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摘要：由于我国能源需求中心和能源资源中心呈逆向分布，故具有输送容量大、输送距离远等特点的高压直流输电技术飞速发展。其中直流接地极在直流系统中承担着单极运行时流通直流电流、双极运行时钳制中性点零电位的重要任务，故直流接地极接地性能的优劣至关重要。所以本文系统地对影响直流接地极性能的土壤参数（土壤电阻率、土壤热导率及比热容）进行分析。以期为直流接地极接地设计提供理论支撑。
关键词：直流接地极；直流输电；接地性能；土壤参数
0 引言
高压直流输电系统的接地装置是确保人身安全和电力系统安全稳定运行的重要基础设备[1-4]。输电电流经过接地装置向地中的流散过程是一个复杂的电热耦合过程，也是引起地电位升、接触电压、跨步电压、接地极土壤温升等一系列参数发生变化的根本原因[5-6]，是提高高压直流输电经济性稳定性的关键所在。
本文通过有限元分析方法对高压直流接地极进行了仿真和模拟。将土壤参数（土壤电阻率、土壤比热容、土壤热导率）随温度变化的特性考虑在内，利用电磁场仿真软件COMSOL建立了更加符合高压直流接地极工作物理过程的电热耦合有限元模型。并采用此模型分析了上述土壤参数对接地极温升过程的影响。本文研究结果对接地极极址的选择和设置具有一定的参考价值。
1 直流接地极有限元数学模型的建立
2 均匀土壤结构下金属管道防护距离分析
基于上述模型，建立单圆环接地极模型，其中圆环半径为500 m，接地极埋深为3.5 m，注入电流为4000 A。
2.1 土壤电阻率对接地极温升过程的影响分析
我国土质主要以黄土（土壤电阻率在100-300Ω•m间）和黏土（电阻率在10-100Ω•m间）居多，故本文着重分析了60Ω•m到260•m之间土壤电阻率对直流接地极温升过程的影响。
如图1所示，为不同土壤电阻率下接地极周围土壤温度随时间变化曲线。从图中可以看出：土壤电阻率越大，接地极土壤温升越高，例如当土壤电阻率为260Ω•m时，土壤温度在180天内高达347.66K（即74℃），严重影响了直流接地极的接地性能；土壤电阻率较低时，土壤温度变化比较平缓，而当土壤电阻率较大时，当系统运行到一定时间时，土壤温度开始急剧上升。这是因为根据焦耳定理可得：土壤电阻率越大，电流通过土壤产生的热量也就越多。较高的温度会使土壤中水分明显蒸发，导致土壤含水量急剧减小，当温度到达某一临界值时，随着含水量的急剧减小，土壤电阻率随温度呈线性增大，从而进一步加速土壤温度的升高。
图1 不同土壤电阻率下温度随时间变化曲线
由以上分析可知，土壤电阻率较大时，土壤温升过程明显。为了进一步分析土壤电阻率对接地极温升过程的影响程度，我们计算出直流接地极单极运行180天时不同电阻率下的土壤温升情况，如图2所示。由图2可以得出：随着土壤电阻率的增大，温度随土壤电阻率几乎呈现线性变化；且土壤电阻率越高，对土壤温升的影响程度更明显。
图2 第180天土壤温度随土壤电阻率变化曲线
2.2. 土壤比热容对接地极温升过程的影响
本文在土壤电阻率为66Ω•m，土壤热导率为1.437W/（m•℃）时，分析土壤比热容从200J/（kg•℃）变化到2400J/（kg•℃）过程中土壤温度的变化情况。具体变化如图3和图4所示。
由图3可以看出：当土壤比热容为200 J/（kg•℃）时土壤温度在180天内达到为305K（即32℃）；当土壤土壤比热容为2400 J/（kg•℃）时土壤温度在180天内达到为300K（即27℃）；不同比热容下土壤温度随运行时间变化趋势基本一致，即土壤温度随运行时间变化速率与比热容大小无较明显关系。
图3 不同土壤比热容下土壤温度随时间变化曲线
然后本文分析了不同土壤比热容下接地极运行第180天时土壤温升的情况，如图4所示。从图中数据曲线可得：土壤比热容和土壤温升成反比。因为土壤比热容是单位质量物体改变单位温度时吸收或放出的热量，当土壤比热容越大，接地极温度上升单位摄氏度时所吸收的热量越多。因此土壤比热容越小，土壤最高温升越大。所以从图4中可以看出：比热容较小时，对土壤温升的影响较明显；当土壤比热容大于800J/（kg•℃）时，对土壤温度的影响较变缓。
图4 土壤温度随土壤比热容变化曲线
2.3 土壤热导率对土壤温升过程的影响
本文分析了土壤热导率从0.137 W/（m• ℃）变化到2.737 W/（m• ℃）时土壤温升的变化情况和在第180天不同土壤热导率情况下的土壤温升情况。如图5和6所示。
图5 不同土壤热导率下土壤温度随时间的变化曲线
由图5可以看出当土壤热导率为0.137 W/（m• ℃）时土壤温度在180天内达到为320K（即47℃）；当土壤热导率为2.737 W/（m• ℃）时土壤温度在180天内为300K（即27℃）；土壤热导率表示了土壤具有将所吸收热量传导到邻近土层的性质，热导率越小，说明土壤将吸收热量传导到临近土壤的能力越小，进而导致局部热量过多温度升高也就越多。
然后本文分析了不同土壤热导率下接地极运行第180天时土壤温升的情况，如图6所示。由图可知随土壤热导率的升高，土壤温升减小；且与土壤比热容相同，二者在较小时，对土壤温升影响程度较大。
图6 温度随土壤热导率变化曲线
3 结论
本文基于有限元法建立直流接地极电热动态耦合有限元模型，分析了土壤参数（土壤电阻率、土壤比热容、土壤热导率）对直流接地极周围土壤温升过程的影响。并得出结论：土壤参数对直流接地极温升过程有较明显的影响；其中随土壤电阻率的增大，土壤温升过程更加明显，土壤温度明显升高；土壤热导率和比热容对土壤温升的影响，与土壤电阻率相比较则较不明显且随其升高土壤最高温升明显降低。在直流接地极设计过程中，我们应综合考虑土壤多个参数对接地性能的影响。
参考文献：
[1]梁旭明，张平，常勇．高压直流输电技术现状及发展前景[J]，电网技术，2012，36（04）：1-9．
[2]饶宏，李岩，等．4个直流输电工程共用1个接地极运行方式的研究[J]．高电压技术，2012，38（05）：1179-1185．
[3]林少伯，王华伟，王明新，等．直流系统共用的接地极检修运行分析[J]．电网技术，2015，39（12）：3346-3352．
[4]崔明德. ±800kV直流输电接地极设计及影响分析[D]北京，华北电力大学，2007.01
[5]司马文霞，骆玲，袁涛，杨庆，雷超平，姜赤龙. 土壤电阻率的温度特性及其对直流接地极发热的影响[J].高电压技术，2012，（05）：1192-1198.1
[6]陈水明；施广德；赵智大 圆环形直流输电接地极电流场分析[J] 高电压技术 1994（3）：6-12
论文作者:唐燕平,郭丽莹
论文发表刊物:《基层建设》2017年第33期
论文发表时间:2018/2/28
标签：土壤论文; 电阻率论文; 温度论文; 热容论文; 过程论文; 地极论文; 曲线论文; 《基层建设》2017年第33期论文;