一种复杂地质条件下直流电流的有限元计算方法

摘要

本发明涉及一种复杂地质条件下直流电流的有限元计算方法，该方法根据真实地质环境在ANSYS中建立模型进行计算，该方法包括下列步骤：建立原始模型，对原始模型进行直流电流的有限元计算；加入一种地质模型，进行直流电流的有限元计算，并将计算得到的结果与原始模型中得到的结果进行比较；改变加入地质模型的参数，进行计算，并将得出的结果与未改变参数的结果进行比较；加入两种或两种以上的地质模型，进行计算，将得到的结果与之前的结果进行比较；总结比较结果，得出不同地质条件对直流电流的有限元计算的影响规律；根据规律与当前地质条件进行直流电流的有限元计算。与现有技术相比，本发明具有实用性高以及计算结果准确等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及高压直流输电单极大地方式运行引起的直流偏磁的计算与治理，尤其是涉及一种复杂地质条件下直流电流的有限元计算方法。

背景技术

随着我国电力系统不断发展，超特高压直流输电线路逐渐成为跨地区电力输送的重要走廊。直流输电工程通常采用双极系统接线方式，正常运行时，直流电流不流经大地(或海水)。但在系统调试、检修或故障时，转为单极大地回线运行方式，大地(或海水)相当于直流输电线路的一根导线，其电流场会使地电位发生变化。对中心点接地的交流系统而言，处于不同直流电位的变电站经输电线路、变压器绕组构成直流回路，使变压器产生直流偏磁现象，严重影响供电质量和供电安全。

直流偏磁的计算和治理建立在对接地极散流特性准确把握的基础之上，而接地极的散流特性受其附近地质条件的影响很大，需要考虑土壤的水平分层以及远离接地极时土壤电阻率的变化情况。在综合考虑土壤的水平分层和垂直分层时，接地电流场是一个复杂的物理系统，某一区域地质条件的变化会引起整体的电流场发生显著改变，进而对直流偏磁的预测结果产生影响。而目前对接地极散流特性的研究主要集中在计算方法和水平分层的影响方面，对地质结构和地质条件的影响规律研究还比较缺乏。因而提出利用基于矩量法的有限元计算对接地极的散流特性进行仿真研究，进而通过加入和改变不同的地质条件来系统地分析总结山体、盆地、河流、湖泊等对散流特性的影响。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题提供一种复杂地质条件下直流电流的有限元计算方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

1.一种复杂地质条件下直流电流的有限元计算方法，该方法根据真实地质环境在ANSYS中建立模型进行计算，其特征在于，该方法包括下列步骤：

1)建立原始模型，对原始模型进行直流电流的有限元计算；

2)对步骤1)中得到的原始模型加入一种地质模型，进行直流电流的有限元计算，并将计算得到的结果与步骤1)中得到的结果进行比较；

3)改变步骤2)中加入地质模型的参数，进行直流电流的有限元计算，并将得出的结果与步骤2)中得到的结果进行比较；

4)对步骤1)得到的原始模型加入两种或两种以上的地质模型，进行直流电流的有限元计算，并将得到的结果与步骤1)和步骤2)中得到的结果进行比较；

5)总结步骤2)、3)与步骤4)中的比较结果，得出不同地质条件对直流电流的有限元计算的影响规律；

6)根据步骤5)中得出的规律与当前地质条件，对当前地质条件进行直流电流的有限元计算。

所述直流电流的有限元计算包括下列步骤：

11)根据建立的模型选取模型单元，添加单元材料属性；

12)根据步骤11)中选取的模型单元，对建立的模型进行剖分；

13)对步骤12)中进行过剖分的模型施加电流载荷以及边界条件；

14)选取求解算法对步骤13)中施加过电流载荷以及边界条件的模型进行求解，得出整个模型的电位分布以及电流密度分布。

所述模型单元为十节点四面体SOLID232。

所述单元材料属性为电阻率属性。

所述求解算法为JCG算法。

所述原始模型包括土壤、海洋、表层基岩以及底层基岩。

所述地质模型包括山体模型、河流模型、湖泊模型以及盆地模型。

所述地质模型的参数包括大小、电阻率以及方向。

与现有技术相比，本发明通过加入和改变不同的地质条件来系统的分析总结山体、盆地、河流和湖泊等对散流特性的影响，全面的考虑了不同的地质结构与地质条件，使得对于直流偏磁的计算更加准确，同时也具有较高的实用价值；同时总结了地质结构和地质条件对于直流偏磁计算的影响规律，便于在遇到相似或有规律的地质情况时避免重复计算，节省了计算时间与计算量，节省了成本。

