一种基于有限元法的接地材料土壤腐蚀评价及寿命预测方法技术

本发明专利技术公开了基于有限元法的接地材料土壤腐蚀评价及寿命预测方法，包括以下步骤：S1：采集土壤样品；S2：对土壤样品进行理化分析得到土壤样品的物性参数；S3：建立模拟仿真系统，导入接地单元几何模型；S4：在模拟仿真模拟系统中设置材料的特性参数及土壤样品的物性参数；S5：设置物理场及边界条件；S6：计算并得到腐蚀特性结果。利用本发明专利技术的技术方案，即接地材料在土壤中腐蚀速率的有限元分析法，可以得出在特定土壤环境下接地装置各个部分的腐蚀程度，从而提供重点优化的思路。同时能够计算特定时间范围内的接地材料腐蚀速率，可以在很大程度上降低接地网络在各地区测量实验的难度和所耗费的时间，达到缩短预测时间和节约测试成本的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种基于有限元法的接地材料土壤腐蚀评价及寿命预测方法
本专利技术涉及接地材料的腐蚀评测
，具体是基于有限元法的接地材料土壤腐蚀评价及寿命预测方法。
技术介绍
接地网是是发电、变电和输电系统安全运行的重要安全屏障，是保证电力系统安全运行不可缺少的一部分。接地网是隐蔽工程，其耐久性设计要求和周围设施的寿命相当(一般≥30年)，接地装置长期处于地下环境，土壤腐蚀不可避免。土壤一般是由固、液、气三相组成的复杂不均匀物质，影响接地体土壤腐蚀的环境因素包括土壤的含水量、土壤电阻率、离子浓度、酸碱度等，接地体在土壤环境中的腐蚀以电化学腐蚀为主(包括电偶腐蚀、缝隙腐蚀、微生物腐蚀等)。若接地网遭受严重腐蚀，运行中满足不了热稳定性要求，当发生短路时，往往造成事故扩大。因此，接地体的腐蚀安全性对变电站的稳定运行起到了至关重要的作用。而土壤腐蚀由于国家地缘辽阔，土壤种类繁多，监测时间长，所以需要大量的现场人员和设备进行，会投入相当大的成本。
技术实现思路
本专利技术为克服上述情况不足，旨在提供一种能解决上述问题的技术方案。基于有限元法的接地材料土壤腐蚀评价及寿命预测方法，包括以下步骤：S1：采集土壤样品；S2：对土壤样品进行理化分析得到土壤样品的物性参数；S3：建立模拟仿真系统，导入接地单元几何模型；S4：在模拟仿真模拟系统中设置材料的特性参数及土壤样品的物性参数；S5：设置物理场及边界条件；S6：计算并得到腐蚀特性结果。进一步的，土壤样品的物性参数包括如土壤含水率、孔隙率、pH值、离子浓度。进一步的，材料的特性参数包括材料的交换电流密度、平衡电位、传递系数。进一步的，物理场及边界条件通过以下步骤建立：S1：选择电场和系物质传输作为计算物理场；S2：建立控制方程：其中：为电极电势，ci为离子浓度，Di为扩散系数，Ri为离子参与反应的消耗与生成；S3：建立电极表面的电极反应动力学方程：η＝φs-φl-Eeq其中：Iloc为电化学反应电流密度，αa、αc分别为阳极和阴极的传递系数，η为过电位，I0为电化学反应交换电流密度，Eeq为材料的平衡电位。与现有技术相比，本专利技术取得的有益效果为：利用本专利技术的技术方案，即接地材料在土壤中腐蚀速率的有限元分析法，可以得出在特定土壤环境下接地装置各个部分的腐蚀程度，从而提供重点优化的思路。同时能够计算特定时间范围内的接地材料腐蚀速率，可以在很大程度上降低接地网络在各地区测量实验的难度和所耗费的时间，达到缩短预测时间和节约测试成本的目的。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例一的腐蚀电位曲线图。图2为本专利技术实施例一的接地装置三维实体模型图。图3为本专利技术实施例一的接地装置三维实体网格剖分图。图4为本专利技术实施例一的电极的电势分布图。图5为本专利技术实施例一的土壤中氧离子的浓度分布图。图6为本专利技术实施例一的电极表面的反应电流分布图。图7为本专利技术实施例一的腐蚀速率对比曲线图。具体实施方式下面将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，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，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。