高压直流接地极多场分布特性及影响规律研究_任振宇 (1).pdf

高压直流接地极多场分布特性及影响规律研究任振宇,贾曜诚(东北电力大学,吉林 吉林 1 3 2 0 1 2)摘 要:针对直流接地系统所承受的工作电流过高对接地极的安全运行、人畜安全和地下金属管道设施安全运行构成严重威胁问题,基于等效镜像法与有限元法叠加的方法对复合分层土壤中埋设的环形接地电极周围实际电位进行求解。推导了接地极电流场与温度场之间的交互作用影响;分析了接地极埋深对于地面电位分布及接地特性的影响。结果表明,接地极埋地深度与周围电位和接地电阻阻值成反比,与接地极温升成正比。关键词:高压直流输电;直流接地极;地表电位;电流场;温度场中图分类号:TM 7 2 1.1 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 9-5 3 0 6(2 0 2 3)0 1-0 0 3 1-0 4S t u d yo nM u l t i-f i e l dD i s t r i b u t i o nC h a r a c t e r i s t i c sa n dI n f l u e n c eL a wo fH i g h-v o l t a g eD i r e c tC u r r e n tG r o u n d i n gE l e c t r o d eR E NZ h e n y u,J I AY a o c h e n g(N o r t h e a s tE l e c t r i cP o w e rU n i v e r s i t y,J i l i n1 3 2 0 1 2,C h i n a)A b s t r a c t:T h eh i g hw o r k i n g c u r r e n t o f d i r e c t c u r r e n t g r o u n d i n g s y s t e mp o s e s a s e r i o u s t h r e a t t o t h e s a f e o p e r a t i o no f g r o u n d i n ge l e c-t r o d e,h u m a na n da n i m a ls a f e t ya n du n d e r g r o u n dm e t a lp i p e l i n ef a c i l i t i e s.I nt h i sp a p e r,t h ea c t u a lp o t e n t i a la r o u n dt h ea n n u l a rg r o u n d i n ge l e c t r o d eb u r i e d i nt h ec o m p o s i t e l a y e r e ds o i l i ss o l v e db a s e do nt h es u p e r p o s i t i o nm e t h o do fe q u i v a l e n tm i r r o rm e t h o da n d f i n i t ee l e m e n tm e t h o d.T h e i n t e r a c t i o ne f f e c tb e t w e e nt h ec u r r e n t f i e l da n dt h e t e m p e r a t u r e f i e l do f t h eg r o u n d i n ge l e c t r o d e i sd e d u c e d,t h e i n f l u e n c eo fg r o u n d i n ge l e c t r o d ed e p t ho ng r o u n dp o t e n t i a l d i s t r i b u t i o na n dg r o u n d i n gc h a r a c t e r i s t i c s i sa n a l y z e d.T h er e s u l t ss h o wt h a t t h eb u r i e dd e p t ho fg r o u n d i n ge l e c t r o d e i s i n v e r s e l yp r o p o r t i o n a l t ot h es u r r o u n d i n gp o t e n t i a l a n dg r o u n d i n gr e-s i s t a n c e,a n d i sp r o p o r t i o n a l t ot h e t e m p e r a t u r eo fg r o u n d i n ge l e c t r o d e.K e yw o r d s:h i g h-v o l t a g ed i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o n;d i r e c tc u r r e n tg r o u n d i n ge l e c t r o d e;e a r t hs u r f a c ep o t e n t i a l;c u r r e n tf i e l d;t e m p e r a t u r e f i e l d收稿日期:2 0 2 2-1 1-1 3作者简介:任振宇(1 9 9 7),男,硕士研究生,研究方向为混合直流输电技术。0 引言随着我国高压直流输电技术的不断发展,接地极作为高压直流系统中重要的组成部分,在直流输电系统单极大地运行状态下,起到为直流电流提供返回通路,提高输电系统运行可靠性;在双极对称运行状 态 下,接 地 极 能 够 钳 制 两 端 中 性 点 电 位 的作用1。