极寒地区直流接地极入地电流散流特性及监测装置研究

摘要

在直流输电系统建设初期或故障状态下采用单极模式运行时，较大的电流将直接从接地极流入大地，若接地极散流特性不好将会造成接地极附近电力设备产生直流偏磁，大电流流入大地也会造成接地极附近埋设在大地中的输油输气管道产生腐蚀爆炸。而且在新疆、甘肃、内蒙等地存在着较大面积的季节性冻土，土壤形成冻土后电阻率会有明显提升，严重影响入地电流的散流，而且冻土及其形成和融化的过程都会严重影响接地极散流特性。目前难以在不同冻土时期对接地极入地电流散流效果进行监测，因此，深入研究接地极在季节性冻土条件下的散流特性及研制接地极入地电流的监测装置具有重要意义。本文研究了常见形状的接地极的散流特性，并以环形接地极为例研究了季节性动态冻土对接地极散流效果的影响。研制了直流接地极监测装置可以对接地极入地电流及环境参数实时监测并开展了现场测试试验。本文的主要工作如下：　　①建立了接地极电流场计算模型，对比分析了常见直线形、星形接地极的散流效果，发现直线形接地极散流性能最差，直线形和星形接地极的端部和交叉点存在溢流密度集中的问题，环形接地极散流效果最为均匀；对不同环数的环形接地极的散流效果进行了分析，发现内外环比为0.725的双环接地极具有最好的散流效果。　　②针对季节冻土对接地极散流效果影响的问题，建立了季节性动态冻土模型，重点分析了冻土在形成及融冻过程中对接地极散流效果的影响规律，发现完全冻土环境下接地极地表电位和跨步电压有了显著提升，地表电流密度大幅度变小，完全冻土时接地极散流效果最差，而冻土融冻状态下接地极的散流效果最好；文中以扎鲁特换流站接地极为例分析了冻土对其散流效果的影响。对接地极进行建设时应尽量增加接地极埋设深度使接地极深于最大冻土深度，接地极单极运行或检修维护时最好选择在冻土融冻期进行。　　③研制了接地极入地电流监测装置，装置可以对接地极入地电流进行实时监测，同时入地电流的测量结果结合接地极电流场计算模型可以计算得到当前状态下接地极地表电位、跨步电压、地表电流分布特性等接地极实时散流状态，可以用来评估接地极对周围人和环境的影响程度，能够有效降低故障所带来的间接经济损失。并在锡盟换流站接地极进行了现场试验与验证。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 冻土及其电阻率对接地极影响研究现状

1.2.2 接地极电流场研究现状

1.2.3 直流输电接地极状态监测研究现状

1.3 主要创新性工作

2 接地极电流场计算模型

2.1 直流接地极电流场

2.2 无限大媒质中电位计算方法

2.3 半无限大媒质中的电位分布

2.4 小结

3 形状及季节性冻土对接地极散流影响规律

3.1.1 直线形接地极

3.1.2 星形接地极

3.1.3 单环形接地极

3.1.4 常见形状对接地极散流效果影响对比

3.1.5 环数对环形接地极散流效果影响规律

3.2.1 季节性冻土冻融规律

3.2.2 季节性动态冻土模型

3.2.3 接地极埋设在冻土层中散流规律

3.2.4 接地极埋设在冻土层下散流规律

3.3.1 敖干朝鲁接地极概况

3.3.2 接地极附近冻土土壤特性

3.3.3 冻土对敖干朝鲁接地极冻土散流影响

3.4 极寒地区接地极散流特性评估

3.5 小结

4 直流接地极入地电流监测装置

4.1 接地极入地电流监测装置总体框架

4.2 监测传感器

4.2.1 磁平衡式霍尔电流传感器

4.2.2 环境温湿度传感器

4.3.1 电压变换电路

4.3.2 滤波电路

4.3.3 A/D转换电路

4.3.4 中央控制电路及外围电路

4.3.5 SD卡存储系统设计

4.3.6 串口通信模块

4.3.7 触摸屏显示模块

4.4 小结

5 锡盟换流站接地极现场试验与验证

5.1 锡盟换流站接地极现场试验

5.2 锡盟换流站接地极散流特性

5.3 小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间科研成果

B. 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

C. 学位论文数据集

致谢