基于薄壳理论的高压直流接地极电热动态耦合有限元分析

摘要

在我国高压直流输电工程飞速发展的同时，土地资源的短缺以及直流接地极极址选择的较高要求等因素，使共用接地极技术应用广泛，所以直流接地极工作环境日益复杂与严峻。单极大地运行方式下的散流过程中温升会导致接地极周围土壤局部硬化、甚至接地极烧毁等问题，或者产生埋地金属设施的腐蚀和变压器直流偏磁等影响。故对直流接地极的散流机理及温升过程进行精确模拟及分析，并研究地下暗河、岩石层等特殊块状土壤结构下接地极的接地性能，以及实际分层土壤结构下接地极极址附近埋地金属管道防护距离等相关课题，是超特高压直流输电接地极优化设计及解决由大电流入地导致的严重温升及直流腐蚀和偏磁等问题的理论基础。
　　传统三维有限元数值算法计算接地问题时存在一个突出性难题：接地导体截面尺寸与其自身长度、散流土壤区域尺寸相差106数量级，导致计算过程中经常出现计算量激增甚至剖分失败等现象。针对此问题，本文引入薄壳理论进行处理；另外，在计算过程中引入土壤电、热参数温度特性曲线，精确模拟由土壤温升而导致的土壤参数变化现象；然后利用本文算法并基于 COMSOL Multiphysics仿真软件建立了直流接地极电热动态耦合有限元模型；分析了不同表层土壤电阻率下土壤参数温度特性对直流接地极温升过程的影响，结果表明：考虑土壤参数温度特性时，直流接地系统的接地电阻随运行时间变化而变化；分析了高、低块状异阻区对直流接地极电场分布和接地电阻的影响。研究表明：异阻区水平位置和垂直深度对直流接地极接地参数有较明显的影响。故在实际直流接地极设计中，应考虑土壤电阻率异常较低或较高的区域对接地设计的影响；最后，基于本文数值算法对任何土壤结构的广泛适用性，系统地对简单两层水平分层土壤下的埋地金属管道防护距离进行分析。结果表明：土壤电阻率对埋地金属管道最小防护距离的影响与其所在的土壤层厚度密切相关，其所在土壤层厚度越大，对金属管道最小防护距离的影响越大；第一层土壤厚度d1对最小防护距离的影响程度主要取决于ρ1、ρ2之间的差距；相同的ρ1/ρ2比值下，最小防护距离随d1的变化趋势，在一定可允许误差范围内近似认为一致。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 直流接地极的接地性能研究现状

1.3 本文主要工作

2 土壤参数温度特性

2.1 土壤基本结构及电导理论

2.2 土壤电、热参数温度特性

2.3 本章小结

3 基于薄壳理论的直流接地极电热动态耦合有限元模型

3.1 直流接地极有限元数学描述

3.2 数值模型的验证

3.3 本章小结

4 直流接地极接地性能及相关课题研究分析

4.1 土壤参数温度特性对直流接地极温升过程的影响分析

4.2 极址附近异阻区对直流接地极影响分析

4.3 土壤分层结构对埋地金属管道防护距离的影响分析

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 本文结论

5.2 未来展望

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文及研究成果