CN111581775A - 一种电极井间相互影响的垂直型接地极温升计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电极井间相互影响的垂直型接地极温升计算方法，包括以下步骤：对单根垂直接地极进行温升模拟试验研究，将试验结果与仿真计算结果进行对照，验证仿真模型的有效性；研究电极井数量和电极井间的距离对接地极温升的影响，确定温升计算过程中需要考虑的电极井的范围R；通过该接地极主电缆分流测试结果以及电极井分流仿真计算结果确定流过电流最大的电极井T，并以电极井T作为主要的研究对象；确定流过电极井T规定范围R以内的N个电极井的电流，搭建仿真模型，只研究电极井T在这N个电极井影响下的温升情况，根据分流测试的结果，快速准确地确定温升的主要研究对象，使问题得到简化，具有较强的工程意义。

Description

一种电极井间相互影响的垂直型接地极温升计算方法

技术领域

本发明涉及接地极电气参数计算领域，尤其涉及一种电极井间相互影响的垂直型接地极温升计算方法。

背景技术

由于我国幅员辽阔，且能源中心远离负荷中心，需要从一次能源集中的西部地区向经济活动活跃的中东部地区进行电能输送。特高压直流输电以其输电容量大，适合远距离传输等优点成为跨区域输电的首选，目前我国已经建设了多条不同电压等级的长距离直流输电线路。接地极是直流输电工程换流站的重要组成部分，起着钳制中性点电位、通流不平衡电流以及在极线检修或者故障时为直流提供大地返回通道的作用。

垂直接地极是由一些主轴垂直的分散单元构成，具有占地面积小，可以将电流导入地底深处，对环境影响较小等优点，是一种可行并极具发展潜力的接地极型式。垂直接地极的馈电棒为直线型，由于端部效应馈电棒两端溢流密度远大于中部溢流密度，端部电流集中使垂直接地极端部的温升问题突出，严重威胁接地极的安全运行。

关于接地极发热的研究，一般以电流场计算结果为基础条件，基于传热学理论计算接地极温升。早期的直流工程接地极入地电流不大，接地极电流引发的土壤温升问题并未凸显，关于这方面的文献不多。目前关于接地体温度场研究主要有公式法、数值计算法和试验法，并且计算中认为土壤参数是不变的。直流接地极的温升计算涉及到电场、温度场、流场等，适合采用有限元方法计算。由于实际的垂直接地极电极井数量众多且占地面积很大，直接根据垂直接地极实际参数搭建仿真模型进行求解，不仅工作量很大，而且会使问题复杂化，导致计算量过大、耗时较长，最终的计算结果准确率也较低；若直接采用单根垂直接地极的温升计算结果代替垂直接地极温升仿真计算结果又过于草率，会使结果出现较大的偏差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种电极井间相互影响的垂直型接地极温升计算方法，能够有效简化计算过程、降低计算误差、优化计算结果。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供了一种电极井间相互影响的垂直型接地极温升计算方法，包括以下步骤：

S1、对单根垂直接地极进行温升模拟试验研究，将试验结果与仿真计算结果进行对照，验证仿真模型的有效性；

S2、研究电极井数量和电极井间的距离对接地极温升的影响，确定温升计算过程中需要考虑的电极井的范围R；

S3、通过该接地极主电缆分流测试结果以及电极井分流仿真计算结果确定流过电流最大的电极井T，并以电极井T作为主要的研究对象；

S4、确定流过电极井T规定范围R以内的N个电极井的电流，搭建仿真模型，只研究电极井T在这N个电极井影响下的温升情况。

进一步，所述验证仿真模型的有效性的步骤为：

1)在直径为0.5m，高为0.5m的不锈钢桶内填充导电介质和土壤模拟大地；

2)电极采用长为0.5m，直径为0.01m的钢棒，布置在所述不锈钢桶的桶体中心，所述钢棒距所述不锈钢桶的桶底0.1m；

3)实验时，电流从所述电极首端注入，经所述不锈钢桶的桶壁回流；

4)在所述电极上选取A、B、C三个温度观测点，用细扎带将热电偶固定在所述电极上的对应位置测量温度。

进一步，所述导电介质为筛过的河沙作为高电阻率土层，黏土作为低电阻率土层；所述不锈钢桶内的下层0.3m采用所述土壤进行填充，所述不锈钢桶内的上层0.2m采用所述导电介质进行填充。

