CN112668212B - 基于有限元的不同土壤模型下接地极溢流特性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于有限元的不同土壤模型下接地极溢流特性分析方法。该方法利用有限元软件进行建模计算，包括下列步骤：构建大地土壤几何体模型；构建接地极几何体并形成联合体模型；分别对土壤和接地极几何体添加材料，并施加不同电导率和相对介电常数；对该模型相应区域施加电流守恒、电绝缘、接地、电流初始值、电流终端等初始和边界条件；在模型上选取相关参照线以及参照面以便电压与电流结果观测；针对模型进行网格剖分，进行有限元求解；在选取的参照线与参照面上得出电流与电压计算结果；改变大地土壤几何体模型结构重复进行有限元计算，分别对比单层、三层以及混合分层下的直线形接地极溢流特性。本发明能够极高的还原现实情况。

Description

基于有限元的不同土壤模型下接地极溢流特性分析方法

技术领域

本发明属于电力系统直流输电中的电流分布计算领域，尤其涉及高压直流输电接地极在复杂地质环境下的溢流特性分析方法。

背景技术

在特高压直流输电工程中，直流线路建设之初或直流系统故障时会采用单极运行模式，较大的直流电流会通过接地极直接流入大地。而接地极的电流一般会飙升到几千安培，在远离接地极的大地当中还有几安培的电流存在，会对接地极周边的电力设备等金属管道造成极大的损害。而接地极泄露电流的计算和治理需要建立要对其溢流特性精准的把握基础之上，同时，接地极的溢流特性受地质情况的影响极大，需要考虑接地极埋设的土壤电导率分布情况。由此便产生了不同的土壤分层模型，分别对应于不同的地质条件情况，在不同土壤模型下的接地极溢流特性进行准确的电流分布计算，对实际地质情况下的电流分析研究有着极大的意义。鉴于目前对内蒙地区复杂地质条件下的接地极溢流特性计算还未形成一个系统研究计算方法，提出了基于有限元的不同土壤模型下接地极溢流特性分析法，建立三种典型土壤模型下的直线形接地极的有限元计算模型，通过有限元法计算分析对比不同地质条件下的接地极溢流特性差异，对内蒙地区的接地极所处环境下的电流监测起到一个参照标准。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于有限元的不同土壤模型下接地极溢流特性分析方法。本发明的技术方案如下：

一种基于有限元的不同土壤模型下接地极溢流特性分析方法，其包括以下步骤：

构建大地土壤几何体模型；构建接地极几何体模型，并将大地土壤几何体模型与接地极几何体模型形成联合体模型；分别对土壤几何体模型和接地极几何体模型添加材料，并施加不同电导率和相对介电常数；对该联合体模型的边界区域施加电流守恒、电绝缘、接地、电流初始值、电流终端在内的初始和边界条件；在联合体模型上选取相关参照线以及参照面以便电压与电流结果观测；针对联合体模型进行网格剖分，进行有限元求解；在选取的参照线与参照面上得出电流与电压计算结果；改变大地土壤几何体模型结构重复进行有限元计算，分别对比单层、三层以及混合分层下的直线形接地极溢流特性。

进一步的，当土壤模型为单层模型时进行第一次计算：联合几何体大小为 0.6m×0.6m×0.4m的长方体模型，接地极长度为20cm，直径为2mm，土壤模型为单层模型，即整个几何体内土壤电导率均匀一致，随后对大地土壤模型各有限元计算，求解得到大地土壤模型下地表水平方向和垂直方向下的电流密度分布曲线，以及电位以及电流的密度线。

进一步的，当土壤模型为三层模型时，进行第二次计算：联合几何体大小为0.6m×0.6m×0.4m的长方体模型，接地极长度为20cm，直径为2mm，土壤模型为三层模型，即每一层内土壤电导率均匀一致，不同层之间的电导率不同，随后对该模型各有限元计算，求解得到该模型下地表水平方向和垂直方向下的电流密度分布曲线，以及电位以及电流等密度线。

进一步的，当土壤模型为混合分层模型时，即水平三层加上垂直一层，进行第三次计算，联合几何体大小为0.6m×0.6m×0.4m的长方体模型，接地极长度为20cm，直径为2mm，土壤模型为混合分层模型，即每一层内的土壤电导率均匀一致，不同层之间的电导率不同，随后对该模型各有限元计算，求解得到该模型下地表水平方向和垂直方向下的电流密度分布曲线，以及电位以及电流等密度线。

