基于ANSYS的陕北换流站直流接地极地电位分布计算
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
在 UHVDC 工程建成投运初期以及系统单极 闭锁检修阶段，系统单极大地回线运行会有强大 的 入 地 直 流 经 由 接 地 极 流 入 大 地 深 处 [1-2]， 强 大 且 持续较长时间的入地直流电流可能会使得接地极 附近的变压器造成直流偏磁饱和，进而导致温升 过 高 、 无 功 消 耗 增 加 以 及 高 次 谐 波 过 大 [3-12]。 透 入大地深处的直流对电力系统接地网以及地下金 属 管 网 发 送 电 化 学 腐 蚀 [7]； 临 近 接 地 极 极 址 的 铁
单极大地回线方式下，接地极入地直流由送 端电网接地极流入大地，透入大地无限深远，再 由受端电网接地极流出，此过程中入地直流从地 面向下透深，从上层土壤向大地深处流动，在土 壤中电流流动具有连续性，透过不同电阻率的土 壤 ， 满 足 场 方 程 式 （ 1） 和 （ 2） ， 即
∇× E = 0
（1）
随着特高压直流换流站的建设，暴露出接地 极对周围交流电力系统越来越多的影响。在设计 阶段的关键问题是接地极的极址周围大地电位分 布计算的准确性，此问题对于评估入地直流衍生 灾害具有举足轻重的作用。结合规划阶段大地电 位分布的仿真计算结果，合理评估变压器直流偏 磁影响，在系统投运前期的低端及高端调试阶段 采取相关的防治措施。
第 51 卷 第 5 期 2018 年 5 月
中国电力
ELECTRIC POWER
Vol. 51, No. 5 May 2018
基于 ANSYS 的陕北换流站直流接地极地 电位分布计算
马成廉1，王乐天2，李波2，李颖瑾2，郝洪震2，赵书健1，国敢1
(1. 东北电力大学 输变电技术学院，吉林 吉林 132012； 2. 山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013)
∇
·
J
=
−
∂ρ ∂t
辅 助 关 系 方 程 为 式 （ 3） 和 （ 4） ， 即
J = σE
E = −∇V（2）Fra bibliotek（3） （4）
由 式 （ 1） 和 式 （ 4） 推 导 出 场 关 系 方 程 ， 即
∇2V = 0
（5）
式中：E 为透入大地的电流所激励的地面感应 电场强度，V/m；J 为电流密度，A/m2；ρ 为导 体电荷密度，C/m3；σ 为电导率，S/m；V 为电 位 ， V。 1.2 地电流场边界条件
中 图 分 类 号 ： TM721.1
文献标志码：A
DOI： 10.11930/j.issn.1004-9649.201711169
0 引言
大力发展超（特）高压交直流输电（UHVDC） 是 符 合 国 家 防 治 大 气 污 染 国 情 的 重 要 举 措 [1]。 2017-06-23，酒湖直流±800 kV 特高压输电工程在 经过送受端电网低端及高端调试之后，全线投 运，该工程对华中地区的大气污染防治工作意义 深远。计划于 2019 年建成投运的±800 kV 陕北 —湖北特高压直流输电工程，其意义在于可有效 地开发陕北煤电基地，加快革命老区陕北的经济 建设，提高送端电网电力外送，满足湖北受端电 网日益增长的用电负荷需求。
摘 要 ： 在 特 高 压 直 流 输 电 （ UHVDC） 工 程 规 划 设 计 阶 段 需 要 进 行 地 表 电 位 的 分 布 计 算 ， 参 考 了 陕 北 换 流
站工程中府谷大柳树墕村接地极大地电磁测深（MT）法实测的大地分层电阻率数据，建立了 6 层大地土壤
分层模型，并应用 ANSYS 计算了在额定运行工况下接地极方圆 100 km 范围内的大地电位分布。结果表
1 地电流场理论基础