进一步，所述研究电极井数量和电极井间的距离对接地极温升的影响的步骤为：

a)、垂直接地极采用双环型布置结构，外环设置40个垂直电极井，内环设置23个垂直电极井；

b)、电极长30m，电极顶端距地面不小于5m。电极井直径1.2m，采用石油煅烧焦炭填充。除内环两个电极馈电材料井采用φ55圆钢外，其它61个电极井馈电材料均采用φ50高硅铬铁；

c)、接地极线路接至中心塔，从接地极线路上T接导线至管母，主电缆从管母引下直埋电缆引流至内、外极环；

d)、接地极外环分4段，内环分两段，直埋电缆共12个支路，外环8个支路采用3根主电缆并联使用，内环4个支路采用两根主电缆并联使用；

e)、极环上每隔4～6个电极井设置一个电缆监测井，电极井内的3根分支电缆经过电缆壕沟进入就近的电缆监测井通过导流铜排与主电缆连接。

f)、单口电极井参数选用该接地极实际参数，相邻电极井间距为20m，分别计算单口电极井注入100A电流、三口电极井注入300A电流、六口电极井注入600A电流接地极10天的暂态温升。

进一步，所述电极井的范围R的确认为：单口电极井参数选用该垂直接地极实际参数，电极井呈正六边形布置，注入接地极总电流为600A，分别计算相邻电极井间距为5m、10m、30m、50m、70m、100m时垂直接地极温升特性。

进一步，所述电极井T的确定方法为：

I)通过接地极主电缆分流测试的结果，确定分流最大的电缆井；

Ⅱ)找到与所述分流最大的电缆井相连的电极井，并确认流过电流最大的电极井为所述电极井T。

进一步，流过所述电极井T规定范围R以内的N个电极井的电流，搭建仿真模型，只研究所述电极井T在这N个电极井影响下的温升情况。

本发明的有益效果为：根据分流测试的结果，快速准确地确定温升的主要研究对象，使问题得到简化，具有较强的工程意义；

考虑了电极井间的相互影响，确定仿真计算的最简模型，不仅减小了计算的工作量，而且使计算结果更加准确可靠。

附图说明

图1为单根接地极温升试验装置示意图；

图2为试验装置内部布置示意图；

图3为观测点温升实测与仿真结果对比；

图4为某垂直型接地极平面布置图；

图5为六口电极井时接地极底端温升曲线；

图6为接地极主电缆分流测试结果；

图7为各电极井底端温升曲线；

图8为单电极模型20号电极底端温升曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种电极井间相互影响的垂直型接地极温升计算方法，包括以下步骤：

S1、对单根垂直接地极进行温升模拟试验研究，将试验结果与仿真计算结果进行对照，验证仿真模型的有效性；

S2、研究电极井数量和电极井间的距离对接地极温升的影响，确定温升计算过程中需要考虑的电极井的范围R；

S3、通过该接地极主电缆分流测试结果以及电极井分流仿真计算结果确定流过电流最大的电极井T，并以电极井T作为主要的研究对象；

S4、确定流过电极井T规定范围R以内的N个电极井的电流，搭建仿真模型，只研究电极井T在这N个电极井影响下的温升情况。

所述验证仿真模型的有效性的步骤为：

1)在直径为0.5m，高为0.5m的不锈钢桶内填充导电介质和土壤模拟大地；

2)电极采用长为0.5m，直径为0.01m的钢棒，布置在所述不锈钢桶101的桶体中心，所述钢棒距所述不锈钢桶的桶底0.1m；

3)实验时，电流从所述电极首端注入，经所述不锈钢桶的桶壁回流；

4)在所述电极上选取A、B、C三个温度观测点，用细扎带将热电偶固定在所述电极上的对应位置测量温度。

所述导电介质为筛过的河沙作为高电阻率土层，黏土作为低电阻率土层；所述不锈钢桶内的下层0.3m采用所述土壤201进行填充，所述不锈钢桶内的上层0.2m采用所述导电介质301进行填充。

