高压直流输电系统接地极电流场和温度场的计算:作者:张哲任,徐政,徐韬
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工作在有源状态下。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和计算。另外在电流场的作用下,土壤的温度升高现象已成为一个不容忽视的问题。对于实际工程,出于安全性的考虑,要确保接地极附近最高温度不超过水的沸点,否则电极将会丧失运行功能。
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电阻率变化的限制。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.用于计算电流场的电阻网络法
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场。
4.用于计算温度场的有限体积法
电流场和温度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,也能形成与电阻网络结构相同的热阻网络。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场和温度场。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上的电流场结果。图5给出了3.5m深度处接地极附近的温度场。