[发明专利]直流接地极及杆塔接地网附近电磁场的有限元分析方法

权利要求书

1.直流接地极及杆塔接地网附近电磁场的有限元分析方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、建立模型，设置相关参数；

步骤2、添加材料属性；

步骤3、添加边界条件；

步骤4、网格化分；

步骤5、电磁场分布计算；

其中

所述步骤1具体为：

针对直流接地极：建立直流接地极模型，设接地极环内环的半径为R₁，接地极环外环的半径为R₂，单个接地极环的截面直径D₁，接地极环埋深为h，接地极环周围覆盖一层碳层，外环碳层尺寸为m₁*m₁，内环碳层尺寸为m₂*m₂；

设土壤模型为四层土壤模型，层深分别为H₁＝0-0.03km，H₂＝0.03-10km，H₃＝10-50km，H₄＝50-∞km，土壤横向半径R₃＝50km；

针对杆塔接地网，建立杆塔接地网模型：设杆塔根开L，矩形边长a，杆塔接地网射线的长度b，杆塔接地网埋深为h₂，采用的材料横截面直径为D₂，设杆塔接地网附近的土壤模型为边长a＝150m的正方体；

所述步骤2具体为：

针对直流接地极：接地极环采用低碳钢棒Q235，设接地极环的电阻率为ρ₁，相对磁导率为μ₁，相对介电常数为ε₁，碳层的材料为焦炭，设碳层电阻率为ρ₂，相对磁导率为μ₂，相对介电常数为ε₂，四层土壤模型中各层土壤的电阻率分别为ρ₃₁，ρ₃₂，ρ₃₃，ρ₃₄，相对磁导率分别为μ₃₁，μ₃₂，μ₃₃，μ₃₄，相对介电常数分别为ε₃₁，ε₃₂，ε₃₃，ε₃₄；

针对杆塔接地网：杆塔接地网的材料为D12的圆钢，设电阻率为ρ₄，相对磁导率为μ₄，相对介电常数为ε₄，土壤的电阻率为ρ₅，相对磁导率为μ₅，相对介电常数为ε₅；

所述步骤3具体为：

针对直流接地极：向接地极环注入当直流输电系统处于单极大地回路运行方式时流入接地极的电流I₁，此时，直流输电工程处于单极大地回线运行方式时，设定无穷远处的电压为0V；

针对杆塔接地网：向杆塔接地网注入的泄漏电流为I₂，将所建立的杆塔接地网附近土壤模型的下边界设置为接地；

所述步骤4具体为：

针对直流接地极：网格划分采用自由剖分三角形网格划分，网格中单元的尺寸需设置如下参数：最大单元尺寸n₁，最小单元尺寸n₂，最大单元增长率λ，曲率因子η，狭窄区域的分辨率δ；

针对杆塔接地网：网格划分采用自由剖分四面体网格划分，网格中单元的尺寸需设置如下参数：最大单元尺寸n₁，最小单元尺寸n₂，最大单元增长率λ，曲率因子η，狭窄区域的分辨率δ；

步骤5具体为：

利用如下公式将关于直流接地极电磁场计算相关参数代入，

其中，V为接地极附近空间某点的电位，ρ为土壤的电阻率，I₁为当直流输电系统处于单极大地回路运行方式时流入接地极的电流，K(δ)是以δ为变量的第一类椭圆积分，R₁为接地极环内环的半径，R₂为接地极环外环的半径，h为接地极环的埋深，r为接地极地表沿径向距离，α为空间某点与接地极环径向的夹角，

计算直流接地极附近电磁场有如下结论：

针对直流接地极：设置计算接地极地表电位分布情况，以及接地极地表沿径向距离电位分布，得出结论：两个接地极环上的电位最高，内环电压略高于外环，以接地极圆环的圆心为起点沿径向电位逐渐降低，内环土壤的电位较外环土壤的电位高；

利用如下公式将关于杆塔接地网电磁场计算相关参数代入，

因为b＞＞D，所以

其中，J为泄漏电流密度，I₂为注入杆塔接地网的泄漏电流，V为杆塔接地网附近空间某点的电位，b为杆塔接地网射线的长度，ρ为土壤的电阻率，l为沿杆塔接地网射线方向的距离，D为杆塔接地网所用材料的横截面直径，h₂为杆塔接地网的埋深；

计算杆塔接地网附近电磁场有如下结论：

针对杆塔接地网：设置计算杆塔接地网周围电位分布：三维分布和横切图，以及杆塔接地网沿射线方向的泄漏电流密度分布，得出结论：杆塔接地网本体上的电位最高，越靠近杆塔接地网电位越高，杆塔接地网内部土壤的电位比外部土壤的电位高，因为杆塔接地网有对称性，所以它附近的电位也呈现出对称性，接地网的射线末端泄漏电流密度最大，射线首段的泄漏电流密度最小，接地网矩形和射线的连接处泄漏电流密度有突变，所以杆塔接地网射线末端腐蚀最严重，矩形与射线的连接处的腐蚀情况次之。