水平分层土壤中腐蚀接地网接地参数计算方法研究

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国内接地网多采用碳钢材料,并长期处于层数多、电阻率随机的复杂水平分层土壤的电流场中。同时,在运的碳钢接地网通常已发生不同程度的腐蚀,腐蚀产物附着在接地网表面影响接地网的接地性能。接地网的接地参数(接地阻抗、泄漏电流、地表电位等)是评估接地网接地性能的关键指标,因此,准确计算水平分层土壤中不同腐蚀程度碳钢接地网的接地参数至关重要,可有效避免因地网腐蚀导致的电力事故。首先,接地网所处土壤环境多呈现出复杂的水平层状结构,并通常视为水平分层的电流场场域,场域格林函数是表征场域基本性质的函数。因此,求解水平分层土壤电流场的格林函数是进行接地参数计算的基础。然而,复杂水平分层土壤电流场格林函数中积分核函数通常有较为严重的震荡特性,现有格林函数计算方法通常采用全局采样的数值计算方式,难以准确计算复杂水平分层土壤电流场的格林函数。其次,水平分层土壤是接地网所处介质空间,获取水平分层土壤参数是进行接地参数计算的前提。水平分层土壤参数通常需要基于不同布极距离下视在电阻率的测量值进行反演计算。现有土壤参数反演计算方法主要包括非启发式优化算法和启发式优化算法,缺乏对水平分层土壤数学模型进行深入研究,难以确定合理的迭代初值范围,存在容易陷入局部最优等问题。再次,腐蚀接地网接地参数的计算过程中需要建立符合工程实际的腐蚀接地网精细化计算模型。现有计算方法通常不同程度地忽略腐蚀产物的影响,缺乏考虑接地网腐蚀产物具有膨胀特性等特点,难以实现不同腐蚀程度接地网接地参数的准确计算。为解决上述问题,本论文研究了水平分层土壤电流场格林函数的分段采样计算方法,实现了复杂水平分层土壤电流场格林函数的准确计算。研究了水平分层土壤参数反演的PSO-DE(粒子群-差分进化)优化算法,实现了水平分层土壤参数的准确反演。研究了水平分层土壤中腐蚀接地网接地参数的频域响应计算方法,实现了水平分层土壤中不同腐蚀程度接地网接地参数频域响应的准确计算。研究成果为准确评估不同腐蚀程度接地网的接地性能奠定理论基础,具有重要理论意义和显著工程价值。其中论文的主要研究工作如下:(1)研究了水平分层土壤电流场格林函数计算基础,分析了水平分层土壤电流场格林函数的解析计算方法和数值计算方法。研究了全局采样复镜像法在计算水平分层土壤电流场格林函数中存在的问题。最终,创新地提出了水平分层土壤电流场格林函数的分段采样计算方法。通过算例分析验证了该算法的优越性。(2)研究了水平分层土壤参数反演的计算方法。分析了基于Wenner等间距四极法的水平分层土壤视在电阻率测量的理论基础,研究了水平分层土壤参数对视在电阻率的影响,创新地提出了水平分层土壤参数反演的PSO-DE优化算法。结果表明,PSO-DE优化算法能够准确计算出水平分层土壤参数,解决了现有优化算法存在容易陷入局部最优等问题。(3)研究了水平分层土壤中腐蚀接地网接地参数的频域响应计算方法。分析了接地网腐蚀行为对接地参数的影响,搭建了考虑腐蚀产物膨胀特性的腐蚀接地网精细化计算模型。分析了不含腐蚀产物接地网接地参数频域响应的电位矩阵,采用边界元法分析了腐蚀产物边界积累电荷对接地网接地参数的影响。最终,创新地提出了腐蚀接地网接地参数的频域响应计算方法。算例分析表明,该方法能够准确计算不同腐蚀程度接地网的接地参数。(4)对论文研究内容进行试验验证,选取8基杆塔的腐蚀接地网和2座变电站的腐蚀接地网为研究对象。首先,测量研究对象周围土壤的视在电阻率,并采用PSO-DE优化算法计算出对应水平分层土壤参数。采集研究对象表面不同位置处的腐蚀产物并进行XRD试验,搭建腐蚀接地网精细化计算模型。然后,采用三极法获取研究对象接地阻抗频域响应的测量值,采用论文提出的方法得到研究对象接地阻抗频域响应的理论计算值。最终,通过对比研究对象接地阻抗的测量值和计算值,验证了本论文提出的水平分层土壤中腐蚀接地网接地参数频域响应计算方法的正确性。
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