[發明專利]直流接地極及桿塔接地網附近電磁場的有限元分析方法

有效

• 申請號: 201711236145.1
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN107831370B
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發明（設計）人: 楊曉萍;郭揚
• 申請（專利權）人: 西安理工大學
• 主分類號: G01R29/08
• 分類號: G01R29/08
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 韓玙

1.直流接地極及桿塔接地網附近電磁場的有限元分析方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施：

步驟1、建立模型，設置相關參數；

步驟2、添加材料屬性；

步驟3、添加邊界條件；

步驟4、網格化分；

步驟5、電磁場分布計算；

其中

所述步驟1具體為：

針對直流接地極：建立直流接地極模型，設接地極環內環的半徑為R₁，接地極環外環的半徑為R₂，單個接地極環的截面直徑D₁，接地極環埋深為h，接地極環周圍覆蓋一層碳層，外環碳層尺寸為m₁*m₁，內環碳層尺寸為m₂*m₂；

設土壤模型為四層土壤模型，層深分別為H₁＝0-0.03km，H₂＝0.03-10km，H₃＝10-50km，H₄＝50-∞km，土壤橫向半徑R₃＝50km；

針對桿塔接地網，建立桿塔接地網模型：設桿塔根開L，矩形邊長a，桿塔接地網射線的長度b，桿塔接地網埋深為h₂，采用的材料橫截面直徑為D₂，設桿塔接地網附近的土壤模型為邊長a＝150m的正方體；

所述步驟2具體為：

針對直流接地極：接地極環采用低碳鋼棒Q235，設接地極環的電阻率為ρ₁，相對磁導率為μ₁，相對介電常數為ε₁，碳層的材料為焦炭，設碳層電阻率為ρ₂，相對磁導率為μ₂，相對介電常數為ε₂，四層土壤模型中各層土壤的電阻率分別為ρ₃₁，ρ₃₂，ρ₃₃，ρ₃₄，相對磁導率分別為μ₃₁，μ₃₂，μ₃₃，μ₃₄，相對介電常數分別為ε₃₁，ε₃₂，ε₃₃，ε₃₄；

針對桿塔接地網：桿塔接地網的材料為D12的圓鋼，設電阻率為ρ₄，相對磁導率為μ₄，相對介電常數為ε₄，土壤的電阻率為ρ₅，相對磁導率為μ₅，相對介電常數為ε₅；

所述步驟3具體為：

針對直流接地極：向接地極環注入當直流輸電系統處于單極大地回路運行方式時流入接地極的電流I₁，此時，直流輸電工程處于單極大地回線運行方式時，設定無窮遠處的電壓為0V；

針對桿塔接地網：向桿塔接地網注入的泄漏電流為I₂，將所建立的桿塔接地網附近土壤模型的下邊界設置為接地；

所述步驟4具體為：

針對直流接地極：網格劃分采用自由剖分三角形網格劃分，網格中單元的尺寸需設置如下參數：最大單元尺寸n₁，最小單元尺寸n₂，最大單元增長率λ，曲率因子η，狹窄區域的分辨率δ；

針對桿塔接地網：網格劃分采用自由剖分四面體網格劃分，網格中單元的尺寸需設置如下參數：最大單元尺寸n₁，最小單元尺寸n₂，最大單元增長率λ，曲率因子η，狹窄區域的分辨率δ；

步驟5具體為：

利用如下公式將關于直流接地極電磁場計算相關參數代入，

其中，V為接地極附近空間某點的電位，ρ為土壤的電阻率，I₁為當直流輸電系統處于單極大地回路運行方式時流入接地極的電流，K(δ)是以δ為變量的第一類橢圓積分，R₁為接地極環內環的半徑，R₂為接地極環外環的半徑，h為接地極環的埋深，r為接地極地表沿徑向距離，α為空間某點與接地極環徑向的夾角，

計算直流接地極附近電磁場有如下結論：

針對直流接地極：設置計算接地極地表電位分布情況，以及接地極地表沿徑向距離電位分布，得出結論：兩個接地極環上的電位最高，內環電壓略高于外環，以接地極圓環的圓心為起點沿徑向電位逐漸降低，內環土壤的電位較外環土壤的電位高；

利用如下公式將關于桿塔接地網電磁場計算相關參數代入，

因為b＞＞D，所以

其中，J為泄漏電流密度，I₂為注入桿塔接地網的泄漏電流，V為桿塔接地網附近空間某點的電位，b為桿塔接地網射線的長度，ρ為土壤的電阻率，l為沿桿塔接地網射線方向的距離，D為桿塔接地網所用材料的橫截面直徑，h₂為桿塔接地網的埋深；

計算桿塔接地網附近電磁場有如下結論：

針對桿塔接地網：設置計算桿塔接地網周圍電位分布：三維分布和橫切圖，以及桿塔接地網沿射線方向的泄漏電流密度分布，得出結論：桿塔接地網本體上的電位最高，越靠近桿塔接地網電位越高，桿塔接地網內部土壤的電位比外部土壤的電位高，因為桿塔接地網有對稱性，所以它附近的電位也呈現出對稱性，接地網的射線末端泄漏電流密度最大，射線首段的泄漏電流密度最小，接地網矩形和射線的連接處泄漏電流密度有突變，所以桿塔接地網射線末端腐蝕最嚴重，矩形與射線的連接處的腐蝕情況次之。