專利名稱：一種直流輸電系統接地極場域的確定與分割方法
技術領域：
本發明屬于電力系統輸電技術領域，具體涉及一種直流輸電系統接地極場域的確定與分割方法。
背景技術：
直流輸電接地極的典型形狀主要分為直線型、星型、圓環型和跑道型。目前使用較為廣泛的是圓環型和跑道型接地極，其中根據環數不同又可細分為單環、雙環、三環等形狀。圖1所示為單圓環型接地極的布置結構和截面示意圖，接地極整體形狀為一個圓環，其由若干根饋電棒拼接而成，水平淺埋于土壤中，饋電棒外填充有焦炭層以降低電腐蝕作用， 同時能夠降低電極與土壤接觸面之間的電流密度。接地極電流場計算是直流輸電系統接地極設計和建設的重要內容，同時也是接地極溫度場計算的基礎。目前接地極電流場的計算方法主要有邊界元法、有限元法、行波法和電阻網絡法等。 其中，基于電阻網絡模型的直流輸電接地極電流場計算方法，算法思想簡單，通用性較強。其基本思想是將整個接地極計算場域在三維方向上分割成若干小單元，根據分塊的形狀及其土壤電阻率，計算每個單元在三維方向上的等效電阻。對于每個單元，用6個電阻等效，分別與周圍相鄰的單元連接，這樣就構成了一個僅含有電阻元件的基本電路網絡。 至此，對接地極電流場的計算問題已經轉化為一個對簡單的電路網絡的計算求解問題。以上可知此類算法涉及到接地極場域范圍的確定及分割問題，而目前現有的場域范圍確定方式較為籠統，其分割方法相對粗略，在計算效果上不是十分理想，精度不高；從而造成接地極電流場計算的結果可信度不高，進而影響相關的設計和建設，并伴隨存在有相應的安全隱患。
發明內容
本發明提供了一種直流輸電系統接地極場域的確定與分割方法，場域確定分割精細，方法簡單，通用性強，使得接地極電流場計算結果滿足高精度的要求。—種直流輸電系統接地極場域的確定與分割方法，包括如下步驟(1)根據接地極的形狀，確定接地極的場域；所述的接地極包含在場域內，所述的場域為直柱體，直柱體的頂面為地平面，接地極的中軸線與直柱體的中軸線重合；(2)根據接地極的形狀，采用扇形分割法或矩形分割法對接地極的場域進行三維分割，得到若干個單元塊。優選的技術方案中，所述的場域的高度為100km;所述的接地極的形狀為圓環型或星型，其場域的橫截面為圓形，半徑為20km ；所述的接地極的形狀為直線型，其場域的橫截面為正方形，邊長為40km ；所述的接地極的形狀為跑道型，其場域的橫截面為跑道形，跑道形兩端半圓的半徑為20km，跑道形的直道長度為跑道型接地極的直道長度。優選的技術方案中，所述的接地極的形狀為圓環型或星型，采用扇形分割法對其場域進行三維分割；所述的接地極的形狀為直線型，采用矩形分割法對其場域進行三維分割；所述的接地極的形狀為跑道型，采用扇形分割法和矩形分割法對其場域進行三維分割。
所述的扇形分割法，包括如下步驟(1)建立以圓柱體或半圓柱體頂面圓心為原點，垂直地面方向為ζ方向的圓柱坐標系；(2)將圓柱體或半圓柱體的高度和半徑分別分成若干個高度區間段和半徑區間段；獲取θ向分割系數、每個高度區間段的Z向分割系數、每個半徑區間段的！·向分割系數；(3)根據θ向分割系數，沿θ方向對圓柱體或半圓柱體進行平均分割；在每個高度區間段內根據對應的ζ向分割系數，沿ζ方向對圓柱體或半圓柱體進行平均分割；在每個半徑區間段內根據對應的r向分割系數，沿r方向對圓柱體或半圓柱體進行平均分割，得到若干個扇形單元塊。