所述研究电极井数量和电极井间的距离对接地极温升的影响的步骤为：

a)、垂直接地极采用双环型布置结构，外环设置40个垂直电极井，内环设置23个垂直电极井；

b)、电极长30m，电极顶端距地面不小于5m。电极井直径1.2m，采用石油煅烧焦炭填充。除内环两个电极馈电材料井采用φ55圆钢外，其它61个电极井馈电材料均采用φ50高硅铬铁；

c)、接地极线路接至中心塔，从接地极线路上T接导线至管母，主电缆从管母引下直埋电缆引流至内、外极环；

d)、接地极外环分4段，内环分两段，直埋电缆共12个支路，外环8个支路采用3根主电缆并联使用，内环4个支路采用两根主电缆并联使用；

e)、极环上每隔4～6个电极井设置一个电缆监测井，电极井内的3根分支电缆经过电缆壕沟进入就近的电缆监测井通过导流铜排与主电缆连接。

f)、单口电极井参数选用该接地极实际参数，相邻电极井间距为20m，分别计算单口电极井注入100A电流、三口电极井注入300A电流、六口电极井注入600A电流接地极10天的暂态温升。

所述电极井的范围R的确认为：单口电极井参数选用该垂直接地极实际参数，电极井呈正六边形布置，注入接地极总电流为600A，分别计算相邻电极井间距为5m、10m、30m、50m、70m、100m时垂直接地极温升特性。

所述电极井T的确定方法为：

I)通过接地极主电缆分流测试的结果，确定分流最大的电缆井；

Ⅱ)找到与所述分流最大的电缆井相连的电极井，并确认流过电流最大的电极井为所述电极井T。

流过所述电极井T规定范围R以内的N个电极井的电流，搭建仿真模型，只研究所述电极井T在这N个电极井影响下的温升情况。

实施例一

参照图1～8所示，一种考虑电极井间相互影响的垂直型接地极温升计算方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1对单根垂直接地极的温升进行模拟试验研究，将试验结果与仿真计算结果对照验证仿真模型的有效性；

如图1所示，为使试验装置的电流场与实际垂直型接地极散流具有相似的分布，单根接地极温升模拟实验在一个直径0.5m，高0.5m的不锈钢桶中进行。桶内填充土壤等导电介质模拟大地，为了模拟土壤的分层结构，采用筛过的河沙作为高电阻率土层，黏土作为低电阻率土层。电极采用长0.5m，直径0.01m的钢棒，其布置在桶体中心，距底面0.1m。试验时电流从电极首端注入，经桶壁回流。桶内的试验装置布置如图2所示，下层0.3m采用土壤进行填充，上层0.2m采用沙土进行填充。A、B、C为桶内选取的温度观测点，用细扎带将热电偶固定在电极上的对应位置测量温度。温升试验使用HSPY-600型直流电源，输出电流在0～3A范围内连续可调，最大输出电压300V，，同时采用万用表测量电极电压。如图3所示，将观测点A、B、C的测量值与仿真值进行对比，可以发现根据实测的土壤电阻率和热容率，对试验装置的温升进行仿真，结果与实测值吻合较好，验证了仿真模型计算的准确性。