基于有限元法的接地材料土壤腐蚀评价及寿命预测方法，包括以下步骤：S1：采集土壤样品；S2：对土壤样品进行理化分析得到土壤样品的物性参数；S3：建立模拟仿真系统，导入接地单元几何模型；S4：在模拟仿真模拟系统中设置材料的特性参数及土壤样品的物性参数；S5：设置物理场及边界条件；S6：计算并得到腐蚀特性结果。进一步的，土壤样品的物性参数包括如土壤含水率、孔隙率、pH值、离子浓度。进一步的，材料的特性参数包括材料的交换电流密度、平衡电位、传递系数。进一步的，物理场及边界条件通过以下步骤建立：S1：选择电场和系物质传输作为计算物理场；S2：建立控制方程：其中：为电极电势，ci为离子浓度，Di为扩散系数，Ri为离子参与反应的消耗与生成；S3：建立电极表面的电极反应动力学方程：η＝φs-φl-Eeq其中：Iloc为电化学反应电流密度，αa、αc分别为阳极和阴极的传递系数，η为过电位，I0为电化学反应交换电流密度，Eeq为材料的平衡电位。【实施例一】为验证本专利技术基于有限元法的接地材料土壤腐蚀评价及寿命预测方法的数据准确性，采取一处中性土壤作为土壤样本，接地材料分别为镀锌钢和柔性石墨作为实验体：S1：采集一定体积的失效接地装置所处的土壤样品；S2：对失效接地装置所处的土壤理化参数进行检测，理化检测参数主要为与材料腐蚀相关的参数，如土壤含水率、孔隙率、pH值、相关离子浓度等，如下表所示：序号检测项目数据1pH值5.742含水量13.07％3体积电阻率38.29Ω·m4总盐分446.20mg/Kg5Cl-浓度117.36mg/Kg6SO42-浓度58.18mg/Kg7氧化还原电位215.39mV/SCE8相对孔隙度0.409S3：对接地装置所用的镀锌钢、柔性石墨材料在模拟土壤环境下的腐蚀动力学参数进行测试，得到如图1所示的腐蚀电位曲线图；对腐蚀电位、交换电流密度等参数进行拟合，数值如下表所示：S4：测试柔性石墨与镀锌钢电偶对在模拟土壤环境中的电偶电流、耦合电位，分析电偶腐蚀严重等级；S5：绘制接地装置三维实体模型图，如图2所示，将接地装置的三维实体模型图导入到仿真软件中，并对其进行网格剖分工作，网格数量为457500个网格单元，平均网格质量为0.7，得到如图3所示的接地装置三维实体网格剖分图；S6：输入S2中的土壤理化参数；S7：编辑求解对应的控制方程：其中：为电极电势，ci为离子浓度，Di为扩散系数，Ri为离子参本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于有限元法的接地材料土壤腐蚀评价及寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1：采集土壤样品；/nS2：对土壤样品进行理化分析得到土壤样品的物性参数；/nS3：建立模拟仿真系统，导入接地单元几何模型；/nS4：在模拟仿真模拟系统中设置材料的特性参数及土壤样品的物性参数；/nS5：设置物理场及边界条件；/nS6：计算并得到腐蚀特性结果。/n

【技术特征摘要】
1.基于有限元法的接地材料土壤腐蚀评价及寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采集土壤样品；
S2：对土壤样品进行理化分析得到土壤样品的物性参数；
S3：建立模拟仿真系统，导入接地单元几何模型；
S4：在模拟仿真模拟系统中设置材料的特性参数及土壤样品的物性参数；
S5：设置物理场及边界条件；
S6：计算并得到腐蚀特性结果。


2.根据权利要求1所述基于有限元法的接地材料土壤腐蚀评价及寿命预测方法，其特征在于，土壤样品的物性参数包括如土壤含水率、孔隙率、pH值、离子浓度。


3.根据权利要求1所述基于有限元法的接地材料土壤腐蚀评价及寿命预测方法，其特征在于，材料的特...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国锋，陈晓朋，胡松江，李付磊，李建鑫，吕坤阳，务孔永，邢远，张明磊，郑伟，周媛，朱渊博，
申请(专利权)人：河南四达电力设备股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41