一种单极大地运行方式下地中电流分布研究方法技术

本发明专利技术公开了一种单极大地运行方式下地中电流分布研究方法，该方法首先根据接地极所在地区的自然条件，考虑了大地地质结构及土壤电阻率，分层较多的土壤模型及实测的土壤电阻率使仿真结果更准确；由于流入交流系统的零序电流对附近地表电位的场计算是有影响的，因此本发明专利技术把零序电流的直流通路等效为一个电阻加入到ANSYS仿真模型中，与地表电位的场计算同时进行，能够使结果更准确，有着良好的应用前景。

A Study Method of Current Distribution in Ground under Single-Great Operation Mode

【技术实现步骤摘要】
一种单极大地运行方式下地中电流分布研究方法
本专利技术属于电力系统领域，具体涉及一种单极大地运行方式下地中电流分布研究方法。
技术介绍
当高压直流系统采用单极大地运行方式时，会有上千安培的直流电流流入大地。接地电流通过接地极向四周土壤扩散，并在周围很大范围内形成一个恒定的直流电流场。如果电流场内有中性点接地的变压器，它可能给电流提供比土壤更好的导电通道。因此，一部分电流会通过变压器中性点流入交流系统。这部分通过变压器中性点流入交流系统的直流就是本专利技术研究的零序电流。研究零序电流的大小，有助于分析直流偏磁对变压器的影响，并在此基础上提出减小零序电流影响的方案。直流单极大地运行将造成地表电位分布不均匀，地表电位改变使接地变压器中性点存在电位差，使以接地变压器、架空线构成的回路中流过零序电流。要计算零序电流的数值，可以先求得各变压器中性点处的地表电位，然后根据交流系统直流通路的网络结构列节点电压方程即可求解。地表电位的求解可以采用经典的电磁场理论法、镜像法和拉普拉斯法等，但实际情况下由于模型和问题的条件过于复杂，使得解析解很难得到。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种单极大地运行方式下地中电流分布研究方法，以克服现有技术存在的缺陷，本专利技术能够较为准确地计算单极大地运行方式下地中电流的分布情况。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种单极大地运行方式下地中电流分布研究方法，包括以下步骤：步骤1、依据接地极附近的地质构造和土壤电阻率，并参考大地典型结构将土壤结构划分为：水平分层结构和垂直分层结构，其中水平分层结构考虑大地分层结构对地表电位的影响，垂直分层结构考虑接地极附近有电阻率远小于土壤的海洋地质情况；步骤2、在ANSYS中建立四层水平分层结构的土壤模型以及圆环形的接地电极模型；步骤3、基于ANSYS建立的土壤模型，求解接地电极模型周围的地表电位分布情况；同时基于ANSYS建立的土壤模型，考虑地表电位的场计算与零序电流的电路计算之间的相互影响，求解地中电流分布。进一步地，步骤1中依据接地极附近的地质构造和土壤电阻率，并在设定范围内将土壤电阻率近似为均匀分布，然后参考大地典型结构对土壤结构划分。进一步地，步骤2中所建立的土壤模型为四分之一的圆柱体模型。进一步地，步骤3中通过当地电网实测情况设置接地电极中的电流以及第四层水平分层结构底面的电位值，以研究接地极周围地表电位的分布情况；据此，在ANSYS建立的土壤模型上连接上直流通路的电路，以实现将地表电位的场计算跟零序电流的电路计算同时完成，将零序电流在交流电网中的直流通路等效为一个电阻，其阻值为交流线路的电阻和变压器中性点的接地电阻之和。进一步地，还包括步骤4：在ANSYS建立的土壤模型中，加入多个变压器中性点，形成多个零序电流通路，研究中性点个数对地中电流的仿真计算的影响；改变土壤模型中变压器中性点的位置，研究接地极与换流站间的距离对零序电流的影响；改变土壤模型中电流同路的组织以研究不同线路长度时的零序电流数量级。进一步地，步骤4中不同的线路长度通过改变电阻值来模拟。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术方法首先根据接地极所在地区的自然条件，考虑了大地地质结构及土壤电阻率，分层较多的土壤模型及实测的土壤电阻率使仿真结果更准确；由于流入交流系统的零序电流对附近地表电位的场计算是有影响的，因此本专利技术把零序电流的直流通路等效为一个电阻加入到ANSYS仿真模型中，与地表电位的场计算同时进行，能够使结果更准确，有着良好的应用前景。附图说明图1为四层结构的ANSYS仿真模型，其中，(a)表示土壤三维模型；(b)土壤三维模型剖面图；图2为电极周围地表电位分布，其中，(a)表示电阻率设置1下的地表电位情况；(b)表示电阻率设置2下的地表电位情况；图3为大地模型总接入直流通路，其中，(a)表示只有一个交流线路时的仿真模型；(b)表示存在有两个交流线路时的仿真模型；图4为考虑流入变压器中性点的电流后的地表电位分布。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施过程作进一步详细描述：如图1所示，本专利技术是一种单极大地运行方式下地中电流分布研究方法，包括以下步骤：步骤1：在研究直流输电系统接地极附近大地中的电流时需要考虑地质结构的影响。土壤结构选择的不同，对仿真结果影响很大，在建立ANSYS仿真模型时需要了解接地极附近的地质构造和土壤电阻率。对于大地结构以及土壤的电阻率的设置，可以参考大地典型结构，如表1所示。表1大地典型结构层数层深(m)电阻率(Ω.m)腐植土层几米～几十米10～1000全新世地层1～4km100～400原始岩层10～30km1000～20000地球内部热层几千公里≈0土壤电阻率的分布又是不均匀的，在仿真计算中不可能将土壤模型无限细分，只能在一定范围内将土壤电阻率近似看作均匀分布。一般来说土壤结构的划分可以分为：(1)水平分层结构；(2)垂直分层结构。水平分层结构将某一水平分层的土壤电阻率看作定值，考虑了大地分层结构对地表电位的影响。垂直分层结构主要用于考虑接地极附近有电阻率远小于土壤的海洋地质情况。为了确保仿真结果准确，可以将土壤结构层数增加，尽量接近实际的情况。步骤2：参考大地的典型结构建立四层水平分层结构的土壤模型，接地电极模型为圆环形。由于接地电极和大地的模型都是轴对称模型，因此可以考虑将模型简化，只建立四分之一的圆柱体模型，如图1所示。模型参数为：电极模型为直径600米的实心圆环，环剖面直径为2米，电阻率为1×10－7Ω.m。土壤模型为水平分层结构，其径向距离为100km，土壤电阻率如表2所示。表2不同层数层深及土壤电阻率层数层深(m)电阻率(Ω.m)1501502300040031000010000450000100步骤3：研究电极周围的地表电位分布。设置边界条件：在电极上加入3000/4安培的电流，第四层水平分层结构的底面设定为零电位处。ANSYS计算结果如图2中(a)所示，图中曲线为从接地电极处沿一条直线向外延伸的路径上地表电位的变化，纵坐标为电位(单位：伏特)，横坐标为到接地点的距离(单位102米)。将第2层的电阻率改为1000，仿真电阻率升高对同一路径上的地表电位的影响，仿真结果如图2中(b)所示。由图2可见，电极周围电位很高，但电位降落速度很快，在大约10km处就降落到60V左右，超过50km电位已经降落到接近零电位。将第二层的电阻率增大后，电极周围地表电位明显升高，但对距离电极较远处的电位影响较小。土壤电阻率的改变会对地表电位产生很大影响，从而使流入交流系统的零序电流也产生很大变化。步骤4：ANSYS软件可以同时进行场和电路的计算，在场域模型上连接上直流通路的电路即可。由于零序电流在交流系统中流动的路径是一个纯电阻的路径，因此，可以将零序电流在交流电网中的直流通路等效为一个电阻R1，其阻值为交流线路的电阻和变压器中性点的接地电阻之和，电阻两端表示直流通路两个变压器的中性点，如图3中(a)所示。为了验证流入交流系统的直流对其周围地表电位分布的影响，考虑在距接地极15km处有一变压器的中性点，并与单纯计算大地电位比较。计算结果如图4所示。如果周围还有其它的交流线路，它们之间也会产生相互影响。如图3中(b)所示，研究考虑变压器中性点本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单极大地运行方式下地中电流分布研究方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、依据接地极附近的地质构造和土壤电阻率，并参考大地典型结构将土壤结构划分为：水平分层结构和垂直分层结构，其中水平分层结构考虑大地分层结构对地表电位的影响，垂直分层结构考虑接地极附近有电阻率远小于土壤的海洋地质情况；步骤2、在ANSYS中建立四层水平分层结构的土壤模型以及圆环形的接地电极模型；步骤3、基于ANSYS建立的土壤模型，求解接地电极模型周围的地表电位分布情况；同时基于ANSYS建立的土壤模型，考虑地表电位的场计算与零序电流的电路计算之间的相互影响，求解地中电流分布。

