CN111967161B - 一种用于塔杆腐蚀接地极接地参数分析的数值计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于塔杆腐蚀接地极接地参数分析的数值计算方法，属于电力系统领域。首先给出了接地极表面泄露电流的计算方法，并研究了腐蚀产物层的边界条件，最终基于伽辽金法和边界元法的基本原理，提出了适用于腐蚀接地极接地参数分析的数值计算方法。通过算例分析，并对比CDEGS计算结果，验证了本发明工作的有效性和正确性。因此，本发明提出的计算方法可为准确计算腐蚀接地极接地参数奠定理论基础，并为接地网设计等方面提供参考。

Description

一种用于塔杆腐蚀接地极接地参数分析的数值计算方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，涉及一种用于塔杆腐蚀接地极接地参数分析的数值计算方法。

背景技术

杆塔接地极是保障电力系统安全稳定运行的重要基础设施，其接地性能的优劣直接影响输电线路的供电可靠性。但受到土壤和泄露电流的作用，输电线路碳钢接地极普遍存在腐蚀情况。腐蚀后的接地极表面会附着一层电阻率远大于土壤的腐蚀产物，影响接地极正常的电流溢散过程，导致接地极的接地性能发生改变。准确分析含腐蚀产物层接地极的接地性能对电力系统安全稳定运行具有深远的意义。

刘渝根等根据电网络分析方法，将接地极的阻抗结构等效为纯电阻网络，通过对比各支路电阻的变化，实现了接地极的腐蚀故障诊断。付志红研究团队通常磁感应线圈的方式判断接地网是否发生腐蚀断裂，提出了利用电磁感应寻找接地网腐蚀断点的想法。周利军等利用CDEGS专业软件分析了接地极腐蚀对接地电阻的影响。重庆大学黄胜鑫利用改进的Freschi特性参数计算模型分析了接地导体尚未形成断点和发生腐蚀断裂两种腐蚀情况对接地极接地性能的影响。武汉大学张露则利用导电涂层模型等效腐蚀对接地导体散流过程的影响，并根据腐蚀接地极模型对接地体的散流电阻计算公式进行了修改。

现有的方法主要两方面问题：1、仅从接地极断点与接地极极体变细的角度对接地极腐蚀前后接地性能进行分析，而忽略了腐蚀产物层的影响，使接地极的腐蚀诊断出现较大误差；2、完全不考虑接地极的腐蚀状态，仅仅将接地极划分为已经腐蚀断裂和未腐蚀两种状态，不符合工程实际。为解决上述问题，并准确计算不同腐蚀状态下接地极的接地参数，本发明提出了一种用于杆塔腐蚀接地极接地参数分析的数值计算方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于塔杆腐蚀接地极接地参数分析的数值计算方法。可实现不同腐蚀状态接地极接地参数的准确计算。首先给出了接地极表面泄露电流的计算方法，并研究了腐蚀产物层的边界条件，最终基于伽辽金法和边界元法的基本原理，提出了适用于杆塔腐蚀接地极接地参数分析的数值计算方法。本发明提出的计算方法可为准确计算腐蚀接地极接地参数奠定理论基础，并为接地网设计等方面提供参考。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于塔杆腐蚀接地极接地参数分析的数值计算方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：接地极泄露电流计算；

步骤2：腐蚀边界分析；

步骤3：腐蚀接地极接地参数计算。

可选的，所述步骤1具体为：

步骤1：接地极泄露电流计算

接地参数的计算通常首先将接地装置划分为很多段，每一段上有两类节点；每一段的中间为m类节点，仅有泄露电流，不和外部电路发生连接；每一段的两段为e类节点，无泄露电流，和外部电路发生连接，即电流注入总是发生在e类节点上；根据节点对接地装置进行分段后，得：

其中Y_ee和Y_mm为e类节点和m类节点之间的自导，Y_em和Y_me相等，为e类节点和m类节点的互导，R为分析m类节点时的导纳矩阵，Ue为e类节点电位，Um为m类节点电位，Ie为e类节点注入电流；根据节点之间的关系求出Y_ee,Y_em,Y_me,Y_mm和Y^-1；每一段的泄露电流组成的矩阵I_m，得：

I_m＝Y^-1U_m (2)。

可选的，所述步骤2具体为：

在边界元法的求解过程中需对腐蚀产物层与土壤分界面进行离散剖分处理，采用任意曲边四边形将分界面剖分为m个边界单元；如果被剖分的单元足够多，则把每个边界元上存在的电荷看作是均匀分布，其中每个边界单元面积为ΔS₁,ΔS₂,…,ΔS_m，边界单元上的自由面电荷密度为η₁,η₂,…,η_m；

其中分界面体电流密度和电位移矢量的法向分量的衔接条件，得：

其中σ_c与σ_s分别为腐蚀产物层与土壤的电导率，η_q为第q个边界元的自由面电荷密度，是第q个边界元处从腐蚀产物层指向土壤的单位法向向量，ε为腐蚀产物的介电常数，是第q个边界元处土壤中的电场强度。

可选的，所述步骤3具体为：

结合求得的泄露电流和土壤与腐蚀物分界面上的电荷，第q个边界元处土壤中的电场强度为：

其中I_i为接地导体上第i个节点的泄露电流，为坐标原点指向ΔS_q的场点距离向量；第一项为ΔS_q上的电荷产生的电场，第二项为腐蚀产物层与土壤分界面除去ΔS_q的其他边界元上电荷产生的电场，第三项为接地极泄露电流产生的电场，第三项的计算主要类似于的伽辽金法，匹配点并选择在第q个边界元上；