所述的矩形分割法，包括如下步驟(1)建立以長方體頂面中心為原點，長方體頂面長邊方向為χ方向，垂直地面方向為ζ方向的三維坐標系；(2)將長方體的長度、寬度和高度分別分成若干個長度區間段、寬度區間段和高度區間段；獲取每個長度區間段的X向分割系數、每個寬度區間段的y向分割系數、每個高度區間段的ζ向分割系數；(3)在每個長度區間段內根據對應的χ向分割系數，沿χ方向對長方體進行平均分割；在每個寬度區間段內根據對應的y向分割系數，沿y方向對長方體進行平均分割；在每個高度區間段內根據對應的ζ向分割系數，沿ζ方向對長方體進行平均分割，得到若干個矩形單元塊。本發明的有益技術效果為(1)本發明接地極場域的確定與分割方法，根據接地極形狀確定接地極場域范圍， 將電流場計算區域限定在一定范圍內，避免了對實際系統開放式場域的分析，在保證精度的前提下使計算模型得到簡化。(2)本發明接地極場域的確定與分割方法，對場域范圍的確定較為靈活，使得對接地極場域的切割更加方便。(3)本發明接地極場域的確定與分割方法，在不同深度和遠度采用了不均勻切分， 靠近電極處切分較密，遠離電極處切分較稀疏，兼顧了計算精度和速度，相比傳統的均勻切割方式有很大優勢，在同等計算速度下，接地極電流場的計算精度相較傳統切割方式有明顯提升。(4)本發明接地極場域的確定與分割方法，允許土壤電阻率在三個維度上任意變化，因而特別適合于土壤電阻率在水平和垂直方向上都不均勻、呈現丘陵地形地質特征的接地極電流場的計算，適用性較強。
圖1(a)為單圓環型接地極的結構示意圖。圖1(b)為單圓環型接地極的布置圖。
圖2為本發明接地極場域的確定與分割方法的步驟流程圖。圖3為雙圓環型接地極的結構示意圖。圖4為本發明接地極場域扇形分割后的單元塊結構示意圖。圖5為扇形單元塊的等值電阻網絡結構示意圖。
具體實施例方式為了更為具體地描述本發明，下面結合附圖及具體實施方式
對本發明接地極場域的確定與分割方法進行詳細說明。以某士SOOkV直流輸電工程為例，采用本發明方法確定并分割接地極場域，形成電阻網絡，進而對接地極電流場進行計算，并與電磁場有限元分析軟件ANSYS的仿真結果進行對比。此直流輸電工程的接地極采用雙圓環型結構，埋設方式為水平淺埋(內環埋于地平面下3m處，外環埋于地平面下3. 5m處)，接地極結構如圖3所示。如圖2所示，一種直流輸電系統接地極場域的確定與分割方法，包括如下步驟(1)根據接地極的圓環型結構，確定接地極的場域；接地極包含在場域內，場域為圓柱體，圓柱體的高度和半徑分別為IOOkm和20km，圓柱體的頂面為地平面，接地極的中軸線與圓柱體的中軸線重合；總體來說，計算場域范圍應與電極形狀相對應。在確定計算場域的范圍時，一般將水平方向較遠處，深度方向較深處的電位視為零電位，此處即為場域邊界范圍。確定的場域為一直立柱狀區域，柱體橫截面形狀應與電極形狀相同。具體來說，以圓環型電極為例，可以考慮將計算場域設定為直立的圓柱狀區域，其橫截面形狀與電極形狀均為圓形，并且圓柱體截面圓心與圓環電極的圓心重合。考慮到計算場域在水平方向上要足夠遠，在垂直方向上要足夠深，才能使得場域邊緣遠離電極，接近為零電位。所以對于圓環型電極的圓柱狀計算場域，可取半徑20km，深度IOOkm的區域進行計算。(2)根據接地極的圓環型結構，采用扇形分割法對接地極的場域進行三維分割，具體步驟如下1)建立以圓柱體頂面圓心為原點，垂直地面方向為ζ方向的圓柱坐標系；2)將圓柱體的高度和半徑分別分成十三個高度區間段和九個半徑區間段；獲取 θ向分割系數、每個高度區間段的ζ向分割系數、每個半徑區間段的r向分割系數；3)根據θ向分割系數，沿θ方向將圓柱體平均分割成四份；在每個高度區間段內根據對應的ζ向分割系數，沿ζ方向對圓柱體進行平均分割；在每個半徑區間段內根據對應的r向分割系數，沿r方向對圓柱 體進行平均分割，得到若干個扇形單元塊。本實施方式接地極場域的具體確定與分割參數如表1所示表1 接地極場域的確定與分割參數
