下土壤的电渗透情况不尽相同，采用统一的1.0A/m2的标准不能因地制宜的设计直流接地极。因此，需要测得直流接地极附近土壤的电渗透系数，评估直流接地极运行下土壤的电渗透效应程度，为直流接地极的设计提供参考。直流接地极为高压直流输电工程的重要组成部分，距离换流站位置较远，通过接地极引线连接。高压直流输电工程在建设早期常常只有一回线，直流电流通过两端的直流接地极和大地进行回流。对于双回线的直流输电工程，在检修或故障的情况下也会通过两端的直流接地极和大地回流电流。土壤电渗透效应为土壤水分在直流电流作用下发生移动的现象。当土壤中存在直流电场时，导电的主要途径依赖于土壤空隙水中的阴阳离子，而由于土壤颗粒的负电性，空隙水中的阳离子会被吸引。根据土壤双电层理论，距离土壤颗粒较近的阳离子被紧紧吸附，该层称为非水化阳离子层，不会受到电场的作用而移动。距离土壤颗粒较远的阳离子一般与水分子结合构成水化阳离子，该层又称为水化阳离子层，由于布朗运动的扩散力作用，该层会存在一个滑动面，处于滑动面以外的水化阳离子会在电场的作用下，从阳极向阴极移动，并且在移动的过程中会拖拽其它水分子一起移动，从而产生电渗渗流。描述电渗透效应的主要参数为电渗透系数，而电渗透系数难以从计算获得，需要通过试验的方式获得。针对直流高压接地极特有的运行环境和情况，需要有针对性的设计接地极附近土壤电渗透系数现有的电渗透测试方法在对土壤样本进行通电的过程中，没有考虑由于电解作用将水变为氢气和氧气而消耗掉的部分水分，而且在试验过程中没有考虑由于重力作用，土壤中的水分垂直移动并从试验容器底部排出的干扰，这就使得电渗透系数在计算结果上出现偏差。且大部分试验仅通过样本从阴极的总排水量来对样本的电渗透情况进行考量，而对于局部土壤的含水率变化无法进行细致掌握和研究。再者，高压直流接地极金属电极外侧首先由焦炭包裹，焦炭外部才是土壤，其土壤结构与一般电渗透试验研究的整体均匀的土壤不同(一般电渗透试验仅为获得土壤样本的电渗透系数，其重点不需要考虑直流接地极结构，试验容器中只需填充土壤样本)，需要考虑阳极侧由于焦炭层存在对电渗透产生的影响。
技术实现思路
本专利技术提供了一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置和试验方法，以提高电渗透系数测试结果的准确性。为达到上述目的，本专利技术所述一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置，包括含水率传感器，相邻且连通的集水槽和用于放置土样的土壤槽，所述含水率传感器，用于测量土样的含水率，所述土壤槽中设置有阳极板和阴极板，所述阳极板和阴极板与电源连接，所述集水槽底面开设有排水口，所述排水口下方设置有用于收集试验中流出液体的容器。进一步的，集水槽和土壤槽之间通过阴极板隔开，所述阴极板上自上至下开设有多个排水孔。进一步的，阴极板外包覆有网纱。进一步的，还包括用于测量土样温度的温度传感器。进一步的，电源两端连接有电压表。进一步的，集水槽和土壤槽均设置在称重装置上。基于上述的测量装置的试验方法，包括以下步骤：步骤1、将土样装入土壤槽中，然后将土样均匀压，并实使得土样与阳极板和阴极板等高；静置后量取容器中收集的水，量取容器中水的体积；步骤2、将含水率传感器插入土样中，用烧杯收集由于电渗透作用排出的水分，打开电源，按照试验的设定，通入直流电流；步骤3、对土样不同位置处的含水率进行记录，并且每隔设定时间，测量烧杯中收集到的水的体积，并观察记录土样表面产生的变化；步骤4、在达到试验设定的时间后，关闭电源，对最终从排水口排出的水的总重量进行称量；步骤5、计算电渗排水速率和电渗透系数；步骤6、改变电源的电压大小，从而改变土样中电流密度的大小，重复试验得到不同电流密度下的电渗透系数。进一步的，步骤1中，土样装入土壤槽中时，在土样和阳极板之间加入焦炭层。进一步的，步骤5中，电渗排水速率计算过程如下：1)计算土壤水分减少的总速率v1：其中，ΔQ为土壤含水率的变化量；s为土样横截面面积；L为计算区域的长度；2)计算电解水的速率vH，计算过程为：I为土壤通流大小；t为电流通流时间；F为法拉第常数；V2为电解水的体积；为水的密度；为水的相对摩尔质量；3)计算自重作用水分流失速率vg：式中，V1为步骤1中的容器中水的体积；Vs为土样体积；t0为步骤1中的静置时间；4)计算电渗排水速率ve：ve＝v1-vH-vg。进一步的，步骤5中，通过下式计算电渗透系数：其中ke为电渗透系数，单位为m2/sV；D为土壤两边边界端电势测量的间距；φe为土样两端的电势差。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益的技术效果：本专利技术所述的试验装置，通过电极板和电源对土样施加电压，模拟直流接地极运行下土样环境，可使实验过程中从土样中排数的液体及时排出并测量，并对土样进行相关参数的测量。进一步的，阴极板外包覆有网纱，防止土壤流入集水槽中。进一步的，还包括用于测量土样温度的温度传感器，由于电流在土壤中流通时也存在焦耳热的发热效应，除含水率测量外同时对温度进行测量，可额外得到各个测点局部温度变化规律，探究温度和含水率变化之间的相互关系。进一步的，集水槽和土壤槽设置在称重装置上，方便在试验过程中称重。本专利技术所述的方法，加入了对试验过程当中由于重力作用导致的排水干扰，以及由于电解水导致的水分产生的干扰方法。采用基于时域反射法原理的含水率测量探头对不同位置局部的土壤含水率进行测量，掌握局部上土壤含水率的变化。本专利技术所述的试验方法可以正确模拟直流接地极附近土壤的电流场情况，同时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置，其特征在于，包括含水率传感器(11)，相邻且连通的集水槽(5)和用于放置土样的土壤槽(4)，所述含水率传感器(11)，用于测量土样的含水率，所述土壤槽(4)中设置有阳极板(1)和阴极板(2)，所述阳极板(1)和阴极板(2)与电源连接，所述集水槽(5)底面开设有排水口(7)，所述排水口(7)下方设置有用于收集试验中流出液体的容器。/n