附图说明

图1为原始模型俯视图；

图2为原始模型侧视图；

图3为山体模型图；

图4为湖泊与盆地模型图；

图5为河流模型图；

图6为加入山体模型后的电位等位线图；

图7为加入湖泊模型后的电位等位线图；

图8为加入河流模型后的电位等位线图；

图9为加入盆地模型后的电位等位线图；

图10为复杂地质条件下直流电流的有限元计算方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图10所示为复杂地质条件下直流电流的有限元计算方法流程图，该方法根据真实地质环境在ANSYS中建立模型进行计算，该方法包括下列步骤：

(1)建立原始模型，对原始模型进行直流电流的有限元计算；

(2)对(1)中得到的原始模型加入一种地质模型，对新模型进行直流电流的有限元计算，并将计算得到的结果与(1)中得到的结果进行比较；

(3)改变(2)中加入地质模型的参数，对新模型进行直流电流的有限元计算，并将得出的结果与(2)中得到的结果进行比较；

(4)对(1)得到的原始模型加入两种或两种以上的地质模型，将得到的结果与(1)和(2)中得到的结果进行比较；

(5)总结(2)、(3)与(4)中的比较结果，得出规律；

(6)根据(5)中得出的规律与当前地质条件，对当前地质条件进行直流电流的有限元计算。

在上述步骤中，涉及到的具体技术方案如下：

(a)建立模型

根据真实环境建立一个模型，如图1及图2所示，此模型中包括了土壤、海洋、表层基岩及底层基岩。

在此模型基础上，可添加山体、河流、湖泊以及盆地模型等，以接近实际的地理环境。山体模型如图3所示，山体底部连接着底层基岩，顶部突处于土壤；湖泊与盆地模型如图4所示，为镶嵌在土壤中的圆柱形，盆地的模型与湖泊类似，盆地中的介质为空气；河流模型如图5所示，河流也是镶嵌在土壤中。这些模型可以单独添加，也可以一起添加在上面的模型中。

(b)选取单元类型并添加材料属性

为了控制运算量，减少自由度，选取十节点四面体SOLID232作为模型单元。ANSYS中稳态电流场分析只需要添加电阻率属性，因此添加单元材料属性如表1所示。

表1单元材料属性

(c)模型分析

为了得到平滑的电流分布曲线，需对模型进行较为细密的剖分。综合考虑计算结果精度和硬件配置，将模型剖分成百万数量级进行计算。Solid 232是四面体型单元，因此网格划分只能采用自由剖分。在ANSYS中打开智能网格划分选项，利用lesize命令设定各边剖分精度，使单元和节点数能保证计算结果的准确性。

(d)施加载荷及边界条件

给模型施加电流载荷，电流大小为3000A，模型四周施加电压为0的边界条件。

(e)模型求解

由于模型自由度达到百万级，而计算平台的内存和磁盘大小有一定限制，因此有必要分析各种算法对硬件的要求，以便选择合适的算法。ANSYS提供的求解算法主要分为3类：一是内存占用大，磁盘占用小；二是内存占用小，磁盘占用大；三是内存和磁盘占用较为均衡。由于本模型计算问题为电流场单场领域，计算平台内存120G，磁盘空间200G，综合所有因素，选择JCG算法进行计算。

(f)计算结果

通过以上的建模计算，得出整个模型的电位分布与电流密度分布，通过比较得出各种地质条件对散流的影响。电位等位线图如图6～图9所示。