对于含腐蚀产物层接地极，接地极的电位还应考虑分界面上自由电荷的贡献；根据点电荷在空间中产生的电位，得边界元j的自由面电荷在接地极表面匹配点p(x_p,y_p,z_p)处产生的电位为；得腐蚀接地极表面匹配点p处的电位为：

式(5)求得腐蚀接地极表面的电位，式(2)求得的接地极表面泄露电流，结合上式则求得腐蚀接地极的接地电阻和地表电位的接地参数。

本发明的有益效果在于：本发明提出的计算方法可为准确计算腐蚀接地极接地参数奠定理论基础，并为接地网设计等方面提供参考。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为腐蚀层与土壤分界面剖分示意图；

图2为水平腐蚀接地极模型；

图3为腐蚀水平接地极泄露电流分布；

图4为本发明专利计算的地表电位分布；

图5为CDEGS软件计算的地表电位分布。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

一种用于杆塔腐蚀接地极接地参数分析的数值计算方法主要包括腐蚀接地极建模部分和接地参数计算两个部分。腐蚀接地极接地参数计算主要包括接地极泄露电流和地表电位计算。以计算水平腐蚀接地极为例，具体可以通过以下方式实施。

步骤1建立接地极计算模型

图2为水平腐蚀接地极模型；以腐蚀水平接地极为例，假定接地极长度L为5m，引下线长度与接地极埋设深度为0.8m，接地极初始直径为12mm，则当接地极腐蚀深度为2mm，腐蚀产物层厚度d_c为4.57mm，腐蚀产物层电阻率设置为1000Ω·m。其中对接地导体进行剖分时，引下线与接地极上微段长度相等，且均为0.05m，则引下线剖分为16段，水平接地极极体剖分为100段。对腐蚀产物层与土壤分界面进行剖分时，沿接地极轴向剖分方式与接地体剖分方式相同，沿圆弧剖分时每个边界元的弧度为0.04π，剖分为50段，则对于腐蚀产物层与土壤分界面共剖分了5800个边界元。

步骤2接地参数计算

首先采用发明内容步骤1中式(1)到式(4)计算出腐蚀水平接地极的泄露电流如图3所示。进一步采用步骤2中式(5)分析腐蚀接地极的边界条件。结合已经求得的泄露电流和腐蚀边界条件，采用式(7)到式(10)最终计算出腐蚀接地极的地表电位如图4所示。采用接地计算领域广泛认可的商用软件CDEGS的计算上述腐蚀接地极的溢散电流和地表电位分布如图3，图5所示。CDEGS软件的计算结果验证了本发明专利的正确性和优越性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种用于塔杆腐蚀接地极接地参数分析的数值计算方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤1：接地极泄露电流计算；

步骤2：腐蚀边界分析；

步骤3：腐蚀接地极接地参数计算；

所述步骤1具体为：

步骤1：接地极泄露电流计算

接地参数的计算通常首先将接地装置划分为很多段，每一段上有两类节点；每一段的中间为m类节点，仅有泄露电流，不和外部电路发生连接；每一段的两端为e类节点，无泄露电流，和外部电路发生连接，即电流注入总是发生在e类节点上；根据节点对接地装置进行分段后，得：

其中Y_ee和Y_mm为e类节点和m类节点之间的自导，Y_em和Y_me相等，为e类节点和m类节点的互导，Ue为e类节点电位，Um为m类节点电位，Ie为e类节点注入电流；根据节点之间的关系求出Y_ee,Y_em,Y_me,Y_mm和Y^-1；每一段的泄露电流组成的矩阵I_m，得：

I_m＝Y^-1U_m (2)

所述步骤2具体为：

在边界元法的求解过程中需对腐蚀产物层与土壤分界面进行离散剖分处理，采用任意曲边四边形将分界面剖分为m个边界单元；如果被剖分的单元足够多，则把每个边界元上存在的电荷看作是均匀分布，其中每个边界单元面积为ΔS₁,ΔS₂,…,ΔS_m，边界单元上的自由面电荷密度为η₁,η₂,…,η_m；

其中分界面体电流密度和电位移矢量的法向分量的衔接条件，得：

其中σ_c与σ_s分别为腐蚀产物层与土壤的电导率，η_q为第q个边界元的自由面电荷密度，是第q个边界元处从腐蚀产物层指向土壤的单位法向向量，ε为腐蚀产物的介电常数，是第q个边界元处土壤中的电场强度；

所述步骤3具体为：

结合求得的泄露电流和土壤与腐蚀物分界面上的电荷，第q个边界元处土壤中的电场强度为：

其中I_i为接地导体上第i个节点的泄露电流，为坐标原点指向ΔS_q的场点距离向量；第一项为ΔS_q上的电荷产生的电场，第二项为腐蚀产物层与土壤分界面除去ΔS_q的其他边界元上电荷产生的电场，第三项为接地极泄露电流产生的电场，第三项的计算主要类似于的伽辽金法，匹配点并选择在第q个边界元上；

对于含腐蚀产物层接地极，接地极的电位还应考虑分界面上自由电荷的贡献；根据点电荷在空间中产生的电位，得边界元j的自由面电荷在接地极表面匹配点p(x_p,y_p,z_p)处产生的电位为；得腐蚀接地极表面匹配点p处的电位为：

式(5)求得腐蚀接地极表面的电位，式(2)求得的接地极表面泄露电流，结合上式则求得腐蚀接地极的接地电阻和地表电位的接地参数。