[发明专利]一种新型基于圆环形直流输电接地极不同埋深的跨步电压的计算方法

说明书

本发明公开了一种新型基于圆环形直流输电接地极不同埋深的跨步电压的计算方法，包括以下两种情况：(1)分析均匀媒质圆环形接地极不等深埋设的电位分布，得出大地表面的跨步电压的计算表达式；(2)分析水平双层媒质圆环形接地极不等深埋设的电位分布，得出大地表面的跨步电压的计算表达式；利用MATLAB软件仿真出结果，得出不同接地极环数、不同埋深对地表电位的影响，从而得出本发明提出的方法能够降低跨步电压。本发明创新性地提出了双圆环形接地极不等深埋设的思想，计算简单，运行速度快。

技术领域

本发明属于高电压直流输电工程技术领域，具体涉及一种新型基于圆环形直流输电接地极不同埋深的跨步电压的计算方法。

背景技术

随着直流输电工程的大规模建设，直流不平衡运行带来的电磁效应、热力效应和电化效应等负面影响已不容忽视。直流地电位分布引起的跨步电压可能影响人畜安全。直流地电流溢散引起的电化腐蚀可能缩短管网寿命，直流地电流分流引起的偏磁效应可能加剧设备损耗，严重时威胁交直流混联电网的安全稳定运行。在特高压大送端地区，接地极埋设数目更多，直流地电流更大，地质条件复杂多样，上述问题将更加突出。因此，研究直流系统接地极电流场的分布特性，了解直流单极运行工况对交流电网的影响程度，降低大送端地区多直流系统运行的防护成本，具有重要的科学意义和工程价值。

发明内容

本发明的目的是为了降低地面跨步电压及接地极表面的最大溢散电流密度、减轻接地极的腐蚀、防止溢流密度分布不均匀而引起局部土壤过热现象，提出了一种基于圆环形直流输电接地极不同埋深的跨步电压的计算方法。本发明采用以下技术方案：

一种新型基于圆环形直流输电接地极不同埋深的跨步电压的计算方法，包括以下两种情况：

(1)分析均匀媒质圆环形接地极不等深埋设的电位分布，得出大地表面的跨步电压的计算表达式；

(2)分析水平双层媒质圆环形接地极不等深埋设的电位分布，得出大地表面的跨步电压的计算表达式；

情况(1)的具体过程包括：

1-1)圆环形接地极采用双环不等深埋设。直流圆环电极由圆导体弯成，圆导体直径为2a,圆环直径为2b,通过圆环流入媒质的电流为I，沿圆环圆周均匀流散。一般情况下b＞＞a，所以当直流电流由圆导体溢出时，可认为集中在导体轴线，若以δ表示极环表面溢流密度，则有:

1-2)大地与空气存在分层界面，直流圆环电极周围空间任一点设为N(r，0，z)，坐标轴z的正半轴方向设定为由大地与空气的分界面指向地下，圆环在地下的埋深为h。为了消除边界影响，将带有边界的恒定电场问题，转化为电极与镜像电极的叠加场问题。由此可得，半无限大均匀媒质中圆环接地极周边直流地电位的计算式为:

式(2)中，为距离圆环r处的电位(V)，ρ为大地电阻率(Ω·m)，I为通过圆环流入媒质的电流。r为计算电位处至圆环位置的距离(m)，p和q为自然数，z表示垂直于地表方向的z坐标轴，在地表处z＝0。

h为单圆环的埋深，b为单圆环的半径。

1-3)在地表z＝0处，半无限大均匀媒质中圆环接地极周边直流地电位的计算公式为：

式(3)中，ρ为大地电阻率(Ω·m)，I为通过圆环流入媒质的电流，b为单圆环半径，h为单圆环的埋深，b为单圆环的半径。

1-4)由此得出双圆环接地极直流地电位的计算公式为：