接地极电流溢散模型及仿真实验研究

重庆大学本科学生毕业设计（论文）接地极电流溢散模型及仿真实验研究学 生：王 菲学 号：20124059指导教师：张占龙 专 业：电气工程与自动化重庆大学电气学院二 O 一六年六月Graduation Design（Thesis） of Chongqing UniversityStudy of the Grounding Electrodes Electric Current Dispersed Model and Simulation Undergraduate: Wang FeiSupervisor: Zhang Zhanglong Major: School of Electrical EngineeringSchool of Electrical EngineeringChongqing UniversityJune 2016重庆大学本科学生毕业设计（论文） 中文摘要I摘 要目前接地极的性能主要是由接地电阻来反映的，因此我们需要考虑影响接地电阻的多种因素。而接地极最主要的作用是能够将电流尽快溢散出去，因此研究接地极电流溢散模型能更好地了解接地极的工作特性，对接地极性能指标能提供较为准确的指标。本文主要研究接地极在土壤中的电流溢散模型及仿真实验，研究接地极在土壤中电流溢散的机理，搭建电流溢散模型，进行仿真实验。首先是通过理论计算得到接地极在深层土壤中的电位、电流分布，从理论得出电流溢散分布特性，并在理论的基础上建立初步电流溢散模型来证明理论的正确性。通过在室外土壤池内埋设接地极进行电流溢散试验研究接地极在实际土壤环境中的电流溢散特性，并与 COMSOL 仿真研究进行对比分析验证仿真的准确性。本文最后考虑了接地极的各种形状对土壤电流溢散的影响，并且综合考虑了土壤电阻率模型后的情况，通过 COMSOL 软件仿真及实物平台实验对电流溢散模型进行精度上的校正，进一步建立改进后不同情况下的模型，来取得修正过后接地极在土壤中的电流溢散特性。关键词：接地极，电流溢散模型，COMSOL，室外实验重庆大学本科学生毕业设计（论文） ABSTRACTIIABSTRACTThe grounding electrode performance through the analysis of grounding resistance to reflect at present, but the grounding resistance is affected by many factors. And the grounding electrode is the most important role to spread out the electric current as soon as possible, so the electric current dispersed model of the grounding electrode can better understand the working characteristic of grounding electrodes, providing a more accurate indicator for the performance index of grounding electrodes.In this paper, we study the electric current dispersed model of the grounding electrode in the soil and the simulation experiments, the mechanism of the electric current dispersed model of the grounding electrode in the soil, building the electric current dispersed model to conduct the simulation experiment. First, obtain the grounding potential and current distribution in the deep soil by theoretical calculation, obtain the electric current dispersed distribution characteristics by the theory, and obtain the initial electric current dispersed model by the theory to illustrate the correctness. By buried the grounding electrode in the soil of outdoor pool to study on characteristics of the electric current dispersed model of the grounding electrode in practical soil environment, and compared with COMSOL simulation analysis to verify the exactness of the simulation.In the end of the paper considers the influence of grounding electrodes of all kinds of shape on the electric current dispersed model in the soil and considers the condition of soil resistivity model, through