本發(fā)明涉及桿塔接地極布極方式相關(guān)領(lǐng)域，特別涉及一種在考慮地形限制的前提下，提出一種最大化散流的螺旋形接地極，有效減少軸向布極長(zhǎng)度并最大化電流溢散效果。

背景技術(shù)：

電力系統(tǒng)中，接地極埋設(shè)于土壤中，用于入地電流的溢散，保障電力系統(tǒng)及設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

目前接地極的布極方式多為水平布極和垂直布極。這兩種布極方式雖然能夠達(dá)到較好的電流溢散效果，但是也存在一些對(duì)應(yīng)的問(wèn)題。水平接地極目前布極長(zhǎng)度多為15m左右，甚至更長(zhǎng)。但是隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，由于供需地的制約，并且走廊資源有限，在輸電線路周?chē)嬖谟蜌夤艿赖姆笤O(shè)、公路及地面建筑物等的影響下，使得接地極不能進(jìn)行長(zhǎng)距離敷設(shè)，減少了與土壤的接觸面積降低了電流溢散效果。水平接地極布極時(shí)，接地引線和水平接地極的連接點(diǎn)，許多施工單位沒(méi)有采用弧形連接方式，為了焊接方便大多采用垂直連接方式，這往往將出現(xiàn)端部效應(yīng)成為腐蝕斷裂的關(guān)鍵部位。垂直接地極隨著布極深度的增加增大了接地極敷設(shè)的工程量，給接地極的建設(shè)帶來(lái)極大不便。可見(jiàn)常規(guī)接地極受到地形很大程度限制，如果僅簡(jiǎn)單地縮短接地極敷設(shè)長(zhǎng)度，達(dá)不到電流溢散效果，造成散流不通暢，接地電阻增大，運(yùn)行中滿足不了熱穩(wěn)定性要求，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障或雷擊時(shí)，地電位升高，高壓竄入二次回路，往往造成事故擴(kuò)大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于此，為解決以上現(xiàn)有常規(guī)接地極的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種最大化散流的螺旋形接地極，以及基于該螺旋形接地極的電流溢散計(jì)算方法。在滿足現(xiàn)有接地極長(zhǎng)度的前提下，采用螺旋形接地極可以有效縮短布置的軸向長(zhǎng)度，可以在相同軸向長(zhǎng)度時(shí)擴(kuò)大接地極與土壤的接觸面積實(shí)現(xiàn)最大化電流溢散并在一定程度上減小地表電位和接地電阻。焊接地引線與螺旋接地極時(shí)，可以達(dá)到180度的連接方式，相對(duì)于弧形連接方式更有效，解決了腐蝕斷裂問(wèn)題。由此可見(jiàn)，螺旋形接地極具有良好的工程應(yīng)用前景、經(jīng)濟(jì)效益。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種最大化散流的螺旋形接地極，包括螺旋接地極和引下線，所述引下線與螺旋接地極一端連接，該連接處的連接點(diǎn)為引下線與螺旋接地極的切點(diǎn)。引下線與螺旋接地極的連接方式為焊接。地引線與所述引下線焊接，使引下線與地引線在同一直線上。

基于最大化散流的螺旋形接地極的電流溢散計(jì)算方法，包括以下步驟：

1)螺旋接地極的匝數(shù)為n_匝，等效長(zhǎng)度L_eq＝2πan_匝，根據(jù)圖8所示螺旋接地極模型建立螺旋空間參數(shù)方程

其中x、y、z為螺旋接地極上不同θ對(duì)應(yīng)某點(diǎn)的坐標(biāo),a為螺旋接地極半徑，b為從匝間距離推導(dǎo)出的系數(shù)。若匝間距相等，b＝匝間距/2π，θ表示參考點(diǎn)電流源到x軸的夾角。

對(duì)螺旋形弧長(zhǎng)s的積分微元如下

2)根據(jù)點(diǎn)匹配矩量法確定配點(diǎn)系數(shù)矩陣K；

3)得到螺旋接地極上各點(diǎn)溢散電流組成的溢散電流列向量I＝C·K^-1，其中C為n個(gè)常數(shù)項(xiàng)組成的一維列向量；σ為電導(dǎo)率，φ為螺旋接地極上的電位；

4)進(jìn)行歸一化處理，把溢散列電流向量中I的每一個(gè)元素即對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溢散電流值I_i除以溢散電流列向量的模|I|，得到任意一點(diǎn)溢散電流的比例為I_i/|I|。

現(xiàn)有技術(shù)中，水平接地極布極時(shí)，接地引線和水平接地極的連接點(diǎn)，許多施工單位沒(méi)有采用弧形連接方式，為了焊接方便大多采用垂直連接方式，這往往是腐蝕斷裂的關(guān)鍵部位。本發(fā)明在滿足現(xiàn)有接地極長(zhǎng)度的前提下，采用螺旋形接地極可以有效縮短布置的軸向長(zhǎng)度，可以在相同軸向長(zhǎng)度時(shí)擴(kuò)大接地極與土壤的接觸面積實(shí)現(xiàn)最大化電流溢散并在一定程度上減小地表電位和接地電阻。焊接地引線與螺旋接地極時(shí)，可以達(dá)到180度的連接方式，相對(duì)于弧形連接方式更有效，解決了腐蝕斷裂問(wèn)題。采用這種電流溢散算法可計(jì)算出螺旋接地極上任意一段的溢散電流數(shù)值并且在一定程度上提高了計(jì)算效率和計(jì)算精度。為深入研究螺旋接地極溢散電流分布規(guī)律打下了基礎(chǔ)。