进一步的，所述单元材料属性为电导率属性和相对介电常数属性。

进一步的，单层模型对应夏季或气候温和时大地整体电阻率均匀一致的情况；三层模型为冬季或气候较为寒冷时大地表层以下有一定厚度的冻土情况，导致电阻率出现断层；混合分层模型为冬季或气候较为寒冷时且地质情况在垂直面垂涎断层。

进一步的，所述接地极及其所在大地的联合几何体模型是在普遍适用的有限元软件中建立的。

进一步的，所述的有限元剖分单元模型为四面体单元。

本发明的优点及有益效果如下：

1、本发明在有限元软件中建立接地极及其所在大地的联合几何体模型，能够近似的模拟再现接地极的实际地质环境分布情况；

2、本发明分别了建立单层、三层以及混合分层土壤模型下的直线形接地极几何体模型，能够再现内蒙地区各种复杂地质情况和气候条件下的真实情况，能够根据实地考察情况，自行配置材料的电导率以及相对介电常数进而模拟极寒气候下的冻土、湖泊等不同状况下的地质环境；

3、本发明通过对比分析三种不同典型地质环境下的接地极电流和电压分布情况，可得出接地极在不同地质环境下的溢流特性，并通过选择更换接地极形状，自行选择星型或者圆环型形状，在接地极工程实施前模拟接地极埋设地的实际电流和电压的散流分布规律以及效果，将跨步电压等安全标准核算在内，为工程建设提供前期的测算；

4、本发明建立了较小的地质环境，用以模拟真实地质情况，通过同比例无损缩小相关电参数，包括电流大小、接地极大小、土壤分布面积等，使得该方法在工程应用之前可以在实验室进行模拟检验。该方法中的在选择大地模型以及接地极模型尺寸时参考了实际接地极建设工程中的比例大小，进行等效化处理，将有限元剖分的范围大大缩小，节约了运算内存，加快计算速度，同样能模拟出实际工况下的电流电压数量级以及分布规律。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例本发明中的接地极与单层土壤模型形成的几何联合体；

图2是本发明中对应图1模型的水平和垂直方向电流密度曲线；

图3是本发明中对应图1模型的等电位线；

图4是本发明中对应图1模型的等电流密度线；

图5是发明中的接地极与三层土壤模型形成的几何联合体；

图6是本发明中对应图5模型的水平和垂直方向电流密度曲线；

图7是本发明中对应图5模型的等电位线；

图8是本发明中对应图5模型的等电位线；

图9是发明中的接地极与混合分层土壤模型形成的几何联合体；

图10是本发明中对应图9模型的水平和垂直方向电流密度曲线；

图11是本发明中对应图9模型的等电位线；

图12是本发明中对应图9模型的等电流密度线；

图13是该有限元法的计算流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

图13为基于有限元的不同土壤模型下接地极溢流特性分析法的计算流程图，该方法根据内蒙地区的复杂地质环境建模并计算，主要包括以下步骤：

1)建立对应的土壤模型且接地极形状为直线形的几何联合体；

2)分别对联合体内不同区域施加不同材料，并对其参数进行参数配置，主要包括电导率和相对介电常数的配置；

3)对该模型相应区域施加电流守恒、电绝缘、接地、电流初始值、电流终端等初始和边界条件，并选取相关参照线以及参照面以便电压与电流结果观测；

4)针对模型进行网格剖分，进行有限元求解；在选取的参照线与参照面上得出电流与电压计算结果。

进一步的，所述基于有限元的不同土壤模型下接地极溢流特性分析法还包括以下步骤：

1)第一次计算，联合几何体大小为0.6m×0.6m×0.4m的长方体模型，接地极长度为20cm，直径为2mm。土壤模型为单层模型，即整个几何体内土壤电导率均匀一致，随后对该模型个有限元计算，求解得到该模型下地表水平方向 (X轴)和垂直方向(Y轴)下的电流密度分布曲线，以及电位以及电流等密度线；

2)第二次计算，联合几何体大小为0.6m×0.6m×0.4m的长方体模型，接地极长度为20cm，直径为2mm。土壤模型为三层模型，即每一层内土壤电导率均匀一致，不同层之间的电导率不同，随后对该模型个有限元计算，求解得到该模型下地表水平方向(X轴)和垂直方向(Y轴)下的电流密度分布曲线，以及电位以及电流等密度线；