【技术特征摘要】
1.一种单极大地运行方式下地中电流分布研究方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、依据接地极附近的地质构造和土壤电阻率，并参考大地典型结构将土壤结构划分为：水平分层结构和垂直分层结构，其中水平分层结构考虑大地分层结构对地表电位的影响，垂直分层结构考虑接地极附近有电阻率远小于土壤的海洋地质情况；步骤2、在ANSYS中建立四层水平分层结构的土壤模型以及圆环形的接地电极模型；步骤3、基于ANSYS建立的土壤模型，求解接地电极模型周围的地表电位分布情况；同时基于ANSYS建立的土壤模型，考虑地表电位的场计算与零序电流的电路计算之间的相互影响，求解地中电流分布。2.根据权利要求1所述的一种单极大地运行方式下地中电流分布研究方法，其特征在于，步骤1中依据接地极附近的地质构造和土壤电阻率，并在设定范围内将土壤电阻率近似为均匀分布，然后参考大地典型结构对土壤结构划分。3.根据权利要求1所述的一种单极大地运行方式下地中电流分布研究方法，其特征在于，步骤2中所建立的土壤模型为四分之一的圆柱体模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺晓，陈洁羽，李宗博，何安阳，焦在滨，郝治国，
申请(专利权)人：国网陕西省电力公司电力科学研究院，西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61