COMSOL software simulation and physical experiment platform for the electric current dispersed model precision calibration, further establish the improved model under different conditions to obtain the features of the modified the electric current dispersed model in the soil. Finally, the paper considers the grounding of all kinds of shape on the electric dispersed in the soil and considering the influence of soil resistivity model, through COMSOL and physical experiment platform for the electric current dispersed model precision calibration, further establish the improved model under different conditions, to obtain the features of the modified electric current dispersed model of the grounding electrode in the soil.Key words: the grounding electrode, the electric current dispersed model, COMSOL, outdoor experiments重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目 录III目 录中文摘要 .IABSTRACT.II1 绪 论 .11.1 问题的提出 .11.1.1 研究背景 .11.1.2 问题介绍 .21.2 国内外研究的状况 .31.2.1 土壤散流特性 .31.2.2 地网散流特性 .31.2.3 接地网的优化方法 .31.3 本文研究的工作 .42 接地极电流分布的计算分析 .62.1 接地极的布置 .62.2 垂直接地极的电流分布的计算分析 .62.2.1 垂直接地极的电位分布 .62.2.2 垂直接地极的电流密度 .92.3 初步模型仿真分析 .142.3.1 仿真软件 COMSOL 介绍 .142.3.2 接地极的仿真模型建立分析 .152.4 小结 .213 接地极电流溢散的模拟实验 .223.1 实验原理 .223.2 实验设备的选用 .223.3 实验条件 .233.4 实验结果及分析 .243.5 小结 .264 接地极电流溢散的改进仿真模型 .274.1 土壤电阻率模型改进 .274.1.1 土壤视在电阻率模型 .274.1.2 建立土壤模型 .294.1.3 两层土壤结构 .31重庆大学本科学生毕业设计（论文） 目 录IV4.2 不同接地极形状的仿真 .324.3 小结 .455 结论与展望 .465.1 结论 .465.2 展望 .46致 谢 .47参考文献 .48附录 A：电流密度比例曲线的绘制 .50重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪 论11 绪 论1.1 问题的提出1.1.1 研究背景在我国，电力资源的分布和用电需求的分布十分不均衡。北上广等发达城市以及东部沿海地区的多个省市的电力资源消耗量至少占有全国的40，然而在我国的西部区域却分布了60的水电资源，这种现况决定了如果我国要解决电力供应难的问题，就需要在大力开发水电和火电的同时，还要建设全国范围内的能源传输通道，进行从南到北、从西到东的这样一个远距离和大容量的电能传输，以此实现全国范围电力系统的互联，全面发挥在全国范围内的大电网下水电与火电互补协调、不同地区依据用电负荷错峰用电的作用。特高压输电技术是一种至少达到500kV直流、500kV与750kV交流电压等级甚至可以达到更高一级的输电技术，其中主要是由特高压直流输电技术以及特高压交流输电技术这两种类型组合而成。采用特高压输电技术能够提高电能输送容量，同时能够加大经济输电长度，而且可以减少输电线输送电能的过程中能量的消耗、节约线路走廊的占地面积、大大节约了项目的投资经费。由于特高压输电技术在远距离和大容量输送电能这一块有着巨大的贡献，现在已经成为了我国输送电能和地区互联的不可缺少的形式，已建和即将建立的输电系统将会把超高压和特高压的输电线路作为主要部分。在直流输电项目大范围建设的过程中，出现的直流不平衡运行会带来热效应、电磁感应以及电化学反应这些不容小觑的危害，同时直流引起的地电位分布产生的跨步电压可能会发生对人畜不必要的伤害。直流引起的地电流溢散所引起的电化学腐蚀会减少传输管道网络的使用寿命，直流引起的地电流分流产生的偏磁效应会加快设备老化，严重时甚至会导致混联交直流的电网不能安全而又稳定地运行。在特高压总输送端和总接受端的所在区域，埋设了非常多的接地极，引起的直流引起的地电流也会变得非常大，加上地质条件有着复杂多样性，这些负面影响将会更加突出。比如说，曾经在广东地区检测到突然进入变压器中性点的直流电流飙升到 80A 以上,这个数值远远超过了变压器的偏磁能够承受的范围；另外一个例子是，曾经三广直流的不平衡运行导致了一个超高压变电站中谐波电流过大，以至于站内的无功补偿电容器组由于过热而爆炸 1。有上述情况可知，我们一定要事先充分考虑直流不平衡运行对人身的安全、管道网络的寿命、设备的运行情况等有可能造成严重影响的这些情况，然后在各个必要的站点采取有针对性的防范措施。