CN109975596A - 一种单极大地运行方式下地中电流分布研究方法 - Google Patents

一种单极大地运行方式下地中电流分布研究方法 Download PDF

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贺晓
陈洁羽
李宗博
何安阳
焦在滨
郝治国
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Electric Power Research Institute of State Grid Shaanxi Electric Power Co Ltd
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Electric Power Research Institute of State Grid Shaanxi Electric Power Co Ltd
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    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
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    • G01R19/0092—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof measuring current only

Abstract

本发明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。

Description

一种单极大地运行方式下地中电流分布研究方法
技术领域
本发明属于电力系统领域，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。
背景技术
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发明研究的零序电流。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。
发明内容
本发明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，本发明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，本发明采用如下技术方案：
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，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明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
下面结合附图对本发明的实施过程作进一步详细描述：
如图1所示，本发明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 1～4km 100～400
原始岩层 10～30km 1000～20000
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)
1 50 150
2 3000 400
3 10000 10000
4 50000 100
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电流后的地表电压分布，以及两个中性点之间的互相影响，仿真结果如表3所示。实际情况中，当某两台变压器的中性点相距很近时，他们之间会相互影响。
表3仿真结果
步骤5：利用图3中(a)研究接地极与换流站距离对零序电流的影响，以及不同线路长度时的零序电流数量级，不同的线路长度通过改变R1的电阻值来模拟。变压器中性点接地电阻一般在0.5～10Ω之间，对100kVA以下的变压器要求接地电阻不大于10Ω，对于100kVA以上的变压器要求接地电阻不大于4Ω，这里选取较小的数值0.5Ω。交流线路直流电阻取为0.14Ω/km。计算结果如表4所示。
表4计算结果
由表4，随着换流站与接地极之间距离的增加，零序电流逐渐减小。因此，为了减小零序电流对变压器以及互感器造成的影响，应当选择换流站与接地极之间有适当距离。在进行变压器偏磁对继电保护的影响研究时，需要知道流入变压器中性点直流电流的大小。仿真结果中零序电流都在几安培～几十安培之间，在进行变压器偏磁研究时可以考虑将零序电流的数量级设置在几十安培，为变压器偏磁研究提供了依据。

Claims (6)

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。
4.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。
5.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，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。
6.根据权利要求5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4中不同的线路长度通过改变电阻值来模拟。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110457777A (zh) * 2019-07-23 2019-11-15 南方电网科学研究院有限责任公司 土壤电阻率反演方法、系统及可读存储介质
CN111739375A (zh) * 2020-07-14 2020-10-02 云南电网有限责任公司电力科学研究院 基于电气设施漏电环境的地面电位分布模拟方法
CN115267337A (zh) * 2022-09-22 2022-11-01 国网山西省电力公司电力科学研究院 一种广域土壤电阻率的确定方法及装置、存储介质

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007271541A (ja) * 2006-03-31 2007-10-18 Tokiko Techno Kk 地下埋設構造物の腐食診断装置及び腐食診断方法
CN103698577A (zh) * 2013-12-23 2014-04-02 广东电网公司电力科学研究院 直流输电单极运行时变压器中性线电流的计算方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007271541A (ja) * 2006-03-31 2007-10-18 Tokiko Techno Kk 地下埋設構造物の腐食診断装置及び腐食診断方法
CN103698577A (zh) * 2013-12-23 2014-04-02 广东电网公司电力科学研究院 直流输电单极运行时变压器中性线电流的计算方法

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘曲: ""高压直流输电系统单极大地运行时地中电流分布的研究"", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 *
刘曲等: ""复合土壤模型下HVDC系统单极大地运行时的电流分布"", 《中国电机工程学报》 *
曹万磊: ""直流输电接地极土壤模型建立及地下电流分布研究"", 《电气开关》 *
梁晓斌等: ""基于场路耦合方法的直流偏磁仿真研究"", 《四川电力技术》 *
马成廉等: ""高压直流输电接地极地电位分布ANSYS仿真"", 《电网与清洁能源》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110457777A (zh) * 2019-07-23 2019-11-15 南方电网科学研究院有限责任公司 土壤电阻率反演方法、系统及可读存储介质
CN111739375A (zh) * 2020-07-14 2020-10-02 云南电网有限责任公司电力科学研究院 基于电气设施漏电环境的地面电位分布模拟方法
CN115267337A (zh) * 2022-09-22 2022-11-01 国网山西省电力公司电力科学研究院 一种广域土壤电阻率的确定方法及装置、存储介质
CN115267337B (zh) * 2022-09-22 2022-12-09 国网山西省电力公司电力科学研究院 一种广域土壤电阻率的确定方法及装置、存储介质

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