CN112035990A - 特高压直流输电线路深井接地极的模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种特高压直流输电线路深井接地极的模拟系统，包括：深井接地极模型，大地混合多层土壤模型及地面交流输电网络等效模型；深井接地极模型放置于大地混合多层土壤模型中；大地混合多层土壤模型包括多个水平分层及多个垂直分层，每一分层的电阻率分别设置以对应地质类型；地面交流输电网络等效模型设置于大地混合多层土壤模型之上，地面交流输电网络等效模型根据实际交流输电网络建立，在每个变电站位置对应设置变电站节点；其中变电站节点利用主变直流工况下的接地电阻与绕组直流电阻等效，每条交流输电线路利用直流工况下的线路电阻进行集中参数等效。本发明可仿真特高压直流线路单极大地回线运行时的工作情况。
Description
技术领域
本发明涉及特高压的接地技术领域，尤其涉及一种特高压直流输电线路深井接地极的模拟系统。
背景技术
特高压直流输电在远距离、大容量输电及电网互联方面具有独特的优势，因此在西电东送、全国电网互联等工程中都发挥着重要作用，是解决中国能源分布不均的重大能源战略。近年来，中国已建设数十条特高压直流输电线路，与交流输电系统不同，为了保证换流站内换流阀组的正常运行，通常需要在距离换流站十几到几十公里的地方，单独建设特高压直流线路的接地极。当特高压直流输电线路双极平衡运行时，接地极无电流流过，仅起到电位钳制的作用；但当特高压直流输电线路单极-大地回路运行或双极不平衡运行时，接地极不仅起到钳制换流器中性点电位的作用，同时线路首末两端的接地极还会通过大地构成回路，为直流电流的流过提供通路，每个接地极将流过数千安培的直流电流，共同维持电能的正常传输。
由于每条特高压直流输电线路在建设阶段，为保证工程的经济性，会先建设正极或负极金属回线，然后以单极大地回线方式运行至另外一回金属回线建设完成，再将特高压直流输电线路投运至双极运行。同时每年换流站故障或检修时，也会以单极大地回线方式运行。因此，数千安培的直流电流将不可避免的通过接地极流入地中，并经大地回流至线路对侧换流站。而当数千安培的直流电流长时间流过大地时，会产生电磁效应、热效应和电化学效应，对环境产生巨大影响。比如电流流过大地引起地电位抬升，形成较大的跨步电压和接触电势对经过的人畜，威胁其生命安全。同时地电位抬升造成中性点直接接地变压器绕组中流过直流电流，引起严重的变压器直流偏磁，威胁交流电网运行安全。同时入地直流电流对沿线铁路牵引网及地埋金属管网等也会产生严重的干扰及腐蚀效应。
目前现有的特高压直流输电线路其接地极形式均是采用浅层埋设(埋深数m)的水平同心圆环接地极(半径一般超过200m)。这种形式的接地极利用了地表土壤电阻率较低的特点，接地电阻较小，接地极流出电流分布较为均匀，但在接地极附近地表会产生较大的跨步电压，且电流均从浅层地表流过，对金属管网影响大，沿线变压器直流偏磁严重。同时占地面积大，对极址的要求很高。
而特高压直流输电采用深井接地极可使为接地直流电流提供良好的通路，避免直流电流流过浅层地表，使直流回路不经过变压器，均从深层土壤中流通，将彻底解决变压器直流偏磁问题及入地电流对其他设备的影响，有效提高特高压直流接地极附近相关设备管网的安全稳定运行。但深井接地极通常井深可达1000m，接地极所处地质环境复杂且恶劣，因此目前对于深井接地极的接地特性、温升特性、地下电流分布特性及地表电位分布特性尚不清楚，国内外也未见深井接地极实际应用报道，亟需对深井接地极开展仿真研究，为深井接地极的实际应用提供理论研究基础。
发明内容
本发明提供了一种特高压直流输电线路深井接地极的模拟系统，用于开展深井接地极接地特性、温升特性、地下电流分布特性及地表电位分布等特性研究，从而解决无法获知深井接地极相关特性的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种特高压直流输电线路深井接地极的模拟系统，包括：深井接地极模型，大地混合多层土壤模型及地面交流输电网络等效模型；
