一种分区分层土壤中地中电流场分布的计算方法技术

本发明专利技术公开了一种分区分层土壤中地中电流场分布的计算方法，将分区分层土壤中相邻区域的分界面剖分成多个单元；在每个单元的两侧分别引入一个面电流；根据电磁场边界条件建立方程，计算每个单元两侧的面电流密度；基于每个单元两侧的面电流密度，使用复镜像法计算分区分层土壤中任意位置的电场，从而确定分区分层土壤中地中电流场的分布。本发明专利技术通过在分界面引入面电流并结合复镜像法，将复杂的分区分层土壤等效成了简单的单一分层土壤，能够考虑非常复杂的土壤结构，且计算方法简单；通过使用电磁场边界条件建立方程，保证了计算结果的准确性；同时，本发明专利技术能够分析直至无穷远处的电场分布。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高压电
，尤其涉及一种分区分层土壤中地中电流场分布的计算方法。
技术介绍
接地装置是工作、故障和雷击时重要的防护设施，用于向大地泻放工作电流(如直流接地极以大地为回路运行)、故障电流(如工频短路)和雷电流。此时，很大的电流从接地装置流入或流出大地，这一电流在土壤中形成电位分布，威胁附近的人身、设备的安全。目前计算接地装置地中电流在地中形成的电位分布时所能考虑的土壤模型主要为电阻率单一分层或者在此基础上简单的局部电阻率分块分布，该计算方式过于理想，与实际相差较远。实际中，很多接地装置位于地质结构复杂地区，土壤结构不能视为简单的分层结构或者局部分块，而是大范围的分区分层。尤其是在分析直流接地极的大范围地中电场分布的时候，数十乃至上百公里范围内的土壤更是难以视为单一分层结构。实际中土壤虽然在局部可视为分层的，但不同区域的分层情况又不相同，因此可视为水平分区、垂直分层的结构。为此，只有建立考虑土壤电阻率的横向分区、各个区内各自分层的分析方法，才能更好的研究直流接地极对周围埋地设施的影响问题。需要研究土壤电阻率水平分区、垂直分层的恒流场的计算方法。虽然有限元可以分析多种媒质组合下的电磁场分布，但其主要用于分析有限区域的问题，而本例中，电位分布区域很大，电流直至无穷远，是开域问题，使用有限元计算存在困难。
技术实现思路
针对上述问题中存在的不足之处，本专利技术提供一种分区分层土壤中地中电流场分布的计算方法。为实现上述目的，本专利技术提供一种分区分层土壤中地中电流场分布的计算方法，包括：步骤1、将分区分层土壤中相邻区域的分界面剖分成多个单元，所述单元满足唯一的边界条件；步骤2、在每个单元的两侧分别引入一个面电流，两侧的面电流分别对应单元的两侧区域；步骤3、根据电磁场边界条件建立方程，计算每个单元两侧的面电流密度；步骤4、基于每个单元两侧的面电流密度，使用复镜像法计算分区分层土壤中任意位置的电场，从而确定分区分层土壤中地中电流场的分布。作为本专利技术的进一步改进，所述唯一的边界条件为单元的两侧区域中任意一侧区域的土壤电阻率唯一。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤3中，单元两侧的面电流密度的计算方法为：步骤31、根据电磁场边界条件建立方程①：式中：为单元k中心左侧的场强，为单元k中心右侧的场强，为单元k的法向单位向量，为单元k的切向单位向量，ρII1为该单元左侧土壤电阻率，ρIII1为该单元右侧土壤电阻率；步骤32、假设所有分区分界上剖分的单元总数为m，用m×1的矩阵EI1表示导体电流在各单元左侧法向方向上产生的电场，EI2表示导体电流在各单元左侧切向方向上产生的电场，EI3表示导体电流在各单元右侧法向方向上产生的电场，EI4表示导体电流在各单元右侧切向方向上产生的电场；用m×1的矩阵J1表示求解各单元左侧区域时单元上的面电流密度，J2表示求解各单元右侧区域时单元上的面电流密度；用m×m的矩阵E1表示J1在各单元左侧法向方向上产生的电场，E2表示J1在各单元左侧切向方向上产生的电场，E3表示J2在各单元左侧法向方向上产生的电场，E4表示J2在各单元左侧切向方向上产生的电场，E5表示J1在各单元右侧法向方向上产生的电场，E6表示J1在各单元右侧切向方向上产生的电场，E7表示J2在各单元右侧法向方向上产生的电场，E8表示J2在各单元右侧切向方向上产生的电场；步骤33、假设激励和待求量不在同一区域，用m×m的矩阵S1表示各单元左侧土壤电导率，S2表示各单元右侧土壤电导率；步骤34、通过每个单元中心法向和切向满足的边界条件得到一个含2m个未知数2m个方程的线性方程组，建立矩阵方程②：步骤35、求解矩阵方程②获得每个单元两侧的面电流密度。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤4中，分区分层土壤中任意位置的电场的计算方法为：步骤41、确定该位置所在的区域，并选取所有属于该侧区域的面电流密度；步骤42、通过复镜像法求出该区域内每个面电流密度在该位置产生的电场；步骤43、将得到的所有电场求矢量和，获得该位置的电场。