直流工程送电线路起点为陕西省榆林市陕北 换流站。陕北换流站的接地极位于榆林市府谷县 境内[19]。当 UHVDC 工程以单极方式运行时，接 地极会持续流过数千安培直流电流，故接地极附 近地电位将显著提高。地面及地下人工技术系统 与大地构成环路，必然导致其直流电流增大，地 下发生电化学腐蚀，地面交流变压器发生直流偏 磁，铁路信号电磁干扰等危害加大，从而影响安 全运行。 1.1 地电流场基本方程
本文结合在建的陕北换流站府谷大柳树墕村 接地极工程，应用大地电磁测深的大地电阻率实 际测量数据，运用 ANSYS 进行建模及仿真计算， 用以校验设计院设计、规划及测量工作。通过本
第 5期
马成廉等：基于 ANSYS 的陕北换流站直流接地极地电位分布计算
文仿真计算以使设计人员能够较好地掌握接地极 极址大地电阻率对周围大地电位上升分布的影 响。可为相关设计单位 UHVDC 接地极的地电位 分布计算提供一定的辅助参考。
明，接地极方圆 2 km 范围内地电位下降迅速，不应规划建设电力、通信、铁道及管道等设施。所得陕北换
流站地区已建及远景规划的各变电站及电厂的地电位分布结果，可对陕湖特高压直流输电工程单极运行调
试提供参考。
关 键 词 ： UHVDC； 直 流 接 地 极 ； ANSYS； 仿 真 计 算 ； 地 面 电 位 分 布
收稿日期：2017-11-23； 修回日期：2017-12-20。 基金项目：国家自然科学基金资助项目 (51577060， 51677068)。
52
路沿线会受到电磁干扰，从而会影响到铁路信号 通 信 等 [8]。 太 阳 风 暴 导 致 地 磁 扰 动 从 而 诱 发 地 磁 暴对特高压电网及地面人工系统也产生类似的影响[13]， 其影响是全球性的，而地面技术系统的高压直流 入地影响具有集中性，以及大地电性构造复杂及 差异化造成的不确定性，研究问题更加复杂。中 国能源发展不平衡，受端电网通常负荷密集，人 口密集且对电力系统运行安全稳定要求更高，对 接地极入地直流次生危害的预防及治理更应该重 视 [14-18]。 规 划 设 计 阶 段 需 要 提 前 进 行 地 表 电 位 的 分布计算，其结果准确与否直接影响到系统稳定 运行及次生灾害的防治评估。
直流输电工程距离长达几千公里，接地极大 地电位分布分析范围较广，直流入地电流可以视 为点电流源，包含点电流源的地下区域的场方程 是 泊 松 方 程 [4]， 不 包 含 点 电 流 源 的 区 域 为 拉 普 拉 斯 方 程 ， 以 上 满 足 区 域 场 关 系 方 程 式 （ 5） 。
单极大地回线方式下，接地极入地直流由送 端电网接地极流入大地，透入大地无限深远，再 由受端电网接地极流出，此过程中入地直流从地 面向下透深，从上层土壤向大地深处流动，在土 壤中电流流动具有连续性，透过不同电阻率的土 壤 ， 满 足 场 方 程 式 （ 1） 和 （ 2） ， 即
∇× E = 0
（1）
随着特高压直流换流站的建设，暴露出接地 极对周围交流电力系统越来越多的影响。在设计 阶段的关键问题是接地极的极址周围大地电位分 布计算的准确性，此问题对于评估入地直流衍生 灾害具有举足轻重的作用。结合规划阶段大地电 位分布的仿真计算结果，合理评估变压器直流偏 磁影响，在系统投运前期的低端及高端调试阶段 采取相关的防治措施。
第 51 卷 第 5 期 2018 年 5 月
中国电力
ELECTRIC POWER
Vol. 51, No. 5 May 2018
基于 ANSYS 的陕北换流站直流接地极地 电位分布计算
马成廉1，王乐天2，李波2，李颖瑾2，郝洪震2，赵书健1，国敢1
(1. 东北电力大学 输变电技术学院，吉林 吉林 132012； 2. 山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013)
∇
·
J
=
−
∂ρ ∂t
辅 助 关 系 方 程 为 式 （ 3） 和 （ 4） ， 即
J = σE
E = −∇V（2）Fra bibliotek（3） （4）
由 式 （ 1） 和 式 （ 4） 推 导 出 场 关 系 方 程 ， 即
∇2V = 0
（5）