深井接地极模型放置于大地混合多层土壤模型中，并与大地混合多层土壤模型直接连接；大地混合多层土壤模型包括多个水平分层及多个垂直分层，每一水平分层或垂直分层的电阻率设置与接地极所在位置实际测量的土壤电阻率一致以表示对应的地质类型；
地面交流输电网络等效模型设置于大地混合多层土壤模型之上，地面交流输电网络等效模型根据实际交流输电网络建立节点网络矩阵，在每个变电站实际所处位置对应的大地混合多层土壤模型之上设置变电站节点；每个变电站节点通过交流输电线路相连，其中变电站节点利用主变直流工况下的接地电阻与绕组直流电阻等效，每条交流输电线路利用直流工况下的线路电阻进行集中参数等效。
作为本发明的方法的进一步改进：
深井接地极模型包括一个或多个深井接地极。
大地混合多层土壤模型采用圆柱布尔模型，圆柱的半径大于深井接地极的井深的100倍。
地面交流输电网络等效模型中每个变电站节点的参数，包括：变电站内的主变压器参数及其接地参数，其中每个变压器的参数按实际选取并统一折算至高压侧对应的参数值；
变压器的接地参数根据变压器实际接地方式设置。
深井接地极包括从外到内依次同轴设置的深井、深井护壁、填充材料和接地钢棒；接地钢棒与馈电电缆连接；
深井接地极的深井的内腔包括上段和下段，绝缘井护壁和金属井护壁分别设置于深井的内腔包括上段和下段中；
接地钢棒放置于下段的金属井护壁中，且接地钢棒与金属井护壁之间填充有用于降低接地电阻的接地降阻材料；
绝缘井护壁与馈电电缆之间还填充有高阻填充材料。
深井的井深为1000m～2000m。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的特高压直流输电线路深井接地极的模拟系统，结构简单，通过将地下接地极、土壤与地面交流电网耦合，可准确的仿真特高压直流线路单极大地回线运行时的工作情况，同时可推广至其他常规电压等级线路或变电站接地网的接地仿真。为特高压直流深井接地极提供了地下接地极与地面交流电网耦合的仿真模型，可更为准确的对特高压直流深井接地极开展仿真研究。
2、在优选方案中，本发明的特高压直流输电线路深井接地极的模拟系统，利用仿真模型可以对特高压直流深井接地极的温升特性、接地特性、电表电位分布等开展仿真研究。既可对地下接地电流分布进行研究，也可以对地面交流电网中流过的直流电流进行仿真，深入研究特高压输电线路单极大地回路运行时对接地极附近变电站主变直流偏磁的影响。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的特高压直流输电线路深井接地极的模拟系统的结构示意图；
图2是本发明优选实施例的特高压直流深井接地极的结构示意图。
图中各标号表示：
1、深井接地极模型；2、大地混合多层土壤模型；3、地面交流输电网络等效模型；4、深井；5、绝缘井护壁；6、金属井护壁；7、高阻填充材料；8、接地降阻材料；9、接地钢棒；10、馈电电缆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1：
参见图1，本发明的一种特高压直流输电线路深井接地极的模拟系统，包括：深井接地极模型1，大地混合多层土壤模型2及地面交流输电网络等效模型3；深井接地极模型1放置于大地混合多层土壤模型2中，并与大地混合多层土壤模型2直接连接(接地极放置于大地中，与大地直接接触，即为直接连接)；大地混合多层土壤模型2包括多个水平分层及多个垂直分层，每一水平分层或垂直分层的电阻率设置与接地极所在位置实际测量的土壤电阻率一致以表示对应的地质类型(每一层代表不同地质类型，不同层的土壤电阻率均根据接地极所在位置实际测量的土壤电阻率进行设置)；地面交流输电网络等效模型3设置于大地混合多层土壤模型2之上，地面交流输电网络等效模型3根据实际交流输电网络建立节点网络矩阵，在每个变电站实际所处位置对应的大地混合多层土壤模型2之上设置变电站节点；每个变电站节点通过交流输电线路相连，其中变电站节点利用主变直流工况下的接地电阻与绕组直流电阻等效，每条交流输电线路利用直流工况下的线路电阻进行集中参数等效。