附圖說(shuō)明

圖1螺旋接地極示意圖；

圖2沖擊模擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模型圖；

圖3螺旋接地極仿真模型圖；

圖4螺旋接地極的電流溢散效果圖；

圖5螺旋接地極的地表電位圖；

圖6水平接地極的電流溢散效果圖；圖中a表示水平接地極與引下線的交接部分溢散電流分布，b表示水平接地極中間部分溢散電流分布，c表示水平接地極與土壤的交接部分溢散電流分布；

圖7水平接地極的地表電位圖；

圖8螺旋接地極計(jì)算模型圖；

圖9 k_ji系數(shù)計(jì)算模型圖(i＝j(luò))。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明受?chē)?guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“接地極電流溢散和腐蝕沉積間雙向影響的(微觀)電磁機(jī)理研究”(基金號(hào)：51577017)資助。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

參見(jiàn)圖1，本發(fā)明的最大化散流的螺旋形接地極包括螺旋接地極和引下線，所述引下線與螺旋接地極一端連接，該連接處的連接點(diǎn)為引下線與螺旋接地極的切點(diǎn)。引下線與螺旋接地極的連接方式為焊接。引下線與螺旋接地極的焊接點(diǎn)應(yīng)選擇180°的連接方式(引下線與螺旋接地極相切)。這種連接方式能夠更好地實(shí)現(xiàn)入地電流的平滑過(guò)渡，解決了水平接地極因端部效應(yīng)引起的連接點(diǎn)腐蝕斷裂的問(wèn)題。本發(fā)明公開(kāi)的最大化散流的螺旋形接地極，通過(guò)螺旋形接地極擴(kuò)大接地極與土壤的接觸面積實(shí)現(xiàn)電流溢散最大化、減小地表電位、接地電阻、解決了腐蝕斷裂問(wèn)題。

本發(fā)明的電流溢散算法由以下分析得到：

螺旋接地極對(duì)螺旋接地極采用點(diǎn)電流源匹配方法進(jìn)行電流溢散分析，將螺旋接地極等效為螺旋建立如圖8所示的螺旋接地極計(jì)算模型，得到以下螺旋空間參數(shù)方程

其中x、y、z為螺旋接地極上不同θ對(duì)應(yīng)某點(diǎn)的坐標(biāo),a為螺旋接地極半徑，b為從匝間距離推導(dǎo)出的系數(shù)。若匝間距相等，b＝匝間距/2π，θ表示參考點(diǎn)電流源到x軸的夾角。

對(duì)螺旋形弧長(zhǎng)s的積分微元如下

用配點(diǎn)法分析，點(diǎn)電流源I′_n產(chǎn)生的電位φ′_n為

其中σ為電導(dǎo)率，為待求解某一點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離向量，為某一點(diǎn)電流源到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離向量。I′_n的求解方法在式(7)中討論。

螺旋接地極的匝數(shù)為n_匝，等效長(zhǎng)度L_eq＝2πan_匝，可得在整個(gè)螺旋接地極上的總電流I和總電位為

設(shè)單位匝數(shù)內(nèi)有m個(gè)點(diǎn)電流源，可得相鄰點(diǎn)電流源的圓心角差值在整個(gè)螺旋接地極上總點(diǎn)電流源有N＝n_匝m個(gè)，第i個(gè)點(diǎn)電流源對(duì)應(yīng)的圓心角

利用配點(diǎn)法分析將點(diǎn)電流離散化處理

I′_n≈A_iI_i i＝1,2,...,N (7)

其中A_i為關(guān)于θ_i的脈沖函數(shù)，I_i為螺旋接地極上第i點(diǎn)對(duì)應(yīng)的離散后溢散電流。最終求出離散化電流I_i后，可擬合得到螺旋接地極溢散電流的分布規(guī)律，將式(7)帶入式(5)可得總電位的表達(dá)式如下

將式(8)的常數(shù)項(xiàng)移項(xiàng)等式右邊，待求解項(xiàng)移項(xiàng)至等式左邊得如下

對(duì)上式選擇狄拉克函數(shù)δ作為加權(quán)余量法的權(quán)函數(shù)。因此，在式(9)等式兩邊同時(shí)乘以權(quán)函數(shù)——狄拉克函數(shù)δ，可得

其中j＝1,2,…,N,為對(duì)應(yīng)螺旋接地極上的第j段表面，對(duì)上式用矩陣表示得

K·I＝C (11)