当系统出现不平衡运行的情况,接地极周围出现的电磁效应、热电效应以及电化效应等均能够造成不良影响2-3。直流入地电流所发生的溢散会使得接地极周围的金属管道被电化腐蚀,进而影响金属管道的使用寿命。电流经直流接地极时,所产生的电位会使周围变压器设备出现直流偏磁现象,进而加剧变压器设备损耗,出现谐波扰动、振动及温升情况,严重时可能影响系统的安全稳定运行4。此外,当直流电流流入时,接地极址附近的电位分布会出现跨步电压,作为影响极址周边人畜安全活动的重要指标,跨步电压一直都是直流接地极在设计和运行中须考量的关键性制约因素。为减小接地极表面的最大溢散电流密度,减轻接地极的腐蚀,防止溢流密度的分布不均匀而引起局部土壤过热现象5-6。电流分布与电极形状、土壤电阻率的大小及其分布有着密切的关系,直线型接地极极体溢流密度和电位分布沿极体轴向明显不均匀,溢散电流集中于注入点及极体首末两端附近。由于电极相互间存在屏蔽效应,单圆环电极在电极长度相同情况下存在最高的电位升,与之对应的接地电阻、最高温升以及最大跨步电压最低,因此,在条件允许的情况下尽可能采用单圆环电极。13第5 1卷 第1期(总第2 8 4期)2 0 2 3年2月 J i l i nE l e c t r i cP o w e r吉 林 电 力 V o l.5 1 N o.1(S e r.N o.2 8 4)F e b.2 0 2 3DOI:10.16109/ki.jldl.2023.01.016近年来,国内外学者针对直流接地极的入地电流对系统影响进行研究时,大多采用均匀分层土壤模型下,将接地极看作点电流源的方法分析其周围空间所产生的电位分布情况,计算方法多数使用格林函数法求解土壤模型,而对于复杂地质条件下的地表电位分布大多进行仿真模拟7-9。考虑到地表电位分布受接地极本身参数和附近较大范围内土壤电性情况的共同影响,且距接地极几百公里范围内土壤电性结构变化较大,若极址电阻率勘探的不精准将会增大接地极对周边环境的不利影响程度,因此,构建精确化大地电阻率勘探模型可有效预估直流接地极极址附近地表电位分布情况。对于复合分层土壤中埋设的环形接地电极,本文基于等效镜像法与有限元法叠加的方法,推导了复杂地质情况下圆环形接地极地表及以下任一点电位;研究了土壤介质升温导致接地极电流场发生变化,该变化会使得热传导发生改变,即接地极周围的温度场与电流场的交互影响;分析了接地电极埋深对其接地特性的影响。结果表明,随着接地极埋入地下深度的增加,周围电压和接地电阻减小,接地极温度升高。通过计算和仿真结果可知该方法在确保直流接地系统的接地特性和安全性下,为接地极设计与埋深提供可靠依据。1 复杂地质条件下圆环形接地极电场电位与金属的导电能力相比,大地导电能力较弱,接地极性能受土壤特性的影响很大,故建立的模型越接近实际的土壤情况,对于接地极的影响研究结果越准确1 0。复合分层土壤结构下接地极所产生的实际电位可采用镜像法和有限单元法叠加的算法求解复杂地质情况下圆环形接地极产生的实际电位。图1 圆环形接地极镜像电流源由于接地极本身具有良好的导电性能,可看作均匀等电位体,即极内各处电位相等,近似等于表面电位。圆环形接地极镜像电流源示意见图1,土壤电阻率为,入地电流大小为I1,接地极埋地深度为H,圆环接地极半径为r1,导体材料半径为r2,且r1r2。根据镜像法,采用几何尺寸与实际接地极相同的环形电流源位于地上H,该电流源作为镜像电荷,其电流为I2,可推导得圆环接地极地表及以下任一点F(x,y,z)电位V计算表达式:V=I12 2f(1)(z-H)2+x2+y2+r1()2+f(2)(z+H)2+x2+y2+r1()2(1)式中:f()=20d1-2s i n2=201+122s i n2+13244s i n4+1352466s i n6+d为第一类完全椭圆积分;为第一类完全椭圆积分的模角。1,2=2r1x2+y2(zH)2+x2+y2+r1()2(2)令x=0,y=r1+r2,z=H,可得均匀大地介质下接地极本体电位为:V=I14 2r21+r1r2a r c s i nr21+r1r22r1+r2+a r c s i nr21+r1r22H2+(r1+r2/2)2(3)由于土壤环境复杂导致接地极周围电位出现异常时,该电位表达式为:xVx+yVy+zVz=-2I1(k)(4)式中:(k)为以电源k为中心的狄拉克函数,表示k点电荷的理想密度分布,该函数在非零点取值为零,在其整个定义域上的积分结果为1。根据有限元法可解出式(4),即可得出各个场点的异常电位值V,进而计算实际电位值V为:V=V+V(5)圆环接地极在土壤介质中的接地电阻R为:R=2 2r11 n8r12r2H(6)由式(1)、(3)、(6)可以看出,接地极埋地下深度H越大,其周围电位V和接地电阻R越小。2 直流接地极热电耦合特性研究接地极温升包括稳态温升和暂态温升。稳态温升为注入接地极以恒定的电流,当土壤在稳态热交23第5 1卷第1期(总第2 8 4期)吉 林 电 力 2 0 2 3年2月换时产生的温升;暂态温升指在工况特定条件下注入接地极较大的恒定电流所导致的土壤温升1 1。对于接地极址周围土壤的温度特性于接地极本体的温升特性是保证接地系统稳定运行的关键所在。根据传热学可知土壤的暂态热传导方程为:xkxTx+ykyTy+zkzTz=CvTt-J2(7)式中:kx,ky,kz为土壤的导热系数;T为温度;Cv为容积热容;J为电流密度;t为时间。接地极运行过程中所产生的热量除了导致土壤温度升高外,剩余热量会向无穷远处扩散以及通过地表与空气进行对流换热,假设无穷远处的边界土壤温度为T0,地表对流换热系数为,则有:T=T0kTn=(T0-T)(8)根据比热容公式可得:T=K Cv(m-c)I21R(9)式中:K为进行热交换土壤的体积;m-c为接地极的稳态温升。从式(8)可看出接地电阻与温升的关系,当接地极系统的接地电阻越大时,接地极温升程度越小。由于接地极流过电流时,其电流场与温度场呈现全耦合的关系,对于温度场的求解涉及对时间求偏导,此时须