步骤2研究电极井数量和电极井间的距离对接地极温升的影响，确定温升计算过程中需要考虑的电极井的范围R；如图4所示，为某接地极的平面示意图，垂直接地极采用双环型布置结构，外环设置40个垂直电极井，内环设置23个垂直电极井。电极长30m，电极顶端距地面不小于5m。电极井直径1.2m，采用石油煅烧焦炭填充。除内环两个电极馈电材料井采用φ55圆钢外，其它61个电极井馈电材料均采用φ50高硅铬铁。接地极线路接至中心塔，从接地极线路上T接导线至管母，主电缆从管母引下直埋电缆引流至内、外极环。接地极外环分4段，内环分两段，直埋电缆共12个支路，外环8个支路采用3根主电缆并联使用，内环4个支路采用两根主电缆并联使用。极环上每隔4～6个电极井设置一个电缆监测井，电极井内的3根分支电缆经过电缆壕沟进入就近的电缆监测井通过导流铜排与主电缆连接。

单口电极井参数选用该接地极实际参数，相邻电极井间距为20m，分别计算单口电极井注入100A电流、三口电极井注入300A电流、六口电极井注入600A电流接地极10天的暂态温升。

单口电极井注入100A电流时接地极运行10天底端最大温升为43℃，三口电极井注入300A电流时接地极运行10天底端最大温升为52℃，图5为六口电极井注入600A电流的接地极底端温升曲线，接地极运行10天底端最大温升为57℃。流过每口电极井电流不变的情况下，随着电极井数量增加接地极温升更迅速，直接采用单口电极井温升计算结果代替垂直接地极模型进行温升计算会使计算结果偏小，进一步说明了本发明专利的有益效果。

单口电极井参数选用该垂直接地极实际参数，电极井呈正六边形布置，注入接地极总电流为600A，分别计算相邻电极井间距为5m、10m、30m、50m、70m、100m时垂直接地极温升特性。表1为不同电极井间距下对应接地极底端10天的最大温升。

表1电极井间距与接地极底端最大温升关系表

说明该接地极参数条件下，间距超过50m的在运行电极井对垂直接地极温升特性影响很小，在搭建接地极仿真模型进行温升计算时可以简化省略。最终确定温升计算过程中需要考虑的电极井的范围R等于50m。

步骤3通过该接地极主电缆分流测试结果以及电极井分流仿真计算结果确定流过电流最大的电极井T，并以电极井T作为主要的研究对象；该接地极主电缆分流测试结果如图6所示，5号电缆井分流最大，占16.4％，与5号电缆井相连的是20～24号电极井，由图4接地极平面布置图可知，20号电极井位于接地极长轴端部，理论上流过的电流最大，故以20号电极井为普洱垂直接地极温升仿真研究的核心。折算到额定电流3125A下流过20～24号电极井的平均电流为102.5A，流过20号电极井的电流120A，确定电极井T20号井作为主要的研究对象。

步骤4确定流过电极井T规定范围R以内的N个电极井的电流，搭建仿真模型，只研究电极井T在这N个电极井影响下的温升情况。距离电极井T20号井50m范围内的电极井有18号、19号、21号、22号共4口电极井，N等于4，流过这4口电极井的电流都为100A。采用此方法简化模型后可进行该接地极温升有限元仿真计算，暂态温升计算时间取5天，18～22号电缆井底端暂态温升如图7所示，流过电流最大的20号电极井5天最大暂态温升为31℃，另外4口电极井底端最大温升为20℃左右。

采用单根垂直接地极温升计算(即模型中仅有20号电极井，不考虑附近电极井影响)时20号电极底端温升曲线如图8所示，相同条件下电极底端5天的暂态温升为25℃，明显低于考虑周围四口电极井影响时的温升模型，这说明直接采用单根垂直接地极温升计算结果会产生较大的误差，而本专利提出的计算方法能大大降低此计算误差。

作为上述方案的改进，所述步骤2中研究电极井数量对接地极温升的影响能够进一步说明在温升的研究过程中，忽略电极井间的相互影响，会给计算结果带来较大的误差；步骤3中基于电缆分流的测试结果，能够更快的确定接地极温升的主要研究对象，从而使问题得到简化。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种电极井间相互影响的垂直型接地极温升计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、对单根垂直接地极进行温升模拟试验研究，将试验结果与仿真计算结果进行对照，验证仿真模型的有效性；