上式中I為N×1的溢散電流向量，K為N×N配點(diǎn)系數(shù)矩陣，將整個(gè)接地極視為等電勢(shì)體，φ為常數(shù)項(xiàng)，C為n個(gè)常數(shù)項(xiàng)組成的一維列向量。求解空間任意一點(diǎn)的溢散電流只需求出對(duì)應(yīng)的配點(diǎn)系數(shù)矩陣K即可。

I＝C·K^-1 (12)

對(duì)溢散點(diǎn)電流進(jìn)行歸一化處理，把溢散電流向量中I的每一個(gè)元素I_i除以溢散電流向量的模|I|，得到任意一點(diǎn)溢散電流的比例I_p為：

配點(diǎn)系數(shù)矩陣K元素k_ji的求解方法對(duì)比式(10)、(11)可得出：

下面分i＝j(luò)和i≠j兩種情況進(jìn)行討論

1)i≠j

2)i＝j(luò)時(shí)

此時(shí)源點(diǎn)i與匹配段j在同一段內(nèi)，此時(shí)分析則需要用更小的坐標(biāo)系，提取出第i段，因每一匹配段足夠小可合理近似考慮為圓柱體。以第i段的源點(diǎn)I_i作為坐標(biāo)原點(diǎn)，匹配的段j選擇在圓柱體表面上，利用柱坐標(biāo)系建立如圖9計(jì)算模型。其中△L為源點(diǎn)i和匹配段j所在的同一分段的長(zhǎng)度微元，c為螺旋接地極截面半徑，求解表明的溢散電流需要先求解到圓柱表面的體電流密度J_s，圓柱表面的面積微元為：

△S＝2π·c·△L (17)

圓柱表面的體電流密度J_s為：

有上圖可知，在已知圓柱表面的體電流密度J_s時(shí)對(duì)整個(gè)表面積S積分可得表面電流在中心點(diǎn)I_i產(chǎn)生的電位φ_i如下：

整理上式得

對(duì)比式(10)、(11)、(20)可得

由已知得△L＝△θ*a*c,則:

入地電流分為穩(wěn)態(tài)電流與沖擊電流，需搭建沖擊電流發(fā)生源模擬仿真模型如圖2所示。通過(guò)沖擊電流發(fā)生源產(chǎn)生沖擊電流，通過(guò)引下線注入到接地極，溢散電流密度分布通過(guò)仿真分析，為沖擊真型實(shí)驗(yàn)奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，再通過(guò)高精度的電流傳感器進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)行對(duì)比分析。

實(shí)際工程中接地極的電流溢散效果往往受到土壤電阻率的影響。因此需要分析不同土壤電阻率下的螺旋接地極電流溢散情況。本發(fā)明將建立計(jì)算模型，將無(wú)限大土壤用半球形進(jìn)行近似，采用以上電流溢散計(jì)算方法，從理論分析上得出不同電阻率下螺旋接地極電流溢散的具體數(shù)值。通過(guò)Comsol Mutiphysics建立如圖3仿真模型，分析對(duì)同土壤電阻率下的螺旋接地極電流溢散情況，進(jìn)一步研究土壤電阻率對(duì)螺旋接地極電流溢散的影響。假定參數(shù)，螺旋形接地極有n＝20圈，軸向長(zhǎng)度為5m，埋深0.6m，螺旋接地極中徑(平均半徑)為R＝0.5m，截面半徑為r＝0.02m，注入直流電流i＝1A，引下線的長(zhǎng)度為h＝2.3m，均勻土壤半徑為R＝120m。得出螺旋接地極的電流溢散效果如圖4所示,地表電位如圖5所示。設(shè)置水平接地極等效軸向長(zhǎng)度L＝2πR＝62.8m，引下線長(zhǎng)度、土壤半徑、注入電流、截面半徑、埋深都與螺旋接地極保持一致。得出螺旋接地極的電流溢散效果如圖6所示,地表電位如圖7所示。對(duì)比分析圖4和圖6可得本發(fā)明采用螺旋形接地極可以有效縮短布置的長(zhǎng)度極大的節(jié)省了軸向距離的布極空間，弱化了接地極對(duì)地形空間的要求；擴(kuò)大接地極與土壤的接觸面積具有良好的散流效果。在引下線和接地極連接點(diǎn)處，可以明顯看出螺旋接地極實(shí)現(xiàn)了入地電流的平滑過(guò)渡解決了水平接地極的端部效應(yīng)問(wèn)題。對(duì)比圖5和圖7可知螺旋接地極能夠在一定程度上有效的減少跨步電壓和接地電阻。

根據(jù)理論分析和仿真分析的結(jié)果，總結(jié)出不同土壤電阻率下螺旋接地極具體的軸向長(zhǎng)度、匝數(shù)、截面半徑、螺旋半徑等等參數(shù)對(duì)其電流溢散效果的影響規(guī)律。實(shí)現(xiàn)在地形空間受到限制時(shí)，能夠確定出對(duì)應(yīng)參數(shù)的螺旋接地極實(shí)現(xiàn)電流溢散的最大化，從而盡可能的弱化接地極對(duì)布極空間的地形要求?？捎糜谠O(shè)計(jì)出適用于地形空間受到限制的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)最大化電流溢散的螺旋接地極以及具體施工規(guī)范。