高压直流输电系统接地极电流场和温度场的计算

1.研究背景
高压直流输电系统（HVDC）接地极作为系统直流电流的回路需要长时间稳定（解释:稳固安定；没有变动)工作在有源状态下。工频试验淮安电力变压器本系列产品铁芯为单相芯式，采用优质冷轧取向硅钢片叠制而成，紧固方式采用钢材作夹件。高压线圈为圆筒多层塔式，由优质聚酯漆包线及高耐压值绝缘材料绕制而成。低压线圈在外,仪表线圈为一独立绕组，一般情况下为100V。壳体为八角形，10KVA以上的试验淮安电力变压器装有可移动的铁轮。具有重量轻、体积小、移动方便、性能优越等特点。高压直流输电系统的额定电流较大，接地极受到直流电流场的影响较为深远。为了保证接地极的安全运行，减小其对周围环境的影响，需要对地中电流场及电流分布进行正确的分析(Analyse)和计算。另外在电流场的作用下，土壤（质地类型：壤土、砂土、黏土）的温度（temperature)升高现象已成为一个不容忽视的问题(Emerson)。对于实际工程(Engineering)，出于安全性(security)的考虑，要确保接地极附近最高温度不超过水的沸点（Boiling Point)，否则电极（electrode）将会丧失运行功能。
2.HVDC接地极电流场和温度场的基本计算原理
为了克服求解三维分布电流(Electron flow)场和温度场传统方法（有限差分法，有限元法，复数镜像法）的不足，本文分别引入电阻网络法（resistancenetworkmethod,RNM）和有限体积（volume)法（finitevolumemethod,FVM）用于HVDC接地极电流场和温度场的计算。这2种方法的计算过程较为简单，并且不受三维空间内土壤（质地类型：壤土、砂土、黏土）电阻率变化的限制（limit）。这2种方法的基本思路是将整个场域划分为一定数量的非重叠子区域，每个子区域等效为一个节点。把所有节点连接起来之后，皆可以得到用来表征整个场域的网络。通过求解这个网络，就求解出了整个场域内的电流场和温度场分布。
3.用于计算电流(Electron flow)场的电阻(resistance)网络法
当每个子区域都采用其中心点代表之后，可以把子区域等效为节点（中心点）加上等效电阻(resistance)的形式，如图1所示。其中Rx，Ry，Rz分别表示子区域x方向，y方向和z方向的等效电阻。把所有节点连接起来之后，就形成了表征整个场域的电阻网络，如图2所示。在场域的边界节点上施加相应的边界条件，就可以计算出整个场域内的电流(Electron flow)场。






4.用于计算温度（temperature)场的有限体积（volume)法
电流(Electron flow)场和温度（temperature)场的唯一区别就是在相应的偏微分方程中，温度场还多出了表示发热源的相关(related)项。因此采用类比方法，在采用有限体积法计算温度场时候，也能形成与电阻(resistance)网络结构相同的导热热阻网络。与电阻网络比，热阻网络的每个节点还要相应增加表征发热源的相关项。因此可以采用与电阻网络法类似的方法计算整个场域的温度场。
5.算例计算
针对某±800kV高压直流输电系统，分别使用RNM和FVM计算其接地极附近的电流(Electron flow)场和温度（temperature)场。接地极结构如图3所示。



图4给出了使用RNM和使用CDEGS计算出的位于截面1~截面3上的电流(Electron flow)场结果。交直流试验淮安电力变压器线圈为同心宝塔形多层圆筒式，低压线圈在内，高压线圈在外；外壳为便携式，具有体积小、重量轻、外形美观、移动方便等优点。试验淮安电力变压器是采用了线圈环氧真空浇注成型，及CD型铁芯的新工艺、新材料。与其同容量，同电压的油侵式试验淮安电力变压器相比，具有重量轻、体积小、造型美观、性能稳定、使用携带方便、无渗漏油等优点。并有效地削弱了漏磁提高了绝缘强度和抗湿能力。特别适用于电力系统及各电力用户在现场检测各种电气设备的绝缘性能，直流耐压及泄漏电流试验。是替代目前笨重的油侵式淮安电力变压器的首选产品。图5给出了3.5m深度处接地极附近的温度（temperature)场。







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