一种深井接地极的最大运行时间估算方法与流程

本发明涉及接地技术领域，尤其涉及一种深井接地极的最大运行时间估算方法。

背景技术：

与常规的浅埋式水平接地极相比，深井接地极具有覆盖面积小、投资少等优点，而与水平接地极类似，温度上升是设计时需要考虑的关键因素之一。

当高压直流工作在单极模式时，系统电流在每侧接地极和大地间流通，当高压直流工作在双极模式时，接地电极也提供平衡电流的路径。这些组成部分，尤其是土壤，在电流流通过程中，其电阻率远大于焦炭和电极导体，所以自身会发热，特别是对于陆地接地极而言，由于大多数电极具有大的尺寸，达到稳定状态的时间非常长，而考虑到电极对环境和交流电网的影响，高压直流系统在单极模式下长时间运行几乎不可能，这就需要获取高压直流系统在单极模式下的最大运行时间，而最大运行时间由接地极的最大温升决定，通过设计公式对所述接地极的最大温升进行求解需要大量的人力、物力和财力，成本较高，不利于深井接地极的研究及应用。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于，提供一种深井接地极的最大运行时间估算方法，能够对深井接地极的最大运行时间进行估算，对深井接地极的研究具有指导意义。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明实施例提供一种深井接地极的最大运行时间估算方法，包括：

将深井接地极简化为无限长圆柱模型，并对所述无线长圆柱模型的温升进行划区域分析，获得所述深井接地极的最大温升发生区域；

将所述深井接地极的最大温升发生区域的温度对时间进行求导，并代入最大允许温升计算最大允许时间，从而实现对所述深井接地极的最大运行时间的估算。

可选的，将深井接地极简化为无限长圆柱模型；具体包括：

将所述深井接地极采用无限长圆柱进行代替，并将所述无限长圆柱的端部改为半球形。

可选的，对所述无线长圆柱模型的温升进行划区域分析，具体包括：

将无限长圆柱模型分为上部无限长圆柱和端部半球形，用端部半球形与上部无限长圆柱交界处的平面将散流和发热空间分为上下两部分，并将所述平面作为绝热面，按照无限长圆柱的散流和发热规律对上部分区域的散流和发热进行分析，按照半球形的散热和发热规律对下部分区域的散流和发热进行分析。

可选的，所述深井接地极的最大温升发生区域为所述平面以上的区域。

可选的，将所述深井接地极的最大温升发生区域的温度对时间进行求导，具体包括：

在圆柱坐标系下，建立所述上部无限长圆柱的导热微分方程。

可选的，

所述上部无限长圆柱的导热微分方程如下所示：

其中，c为热容率，λ为热导率，τ为时间，t为温度，r、z为柱坐标，qv为发热功率。

可选的，和均为零，将土壤看作各向同性介质，可得：

其中，j为土壤空间中任一点的电流密度，ρ为电阻率。

可选的，代入最大允许温升计算最大允许时间是在绝热条件下进行的，可得电极表面土壤温度方程：

其中，j0为电极表面的电流密度。

本发明实施例提供一种深井接地极的最大运行时间估算方法，通过将所述深井接地极简化为无限长圆柱模型，并对所述无限长圆柱模型的温升进行划区域分析，获得所述深井接地极的最大温升发生区域，再针对性地对所述深井接地极的最大温升发生区域的温度对时间进行求导，并代入最大允许温升就能够计算出最大允许时间，从而能够估算出所述深井接地极的最大运行时间，对所述深井接地极的研究与应用具有指导意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种深井接地极的最大运行时间估算方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种深井接地极的电流流散结构示意图；

图3为本发明实施例提供的基于图2的将深井接地极的端部改为半球形的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种深井接地极的电流场分布的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的基于图3的将平面d看作绝热面对实际模型的电流流散进行分析的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的基于图3的对实际模型的电流流散进行分析的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本发明实施例提供一种深井接地极的最大运行时间估算方法，参见图1，包括：

步骤1)将深井接地极简化为无限长圆柱模型，并对所述无线长圆柱模型的温升进行划区域分析，获得所述深井接地极的最大温升发生区域；

步骤2)将所述深井接地极的最大温升发生区域的温度对时间进行求导，并代入最大允许温升计算最大允许时间，从而实现对所述深井接地极的最大运行时间的估算。

本发明实施例提供一种深井接地极的最大运行时间估算方法，通过将所述深井接地极简化为无限长圆柱模型，并对所述无限长圆柱模型的温升进行划区域分析，获得所述深井接地极的最大温升发生区域，再针对性地对所述深井接地极的最大温升发生区域的温度对时间进行求导，并代入最大允许温升就能够计算出最大允许时间，从而能够估算出所述深井接地极的最大运行时间，对所述深井接地极的研究与应用具有指导意义。

本发明的一实施例中，参见图2与图3，将深井接地极简化为无限长圆柱模型；具体包括：

将所述深井接地极1采用无限长圆柱进行代替，并将所述无限长圆柱的端部2改为半球形。

在实际应用中，由于所述深井接地极1通常由馈电棒以及填充在所述馈电棒和土壤之间的填充材料组成，其中填充材料通常为焦炭，并且，由于馈电棒的电阻率远小于焦炭的电阻率，可以得知所述馈电棒的发热功率远小于焦炭的发热功率，同时，由于馈电棒的热容率略大于所述焦炭的热容率，因此，在所述馈电棒和所述焦炭的交界面上所述馈电棒的温升必然小于所述焦炭的温升，热量会从焦炭向所述馈电棒传递。采用同样的分析方法可以得知：在土壤和所述焦炭的交界面上，最大温升发生在与所述深井接地极1接触的交接面的土壤处，并且，相较于土壤而言，馈电棒和焦炭的体积很小，所以实际上馈电棒和焦炭吸收土壤传递过来的热量也很小，因此，可不计土壤向焦炭和馈电棒传递的热量，即视土壤和焦炭的交界面绝热，将所述馈电棒和所述焦炭作为一个绝热的整体，采用无限长圆柱进行代替，所得到的温升值比实际温升值偏高，结果偏保守。