S2、研究电极井数量和电极井间的距离对接地极温升的影响，确定温升计算过程中需要考虑的电极井的范围R；

S3、通过该接地极主电缆分流测试结果以及电极井分流仿真计算结果确定流过电流最大的电极井T，并以电极井T作为主要的研究对象；

S4、确定流过电极井T规定范围R以内的N个电极井的电流，搭建仿真模型，只研究电极井T在这N个电极井影响下的温升情况。

2.根据权利要求1所述的一种电极井间相互影响的垂直型接地极温升计算方法，其特征在于，所述验证仿真模型的有效性的步骤为：

1)在直径为0.5m，高为0.5m的不锈钢桶内填充导电介质和土壤模拟大地；

2)电极采用长为0.5m，直径为0.01m的钢棒，布置在所述不锈钢桶的桶体中心，所述钢棒距所述不锈钢桶的桶底0.1m；

3)实验时，电流从所述电极首端注入，经所述不锈钢桶的桶壁回流；

4)在所述电极上选取A、B、C三个温度观测点，用细扎带将热电偶固定在所述电极上的对应位置测量温度。

3.根据权利要求2所述的一种电极井间相互影响的垂直型接地极温升计算方法，其特征在于：所述导电介质为筛过的河沙作为高电阻率土层，黏土作为低电阻率土层；所述不锈钢桶内的下层0.3m采用所述土壤进行填充，所述不锈钢桶内的上层0.2m采用所述导电介质进行填充。

4.根据权利要求1所述的一种电极井间相互影响的垂直型接地极温升计算方法，其特征在于，所述研究电极井数量和电极井间的距离对接地极温升的影响的步骤为：

a)、垂直接地极采用双环型布置结构，外环设置40个垂直电极井，内环设置23个垂直电极井；

b)、电极长30m，电极顶端距地面不小于5m。电极井直径1.2m，采用石油煅烧焦炭填充。除内环两个电极馈电材料井采用φ55圆钢外，其它61个电极井馈电材料均采用φ50高硅铬铁；

c)、接地极线路接至中心塔，从接地极线路上T接导线至管母，主电缆从管母引下直埋电缆引流至内、外极环；

d)、接地极外环分4段，内环分两段，直埋电缆共12个支路，外环8个支路采用3根主电缆并联使用，内环4个支路采用两根主电缆并联使用；

e)、极环上每隔4～6个电极井设置一个电缆监测井，电极井内的3根分支电缆经过电缆壕沟进入就近的电缆监测井通过导流铜排与主电缆连接。

f)、单口电极井参数选用该接地极实际参数，相邻电极井间距为20m，分别计算单口电极井注入100A电流、三口电极井注入300A电流、六口电极井注入600A电流接地极10天的暂态温升。

5.根据权利要求4所述的一种电极井间相互影响的垂直型接地极温升计算方法，其特征在于：所述电极井的范围R的确认为：单口电极井参数选用该垂直接地极实际参数，电极井呈正六边形布置，注入接地极总电流为600A，分别计算相邻电极井间距为5m、10m、30m、50m、70m、100m时垂直接地极温升特性。

6.根据权利要求1所述的一种电极井间相互影响的垂直型接地极温升计算方法，其特征在于，所述电极井T的确定方法为：

I)通过接地极主电缆分流测试的结果，确定分流最大的电缆井；

Ⅱ)找到与所述分流最大的电缆井相连的电极井，并确认流过电流最大的电极井为所述电极井T。

7.根据权利要求1所述的一种电极井间相互影响的垂直型接地极温升计算方法，其特征在于：流过所述电极井T规定范围R以内的N个电极井的电流，搭建仿真模型，只研究所述电极井T在这N个电极井影响下的温升情况。

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