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪 论21.1.2 问题介绍超高压、特高压变电站与换流站的负荷容量大，入地电流一般来说大于10kA，甚至一些变电站和换流站的入地短路电流高于 30kA，如果说有一超高压所按照近期规划来设定容量，当接地故障时，入地电流超过 20kA，按远期规划来设定容量，同样情况下，入地电流则会超过 50kA。一般情形下 330kV 与220kV 及以下的输电系统变电站当发生接地故障时入地电流只有几千安，这两种情况相差近十倍，需要注意的是，当入地电流变大之后，接触电压和跨步电压也要一起变大，这类情况会对人身安全和设备安全造成巨大伤害。有些超高压和特高压变电站被建在西藏与云南交界的高原地带，高原地带不仅海拔高，而且土壤的结构非常复杂，一些地区还存在季节性冻土，所以接地问题更加复杂，主要的接地问题有：土壤散流特性在计算接地电阻的公式中，土壤电阻率是用来表现电流溢散特性的一个重要数据，一般来说在接地电阻的计算公式中土壤电阻率常常是一个固定值，但考虑到实际条件，由于温度的高低、湿度的大小等方面的不同，也会使得土壤电阻率不尽相同。有参考文献是关于温度、湿度和电流频率对土壤电阻率的影响，然而对于土壤的导电能力、外部条件对土壤电阻率的具体影响以及土壤电阻率的变化规律却没有深入地探究。并且接地导体表面的电流密度随着入地电流增大这一现象目前也并没有参考文献深入研究过，到底电流密度对土壤导电特性有没有影响还需进一步研究。地网散流特性当接地以后，入地电流就会变大，需要降低变电站、换流站的接地电阻来保证正常运行。减小接地电阻的方式有很多，比如可以加大地网面积、增加深井接地极的个数和增设外引出一个地网等等。外增地网是一种十分高效的降低接地电阻的方法，可是现在研究双地网系统接地特性的参考文献并不多，所以它的电流溢散原理还不清楚，该情况下的接地特性的影响因素也不知晓，双地网的降低接地电阻的最终成效仍待做进一步探索。有些布于超高压与特高压变电站与换流站中的地网面积可以高达几十万平方米之大，当地网的面积变大以后就要综合考虑其所处的地理和地质条件，现有的一些研究只是给出了在均匀土壤中类似长方形地网的电流溢散特性，从而得到了这种情况下计算接地电阻的公式。然而在复杂情况下地网的散流特性还没有被分析清楚，所以地网接地电阻都只能通过仿真软件去计算，由于研究水平双层土壤可以推导出研究复杂土壤模型，为了分析清楚复杂土壤中电流溢散规律就必须分析清楚双层土壤中电流溢散的特性。重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪 论3地网的优化已知接触电压与跨步电压是接地网的重要安全参数，所以使用非等间距的接地体既能保证地网的安全可靠，又可以使每一根接地体的散流特性得到高效发挥，这样就减少了金属原料的使用。但是超高压和特高压变电站与换流站中的地网面积非常大，网孔也很多，所以先前的改善措施无法满足超高压与特高压变电站和换流站的需要，而且计算机辅助设计也需要有新的地网优化措施。1.2 国内外研究的状况1.2.1 土壤散流特性由于土壤是一种典型的多孔介质，所以土壤的导电性能与土壤结构有关，Paillat， Kretzschmar 等外国教授应经研究出离子和胶体等带电粒子在多孔介质中的迁移运动 7，但他们的研究主要是用来去除环境工程学中的土壤污染，并没有得到土壤的导电机理 8。Gonos 与 Takahashi 等教授研究出了均匀土壤和非均匀土壤接地电阻的测量方法 9，Blattner 教授研究了双层土壤结构的等效电阻率 10，并分析了土壤电阻率对被埋设的接地极电位的影响，Armstong 与 Simpkin 教授在1953 年就早已对各种接地极进行特性试验，然而他们是把土壤电阻率作为一个常量，并没有得出电流等因素对土壤导电特性的影响；现阶段接地系统的科研工作大部分集中在对宏观土壤结构影响的研究 11和对交流变压器造成的直流偏磁的研究 12，所以目前海内外的参考文献中少有关于土壤电阻率直流性能方面的研究。1.2.2 地网散流特性土壤的典型结构有水平分层和垂直分层，最常采用的降阻方法 13是深井接地和外引地网，Zaborszky 教授研究并得出了地网在非均匀土壤中的性能 14，Bogajewski 与 Davalibi 教授做了变电站接地极的故障回流电流和接地极对埋设金属物体的影响这些工作 15，然而目前还没有对深井接地和外引地网等降阻方法的效果的深入研究；国内的解广润、陈先禄和李景禄教授在测量土壤结构、计算地网接地电阻等方面开展了一系列工作；何金良、曾嵘等教授对接地极的冲击特性以及高电阻率地区的降阻措施 16进行了深入的研究；Chow Y L 与 Salama M M 教授研究得到了接地网分别在均匀土壤和水平双层土壤中的工程计算公式 17，但他们得到的推算方法与用仿真得到的结论有较大误差，所以现在很难找到参考文献可以得出可以工程中地网在分层的复杂土壤结构模型，同时深井接地与外引地网这两个降阻方法的规律也有待进一步的研究。1.2.3 接地网的优化方法接地网的优化方法即能够找到安放接地网中水平接地体恰当的位置，设置恰当的均匀接地体的溢散电流密度以及接地网引起的地表面电位分布,这样既可以提重庆大学本科学生毕业设计（论文） 1 绪 论4高接地体的利用率，又可以确保人身的安全和保障设备的正常运行。Dawalibi 教授研究了转移地电位对电力系统的影响 17，德国的 Sverak 教授是最早提出非等间距布置导体的，同时验证了该方法不光能保证地网的安全运作,而且还可以使每一根接地体的散流特性被高效发挥出来,以此来减少使用的金属材料。何智强、文习山等教授研究出在改善地网时遗传算法的应用以及遗传算法是否对气候因素有影响 1819。高延庆等教授通过探究给出了在指数压缩计算法中确