上述结构，通过将地下接地极、土壤与地面交流电网耦合，可准确的仿真特高压直流线路单极大地回线运行时的工作情况，同时可推广至其他常规电压等级线路或变电站接地网的接地仿真。为特高压直流深井接地极提供了地下接地极与地面交流电网耦合的仿真模型，可更为准确的对特高压直流深井接地极开展仿真研究。
本实施例中，深井接地极模型1包括一个或多个深井接地极。参见图2，本实施例的深井接地极，包括从外到内依次同轴设置的深井4、深井护壁、填充材料和接地钢棒9；接地钢棒9与馈电电缆10连接；深井接地极的深井4的内腔包括上段和下段，绝缘井护壁5和金属井护壁6分别设置于深井4的内腔包括上段和下段中，上段采用绝缘材料，下段采用导电材料，可防止接地电流从地表浅层流过。接地钢棒9放置于下段的金属井护壁6中，且接地钢棒9与金属井护壁6之间填充有用于降低接地电阻的接地降阻材料8；绝缘井护壁5与馈电电缆10之间还填充有高阻填充材料7(或绝缘填充材料)。每种材料可任意进行选择，材料介电特性根据实际设置。所述深井接地极模型1接地极尺寸按照实际尺寸或者等比缩放尺寸建立。本实施中的深井4的井深为1000m～2000m。
本实施例中，所述深井接地极模型1根据接地极的实际参数建立布尔运算模型，所述深井接地极模型1各种材料介电特性按实际情况选取。大地混合多层土壤模型2采用圆柱布尔模型，圆柱的半径大于深井接地极的井深的100倍。
地面交流输电网络等效模型3中每个变电站节点的参数，包括：变电站内的主变压器参数及其接地参数，其中每个变压器的参数按实际选取并统一折算至高压侧对应的参数值(如500kV)；变压器的接地参数根据变压器实际接地方式设置，可选用直接接地，经保护间隙接地，经隔直装置接地等多种形式。
图2为本实施例的另一特高压直流输电线路深井接地极的模拟模型，其中深井接地极模型1采用1：1等比例建立，深井4井深1000m，分为上下两段，每段500m，深井4直径(口径)500mm，井口沉降5m。其中深井4上段采用绝缘尼龙护壁，护壁外径500mm，壁厚10mm，用于防止接地电流流过浅层地表，绝缘护壁内填充用碎石用于稳定井身。深井4下段采用钢管护壁，护壁外径500mm，壁厚10mm。接地钢棒9长500m，钢棒直径60mm，接地钢棒9垂直放置于深井4下段钢管护壁中，钢棒与钢管护壁之间填充焦炭材料。接地钢棒9通过馈电电缆10引出地面，馈电电缆10通过多个分接头与接地钢棒9相连。整个深井接地极模型1由4口相同参数的深井4组成，4口深井4呈正方形布置，相连2口深井4间距100m。整个深井接地极模型1放置于大地混合多层土壤模型2中，大地模型采用圆柱结构，圆柱半径取200倍井深，为200km，圆柱高取10倍井深为10km。土壤模型同时采用水平分层及垂直分层方式，不同层之间通过布尔运算得到，每一层代表不同地质类型，模型中土壤垂直分层为5层，水平分层为2层，每一层土壤的介电参数及土壤电阻率按照实测值设置。在大地混合多层土壤模型2之上建立地面交流输电网络等效模型3，实现地面交流输电网络与多层大地土壤的耦合，根据每个变电站的根据实际所处位置在大地多层土壤模型之上建立变电站节点，每个变电站节点包含主变压器参数和接地参数，变压器参数均折算至500kV侧或220kV侧，接地参数可根据实际情况选择直接接地、经保护间隙接地、经隔直装置接地等多种方式。为进一步仿真特高压直流输电线路单极大地回路运行时对变压器的直流偏磁影响，模型中变压器接地方式全部采取与大地直接连接的方式。