【技术特征摘要】
1.一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置，其特征在于，包括含水率传感器(11)，相邻且连通的集水槽(5)和用于放置土样的土壤槽(4)，所述含水率传感器(11)，用于测量土样的含水率，所述土壤槽(4)中设置有阳极板(1)和阴极板(2)，所述阳极板(1)和阴极板(2)与电源连接，所述集水槽(5)底面开设有排水口(7)，所述排水口(7)下方设置有用于收集试验中流出液体的容器。


2.根据权利要求1所述的一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量的试验方法，其特征在于，所述的集水槽(5)和土壤槽(4)之间通过阴极板(2)隔开，所述阴极板(2)上自上至下开设有多个排水孔。


3.根据权利要求2所述的一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置，其特征在于，所述阴极板(2)外包覆有网纱。


4.根据权利要求1所述的一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置，其特征在于，还包括用于测量土样温度的温度传感器。


5.根据权利要求1所述的一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置，其特征在于，所述电源两端连接有电压表(13)。


6.根据权利要求1所述的一种直流接地极附近土壤电渗透系数测量装置，其特征在于，所述集水槽(5)和土壤槽(4)均设置在称重装置上。


7.基于权利要求1所述的测量装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将土样装入土壤槽(4)中，然后将土样均匀压，并实使得土样与阳极板(1)和阴极板(2)等高；静置后量取容器中收集的水，量取容器中水的体积；
步骤2、将含水率传感器(11)插入土样中，用烧杯(10)收集由于电渗透作用排出的水分，打开电源，按照试验的设定...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈嘉豪，鲁海亮，文习山，李冠华，王汀，徐凯，童雪芳，谭波，王建武，谭威，
申请(专利权)人：武汉大学，国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，中国电力科学研究院有限公司，中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42