对接地装置的接地特性进行准确的数值计算和试验研究,是接地系统设计和防雷计算的基础。目前,在接地性能的分析计算中对散流过程中土壤电参数的变化考虑较少,有些计算中还采用定参数进行简化,导致其仿真计算结果与实际情况相差较大。因此,有必要对土壤电参数的变化特性进行系统的研究,并将其应用到数值计算模型中,分析其对接地装置性能的影响。土壤在冲击散流过程中的所呈现的动态电离变化过程是影响输电线路接地装置冲击性能的重要因素,故输电线路接地装置冲击特性的数值计算必须准确地反映该动态物理过程。在冲击电流入地散流的过程中,接地导体周围土壤电阻率的变化是影响冲击接地性能的一个重要参数,同时具有空间分布性和时变性,故本文针对冲击电流作用下接地导体周围土壤电阻率随电离过程的变化,开展了土壤非线性电离试验,测量了土壤击穿前土壤电阻率与地中电场之间的非线性关系;分析了冲击电流作用下火花放电、电弧击穿、去游离过程及土壤电阻率在该电离变化过程中的变化规律;建立了计及土壤电离变化过程的接地装置冲击特性有限元模型,针对接地导体与土壤分界面、土壤分层界面的电阻率突变而造成收敛困难的问题,采取了格林公式和散度定理进行偏微分方程降阶处理,并采用具有连续偏导数的平滑阶跃函数进行过渡;将几何坐标变换引入到分层、分块土壤模型的建立中,实现了求解区域从半无界域到有界闭域的转换,在保证计算精度的同时降低了计算量;提出通过判据函数直接判断空间变换后计算区域中任一待求点变换前的位置,解决了有限元数值计算中由于坐标变换带来的土壤分界面被映射成复杂椭球面而产生的分界面畸变的问题,便于计算过程中计算参数的确定。将仿真结果与与场路结合方法及模拟试验结果进行了对比,验证了采用本模型计算接地装置冲击特性的有效性。为准确地评价接地特性,还需考虑土壤参数频变性的影响。因此,本文在50~106Hz范围内进行了不同含水量的土壤电参数频变性的测量,得到了土壤电阻率、相对介电常数随电流频率的变化规律,并对土壤电参数的频变特性进行了原因分析及数值拟合,得到了土壤电阻率、介电常数随注入电流频率变化的函数关系式;从麦克斯韦方程组的微分形式出发,建立了计及土壤电参数频变特性的接地装置冲击特性有限元模型,计算并分析了土壤电阻率、介电常数的频变特性对接地极冲击散流性能的影响。在直流输电系统运行时,电流持续经由接地极向周围土壤散流,使得土壤发热升温,而土壤电阻率、热参数是影响直流接地极温升的主要原因,因此本文对直流接地极的发热升温过程进行系统的分析。采用交流四极法对直流接地极广泛分布地区的三种典型土壤进行了土壤电参数随温度变化的模拟试验,得到了土壤含水量、电阻率与温度的定量表达式,再结合热参数的经典计算公式推导出了土壤相关热参数与温度的关系式;建立了计及土壤参数温升特性的直流接地极温升分析有限元模型,在模型中充分考虑了土壤电阻率、土壤热参数随温度的变化,系统地分析了接地极的温升过程。结果表明,本文所建立的有限元模型能反映接地极及附近土壤的温升过程;直流接地极的温升过程存在温度的转折点,该点后接地极温度急剧上升;在运行过程中,应将直流接地极的最大温升控制在温升曲线的平稳阶段(温度转折点之前),以保障接地系统的安全可靠运行。本文的研究成果可为接地性能的评估提供理论依据和数据支持,在学术研究和工程指导方面均有重要的意义。