每个变电站节点根据变压器参数均折算的电压等级，采取相同电压等级的交流输电线路相连，每条交流输电线路用集中参数模型进行等效。通过向深井接地极模型1施加恒定电流源，以土壤模型圆柱边界处为大地零电位，通过加入不同的测量探头，由此可对深井接地极的接地特性、温升特性、地下电流分布特性、地表电位分布特性开展仿真研究。同时通过仿真地面交流电网中流过的直流电流，也可对特高压直流输电线路单极大地回路运行时变压器的直流偏磁影响进行深入研究。研究结果可以为特高压深井接地极的设计、建设、运行维护等提供理论基础，同时通过深入研究特高压直流输电线路单极大地回路运行时变压器的直流偏磁影响，为交流电网的安全稳定运行提供技术支撑。
综上可知，本发明的特高压直流输电线路深井接地极的模拟系统，结构简单，通过将地下接地极、土壤与地面交流电网耦合，可准确的仿真特高压直流线路单极大地回线运行时的工作情况，同时可推广至其他常规电压等级线路或变电站接地网的接地仿真。为特高压直流深井接地极提供了地下接地极与地面交流电网耦合的仿真模型，可更为准确的对特高压直流深井接地极开展仿真研究。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种特高压直流输电线路深井接地极的模拟系统，其特征在于，包括：深井接地极模型(1)，大地混合多层土壤模型(2)及地面交流输电网络等效模型(3)；
所述深井接地极模型(1)放置于大地混合多层土壤模型(2)中，并与大地混合多层土壤模型(2)直接连接；所述大地混合多层土壤模型(2)包括多个水平分层及多个垂直分层，每一水平分层或垂直分层的电阻率设置与接地极所在位置实际测量的土壤电阻率一致以表示对应的地质类型；
地面交流输电网络等效模型(3)设置于大地混合多层土壤模型(2)之上，所述地面交流输电网络等效模型(3)根据实际交流输电网络建立节点网络矩阵，在每个变电站实际所处位置对应的大地混合多层土壤模型(2)之上设置变电站节点；每个变电站节点通过交流输电线路相连，其中变电站节点利用主变直流工况下的接地电阻与绕组直流电阻等效，每条交流输电线路利用直流工况下的线路电阻进行集中参数等效。
2.根据权利要求1所述的特高压直流输电线路深井接地极的模拟系统，其特征在于，所述深井接地极模型(1)包括一个或多个深井接地极。
3.根据权利要求1所述的特高压直流输电线路深井接地极的模拟系统，其特征在于，所述大地混合多层土壤模型(2)采用圆柱布尔模型，圆柱的半径大于深井接地极的井深的100倍。
4.根据权利要求1所述的特高压直流输电线路深井接地极的模拟系统，其特征在于，所述地面交流输电网络等效模型(3)中每个变电站节点的参数，包括：变电站内的主变压器参数及其接地参数，其中每个变压器的参数按实际选取并统一折算至高压侧对应的参数值；变压器的接地参数根据变压器实际接地方式设置。
5.根据权利要求2所述的特高压直流输电线路深井接地极的模拟系统，其特征在于，所述深井接地极包括从外到内依次同轴设置的深井(4)、深井护壁、填充材料和接地钢棒(9)；所述接地钢棒(9)与馈电电缆(10)连接；
所述深井接地极的深井(4)的内腔包括上段和下段，所述绝缘井护壁(5)和金属井护壁(6)分别设置于所述深井(4)的内腔包括上段和下段中；
所述接地钢棒(9)放置于所述下段的金属井护壁(6)中，且所述接地钢棒(9)与金属井护壁(6)之间填充有用于降低接地电阻的接地降阻材料(8)；
所述绝缘井护壁(5)与所述馈电电缆(10)之间还填充有高阻填充材料(7)。
6.根据权利要求5所述的特高压直流输电线路深井接地极的模拟系统，其特征在于，所述深井(4)的井深为1000m～2000m。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201204 |
|
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