3)第一次计算，联合几何体大小为0.6m×0.6m×0.4m的长方体模型，接地极长度为20cm，直径为2mm。土壤模型为混合分层(水平三层+垂直一层) 模型，即每一层内的土壤电导率均匀一致，不同层之间的电导率不同，随后对该模型个有限元计算，求解得到该模型下地表水平方向(X轴)和垂直方向(Y 轴)下的电流密度分布曲线，以及电位以及电流等密度线；

所述的有限元剖分单元模型为四面体单元。

所述单元材料属性为电导率属性和相对介电常数属性。其中这三种模型的材料属性分别如表1、2、3所示：

表1单层直线形接地极材料属性

表2三层直线形接地极材料属性

表3三层直线形接地极材料属性

所述模型对应的内蒙地区原始地质情况分别为：单层模型对应夏季或气候温和时大地整体电阻率均匀一致的情况；三层模型为冬季或气候较为寒冷时大地表层以下有一定厚度的冻土情况，导致电阻率出现断层；混合分层模型为冬季或气候较为寒冷时且地质情况在垂直面垂涎断层，比如有湖泊、河流等情况。

所述分析方法建立了三种不同地质情况下的接地极模型，模型分别如图1、 5、9所示，计算电流密度曲线以及等电位和等电流线分别如图2、3、4、6、7、 8、10、11、12所示，可通过对比分析计算结果，得出不同模型下的接地极溢流特性差异。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (5)

1.一种基于有限元的不同土壤模型下接地极溢流特性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

构建大地土壤几何体模型；构建接地极几何体模型，并将大地土壤几何体模型与接地极几何体模型形成联合体模型；分别对土壤几何体模型和接地极几何体模型添加材料，并施加不同电导率和相对介电常数；对该联合体模型的边界区域施加电流守恒、电绝缘、接地、电流初始值、电流终端在内的初始和边界条件；在联合体模型上选取相关参照线以及参照面以便电压与电流结果观测；针对联合体模型进行网格剖分，进行有限元求解；在选取的参照线与参照面上得出电流与电压计算结果；改变大地土壤几何体模型结构重复进行有限元计算，分别对比单层、三层以及混合分层下的直线形接地极溢流特性；

当土壤模型为单层模型时进行第一次计算：联合几何体大小为0.6m×0.6m×0.4m的长方体模型，接地极长度为20cm，直径为2mm，土壤模型为单层模型，即整个几何体内土壤电导率均匀一致，随后对大地土壤模型各有限元计算，求解得到大地土壤模型下地表水平方向和垂直方向下的电流密度分布曲线，以及电位以及电流的密度线；

当土壤模型为三层模型时，进行第二次计算：联合几何体大小为0.6m×0.6m×0.4m的长方体模型，接地极长度为20cm，直径为2mm，土壤模型为三层模型，即每一层内土壤电导率均匀一致，不同层之间的电导率不同，随后对该模型各有限元计算，求解得到该模型下地表水平方向和垂直方向下的电流密度分布曲线，以及电位以及电流等密度线；

当土壤模型为混合分层模型时，即水平三层加上垂直一层，进行第三次计算，联合几何体大小为0.6m×0.6m×0.4m的长方体模型，接地极长度为20cm，直径为2mm，土壤模型为混合分层模型，即每一层内的土壤电导率均匀一致，不同层之间的电导率不同，随后对该模型各有限元计算，求解得到该模型下地表水平方向和垂直方向下的电流密度分布曲线，以及电位以及电流等密度线。

2.根据权利要求1所述的一种基于有限元的不同土壤模型下接地极溢流特性分析方法，其特征在于，单元材料属性为电导率属性和相对介电常数属性。

3.根据权利要求1所述的一种基于有限元的不同土壤模型下接地极溢流特性分析方法，其特征在于，单层模型对应夏季或气候温和时大地整体电阻率均匀一致的情况；三层模型为冬季或气候较为寒冷时大地表层以下有一定厚度的冻土情况，导致电阻率出现断层；混合分层模型为冬季或气候较为寒冷时且地质情况在垂直面垂涎断层。

4.根据权利要求1所述的一种基于有限元的不同土壤模型下接地极溢流特性分析方法，其特征在于，所述接地极及其所在大地的联合几何体模型是在普遍适用的有限元软件中建立的。

5.根据权利要求1所述的一种基于有限元的不同土壤模型下接地极溢流特性分析方法，其特征在于，有限元剖分单元模型为四面体单元。

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