而进一步地，参见图4，由于深井接地极1的入地电流向四周及深处流散，且接地极的端部电流容易流散，因此，在接地极表面，接地极的端部2电流密度最大，在一定范围之外，电流分布会接近半球形电极的电流密度分布规律，端部2是电流密度最大处，同时也是发热功率及温度最高处。因此，参见图2与图3所示，通过将所述接地极1的体积减小一点，即将整个电流场中一部分低电阻率的焦炭材料变为土壤，将所述接地极的端部2改为半球形，所得到的温升结果比实际的偏严格。

综上所述，通过将所述深井接地极1简化为无限长圆柱模型，对所述深井接地极的温升进行分析，所得到的温升结果比实际值偏严格，从而能够对所述深井接地极的最大温升的发生区域进行更准确地分析。

本发明的又一实施例中，参见图5，对所述无限长圆柱模型的温升进行划区域分析，具体包括：

将所述无限长圆柱模型分为上部无限长圆柱和端部半球形，用所述上部无限长圆柱与所述端部半球形交界处的平面(记为d)将散流和发热空间分为上下两部分区域(如图5所示将所述上部分区域记为ω1区域，将所述下部分区域记为ω2区域)，并将所述平面d作为绝热面，按照无限长圆柱的散流和发热规律对上部分区域的散流和发热进行分析，按照半球形的散热和发热规律对下部分区域的散流和发热进行分析。

对于实际模型而言，参见图6所示，电流不仅向水平方向流散，还会穿过平面d流入ω2区域，而将所述平面d作为绝热面进行分析时，如图5所示，电流仅在水平方向上流散，因此，可以得知：在电极表面最大电流密度相同的条件下，对于ω1区域，图5所示的电流的流散相对较难，发热及温升更严重，采用相同的分析方法，可以得知，在图4所示模型中还流散了部分ω1区域内穿过d平面的电流，而在图5所示模型中，ω2区域土壤仅流散半球形电极流出的电流，即对于ω2区域，图4的电流流散相对较难，发热和温升更严重。假设接地极表面各处的电流密度均相等，则由于图4所示的ω1区域的电流及热量均会穿过d平面流向ω2区域，因此，ω1区域的温升更严重。

基于此，可以得知在图5和图6所示的四个区域中，温升的严重程度从高到低依次为：图5所示的ω1区域、图6所示的ω1区域、图6所示的ω2区域和图5所示的ω2区域。因此，对于实际模型图6，其最大温升小于图5所述的ω1区域，而大于图5所示的ω2区域，也就是说，在最大电极表面电流密度的条件下，深井接地极的实际最大温升比按照图5所示的ω1区域模型计算所得到的结果低，比按照图5所示的ω2区域模型计算所得到的结果高。

因此，通过对所述无限长圆柱模型进行简化分析，能够确定所述深井接地极最大温升的发生区域，并且所确定的深井接地极最大温升的发生区域与实际模型中的最大温升的发生区域一致，且通过无限长圆柱模型计算所获得的最大温升高于实际模型，结果偏严格。即可以确定：所述深井接地极1的最大温升发生区域为所述平面d以上的区域，也就是图6所示的ω1区域。

本发明的一实施例中，将所述深井接地极的最大温升发生区域的温度对时间进行求导，具体包括：

在圆柱坐标系下，建立所述上部无限长圆柱的导热微分方程。

在本发明实施例中，通过建立所述上部无限长圆柱的导热微分方程，能够对所述深井接地极的最大温升发生区域的温度对时间的导数进行简化求导。

本发明的又一实施例中，所述上部无限长圆柱的导热微分方程如下所示：

其中，c为热容率，λ为热导率，ρ为电阻率，τ为时间，t为温度，r、z为柱坐标，qv为发热功率。

其中，对于无限长圆柱电极而言，温度场呈轴对称分布，因此，

优选的，和均为零，将土壤看作各向同性介质，可得：

其中，j为土壤空间中任一点的电流密度，ρ为电阻率。

根据上式就可以对土壤中的任意一点在任意时刻的温度进行求解，这里，随着深井接地极的不断运行，当所述深井接地极表面的温升达到最大允许温升时，所对应的时间即为最大允许时间。

优选的，代入最大允许温升计算最大允许时间是在绝热条件下进行的，可得电极表面土壤温度方程：

其中，j0为电极表面的电流密度。

即有：

其中，δτ为运行时间，δt为对应温升。δt取最大允许温升时，对应的δτ即为最大允许时间。

综上所述，本发明提供了一种深井接地极最大温升的估算方法，通过对所述深井接地极进行简化，并对简化后的模型的温升进行划区域分析，获得所述深井接地极的最大温升发生区域，通过针对性地对所述深井接地极的最大温升发生区域的温度采用传热微分方程进行求解，能够在绝热条件下通过最大允许温升计算出最大允许时间，从而能够对所述深井接地极的最大运行时间进行估算，对所述深井接地极的研究与应用具有指导意义。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。