式中：E 为透入大地的电流所激励的地面感应 电场强度，V/m；J 为电流密度，A/m2；ρ 为导 体电荷密度，C/m3；σ 为电导率，S/m；V 为电 位 ， V。 1.2 地电流场边界条件
中 图 分 类 号 ： TM721.1
文献标志码：A
DOI： 10.11930/j.issn.1004-9649.201711169
0 引言
大力发展超（特）高压交直流输电（UHVDC） 是 符 合 国 家 防 治 大 气 污 染 国 情 的 重 要 举 措 [1]。 2017-06-23，酒湖直流±800 kV 特高压输电工程在 经过送受端电网低端及高端调试之后，全线投 运，该工程对华中地区的大气污染防治工作意义 深远。计划于 2019 年建成投运的±800 kV 陕北 —湖北特高压直流输电工程，其意义在于可有效 地开发陕北煤电基地，加快革命老区陕北的经济 建设，提高送端电网电力外送，满足湖北受端电 网日益增长的用电负荷需求。
摘 要 ： 在 特 高 压 直 流 输 电 （ UHVDC） 工 程 规 划 设 计 阶 段 需 要 进 行 地 表 电 位 的 分 布 计 算 ， 参 考 了 陕 北 换 流
站工程中府谷大柳树墕村接地极大地电磁测深（MT）法实测的大地分层电阻率数据，建立了 6 层大地土壤
分层模型，并应用 ANSYS 计算了在额定运行工况下接地极方圆 100 km 范围内的大地电位分布。结果表
1 地电流场理论基础
直流工程送电线路起点为陕西省榆林市陕北 换流站。陕北换流站的接地极位于榆林市府谷县 境内[19]。当 UHVDC 工程以单极方式运行时，接 地极会持续流过数千安培直流电流，故接地极附 近地电位将显著提高。地面及地下人工技术系统 与大地构成环路，必然导致其直流电流增大，地 下发生电化学腐蚀，地面交流变压器发生直流偏 磁，铁路信号电磁干扰等危害加大，从而影响安 全运行。 1.1 地电流场基本方程
本文结合在建的陕北换流站府谷大柳树墕村 接地极工程，应用大地电磁测深的大地电阻率实 际测量数据，运用 ANSYS 进行建模及仿真计算， 用以校验设计院设计、规划及测量工作。通过本
第 5期
马成廉等：基于 ANSYS 的陕北换流站直流接地极地电位分布计算
文仿真计算以使设计人员能够较好地掌握接地极 极址大地电阻率对周围大地电位上升分布的影 响。可为相关设计单位 UHVDC 接地极的地电位 分布计算提供一定的辅助参考。
明，接地极方圆 2 km 范围内地电位下降迅速，不应规划建设电力、通信、铁道及管道等设施。所得陕北换
流站地区已建及远景规划的各变电站及电厂的地电位分布结果，可对陕湖特高压直流输电工程单极运行调
试提供参考。
关 键 词 ： UHVDC； 直 流 接 地 极 ； ANSYS； 仿 真 计 算 ； 地 面 电 位 分 布
收稿日期：2017-11-23； 修回日期：2017-12-20。 基金项目：国家自然科学基金资助项目 (51577060， 51677068)。
52
路沿线会受到电磁干扰，从而会影响到铁路信号 通 信 等 [8]。 太 阳 风 暴 导 致 地 磁 扰 动 从 而 诱 发 地 磁 暴对特高压电网及地面人工系统也产生类似的影响[13]， 其影响是全球性的，而地面技术系统的高压直流 入地影响具有集中性，以及大地电性构造复杂及 差异化造成的不确定性，研究问题更加复杂。中 国能源发展不平衡，受端电网通常负荷密集，人 口密集且对电力系统运行安全稳定要求更高，对 接地极入地直流次生危害的预防及治理更应该重 视 [14-18]。 规 划 设 计 阶 段 需 要 提 前 进 行 地 表 电 位 的 分布计算，其结果准确与否直接影响到系统稳定 运行及次生灾害的防治评估。
直流输电工程距离长达几千公里，接地极大 地电位分布分析范围较广，直流入地电流可以视 为点电流源，包含点电流源的地下区域的场方程 是 泊 松 方 程 [4]， 不 包 含 点 电 流 源 的 区 域 为 拉 普 拉 斯 方 程 ， 以 上 满 足 区 域 场 关 系 方 程 式 （ 5） 。