場域范圍半徑為20km,高度為IOOkm的圓柱體
權利要求
1.一種直流輸電系統接地極場域的確定與分割方法，包括如下步驟(1)根據接地極的形狀，確定接地極的場域；所述的接地極包含在場域內，所述的場域為直柱體，直柱體的頂面為地平面，接地極的中軸線與直柱體的中軸線重合；(2)根據接地極的形狀，采用扇形分割法或矩形分割法對接地極的場域進行三維分割， 得到若干個單元塊。
2.根據權利要求1所述的直流輸電系統接地極場域的確定與分割方法，其特征在于 所述的場域的高度為IOOkm;所述的接地極的形狀為圓環型或星型，其場域的橫截面為圓形，半徑為20km ；所述的接地極的形狀為直線型，其場域的橫截面為正方形，邊長為40km ； 所述的接地極的形狀為跑道型，其場域的橫截面為跑道形，跑道形兩端半圓的半徑為20km， 跑道形的直道長度為跑道型接地極的直道長度。
3.根據權利要求1所述的直流輸電系統接地極場域的確定與分割方法，其特征在于 所述的接地極的形狀為圓環型或星型，采用扇形分割法對其場域進行三維分割；所述的接地極的形狀為直線型，采用矩形分割法對其場域進行三維分割；所述的接地極的形狀為跑道型，采用扇形分割法和矩形分割法對其場域進行三維分割。
4.根據權利要求1所述的直流輸電系統接地極場域的確定與分割方法，其特征在于 所述的扇形分割法，包括如下步驟(1)建立以圓柱體或半圓柱體頂面圓心為原點，垂直地面方向為ζ方向的圓柱坐標系；(2)將圓柱體或半圓柱體的高度和半徑分別分成若干個高度區間段和半徑區間段；獲取θ向分割系數、每個高度區間段的ζ向分割系數、每個半徑區間段的r向分割系數；(3)根據θ向分割系數，沿θ方向對圓柱體或半圓柱體進行平均分割；在每個高度區間段內根據對應的ζ向分割系數，沿ζ方向對圓柱體或半圓柱體進行平均分割；在每個半徑區間段內根據對應的r向分割系數，沿r方向對圓柱體或半圓柱體進行平均分割，得到若干個扇形單元塊。
5.根據權利要求1所述的直流輸電系統接地極場域的確定與分割方法，其特征在于 所述的矩形分割法，包括如下步驟(1)建立以長方體頂面中心為原點，長方體頂面長邊方向為χ方向，垂直地面方向為ζ 方向的三維坐標系；(2)將長方體的長度、寬度和高度分別分成若干個長度區間段、寬度區間段和高度區間段；獲取每個長度區間段的χ向分割系數、每個寬度區間段的y向分割系數、每個高度區間段的ζ向分割系數；(3)在每個長度區間段內根據對應的χ向分割系數，沿χ方向對長方體進行平均分割； 在每個寬度區間段內根據對應的y向分割系數，沿y方向對長方體進行平均分割；在每個高度區間段內根據對應的ζ向分割系數，沿ζ方向對長方體進行平均分割，得到若干個矩形單元塊。
全文摘要
本發明公開了一種直流輸電系統接地極場域的確定與分割方法，包括(1)根據接地極的形狀，確定接地極的場域；(2)根據接地極的形狀，采用扇形分割法或矩形分割法對接地極的場域進行三維分割，得到若干個單元塊。本發明接地極場域的確定與分割方法，根據接地極形狀確定接地極場域范圍，將電流場計算區域限定在一定范圍內，避免了對實際系統開放式場域的分析，在保證精度的前提下使計算模型得到簡化；同時在不同深度和遠度采用了不均勻切分，靠近電極處切分較密，遠離電極處切分較稀疏，兼顧了計算精度和速度，場域確定分割精細，方法簡單，通用性強，使得接地極電流場計算結果滿足高精度的要求。
文檔編號H02J1/00GK102222903SQ20111019058
公開日2011年10月19日 申請日期2011年7月8日 優先權日2011年7月8日
發明者丁健, 周志超, 張哲任, 徐政, 徐韜, 沈揚, 錢鋒 申請人:浙江大學, 浙江省電力設計院