[发明专利]基于有限元的不同土壤模型下接地极溢流特性分析方法

说明书

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。

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。