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术公开的一种分区分层土壤中地中电流场分布的计算方法，通过在分界面引入面电流，将复杂的分区分层土壤等效成了简单的单一分层土壤，能够考虑非常复杂的土壤结构，且计算方法简单；本专利技术通过使用电磁场边界条件建立方程，保证了分界面上电场的准确性，从而满足了电磁场的唯一性定理，即保证了计算结果的准确性；本专利技术的计算方法能够分析直至无穷远处的电场分布，避免了使用有限元法处理无限大水平分层分界面造成计算不准确的问题；本专利技术仅在分界面引入面电流，在分层面上使用复镜像法，避免了单纯使用边界元法需要在所有分层、分区界面上引入面电流造成的计算量过大的问题。附图说明图1为本专利技术一种实施例公开的分区分层土壤中地中电流场分布的计算方法的流程图；图2为本专利技术一种实施例公开的分区分层土壤模型图；图3为本专利技术一种实施例公开的水平分层中有分块的模型图；图4为本专利技术一种实施例公开的剖分示意图；图5为本专利技术一种实施例公开的局部分界面；图6为本专利技术一种实施例公开的算例土壤模型图；图7为使用本专利技术方法的计算结果与COMSOL计算结果的对比图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。下面结合附图对本专利技术做进一步的详细描述：实施例1：如图1所示，本专利技术提供一种分区分层土壤中地中电流场分布的计算方法，用于计算电气工程接地装置(包括变电站、换流站、杆塔、接地极等)入地电流在地中产生的大范围电压分布；其包括：S1、将分区分层土壤中相邻区域的分界面剖分成多个单元，单元满足唯一的边界条件，唯一的边界条件为单元的两侧区域中任意一侧区域的土壤电阻率唯一。S2、在每个单元的两侧分别引入一个面电流，两侧的面电流分别对应单元的两侧区域；S3、根据电磁场边界条件建立方程，计算每个单元两侧的面电流密度；S4、基于每个单元两侧的面电流密度，使用复镜像法计算分区分层土壤中任意位置的电场，从而确定分区分层土壤中地中电流场的分布；分区分层土壤中任意位置的电场的计算方法为：确定该位置所在的区域，并选取所有属于该侧区域的面电流密度；通过复镜像法求出该区域内每个面电流密度在该位置产生的电场；将得到的所有电场求矢量和，获得该位置的电场。本专利技术的一种分区分层土壤中地中电流场分布的计算方法的基本原理如下：在各土壤分区的分界面的两侧分别引入面电流，面电流大小由分界面电磁场的边界条件确定。引入面电流后，各区域中的电流场就可以仅考虑本区域的分层结构进行计算，也就可以用单一分层土壤等效成分区分层土壤。在各分区内部，考虑面电流的作用，使用复镜像法(已有成熟方法)计算单一分层土壤中的电场格林函数，从而建立分区分层土壤中地中电流场分布的计算方法。实际土壤不再能等效成单一水平分层结构，而应该是分区分层结构。在有山川、湖泊的地区，土壤分区的分界面等效成斜面更符合实际情况，如图2所示。对于图3所示的水平分层土壤中有局本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种分区分层土壤中地中电流场分布的计算方法，其特征在于，包括：步骤1、将分区分层土壤中相邻区域的分界面剖分成多个单元，所述单元满足唯一的边界条件；步骤2、在每个单元的两侧分别引入一个面电流，两侧的面电流分别对应单元的两侧区域；步骤3、根据电磁场边界条件建立方程，计算每个单元两侧的面电流密度；步骤4、基于每个单元两侧的面电流密度，使用复镜像法计算分区分层土壤中任意位置的电场，从而确定分区分层土壤中地中电流场的分布。

【技术特征摘要】
1.一种分区分层土壤中地中电流场分布的计算方法，其特征在于，包括：步骤1、将分区分层土壤中相邻区域的分界面剖分成多个单元，所述单元满足唯一的边界条件；步骤2、在每个单元的两侧分别引入一个面电流，两侧的面电流分别对应单元的两侧区域；步骤3、根据电磁场边界条件建立方程，计算每个单元两侧的面电流密度；步骤4、基于每个单元两侧的面电流密度，使用复镜像法计算分区分层土壤中任意位置的电场，从而确定分区分层土壤中地中电流场的分布。2.如权利要求1所述的分区分层土壤中地中电流场分布的计算方法，其特征在于，所述唯一的边界条件为单元的两侧区域中任意一侧区域的土壤电阻率唯一。3.如权利要求1所述的分区分层土壤中地中电流场分布的计算方法，其特征在于，所述步骤3中，单元两侧的面电流密度的计算方法为：步骤31、根据电磁场边界条件建立方程①：式中：为单元k中心左侧的场强，为单元k中心右侧的场强，为单元k的法向单位向量，为单元k的切向单位向量，ρII1为该单元左侧土壤电阻率，ρIII1为该单元右侧土壤电阻率；步骤32、假设所有分区分界上剖分的单元总数为m，用m×1的矩阵EI1表示导体电流在各单元左侧法向方向上产生的电场，EI2表示导体电流在各单元左侧切向方向上产生的电场，EI3表示导体电流在各单元右侧法向方向上产生的电场，EI4表示导体电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：张波，何金良，廖永力，曹方圆，李锐海，孟晓波，庄池杰，曾嵘，
申请(专利权)人：清华大学，南方电网科学研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京;11