一種復(fù)雜地質(zhì)條件下直流電流的有限元計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種復(fù)雜地質(zhì)條件下直流電流的有限元計(jì)算方法，該方法根據(jù)真實(shí)地質(zhì)環(huán)境在ANSYS中建立模型進(jìn)行計(jì)算，該方法包括下列步驟：建立原始模型，對原始模型進(jìn)行直流電流的有限元計(jì)算；加入一種地質(zhì)模型，進(jìn)行直流電流的有限元計(jì)算，并將計(jì)算得到的結(jié)果與原始模型中得到的結(jié)果進(jìn)行比較；改變加入地質(zhì)模型的參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算，并將得出的結(jié)果與未改變參數(shù)的結(jié)果進(jìn)行比較；加入兩種或兩種以上的地質(zhì)模型，進(jìn)行計(jì)算，將得到的結(jié)果與之前的結(jié)果進(jìn)行比較；總結(jié)比較結(jié)果，得出不同地質(zhì)條件對直流電流的有限元計(jì)算的影響規(guī)律；根據(jù)規(guī)律與當(dāng)前地質(zhì)條件進(jìn)行直流電流的有限元計(jì)算。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有實(shí)用性高以及計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
-種復(fù)雜地質(zhì)條件下直流電流的有限元計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及高壓直流輸電單極大地方式運(yùn)行引起的直流偏磁的計(jì)算與治理，尤其 是設(shè)及一種復(fù)雜地質(zhì)條件下直流電流的有限元計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國電力系統(tǒng)不斷發(fā)展，超特高壓直流輸電線路逐漸成為跨地區(qū)電力輸送的 重要走廊。直流輸電工程通常采用雙極系統(tǒng)接線方式，正常運(yùn)行時(shí)，直流電流不流經(jīng)大地 (或海水）。但在系統(tǒng)調(diào)試、檢修或故障時(shí)，轉(zhuǎn)為單極大地回線運(yùn)行方式，大地(或海水)相當(dāng) 于直流輸電線路的一根導(dǎo)線，其電流場會(huì)使地電位發(fā)生變化。對中屯、點(diǎn)接地的交流系統(tǒng)而 言，處于不同直流電位的變電站經(jīng)輸電線路、變壓器繞組構(gòu)成直流回路，使變壓器產(chǎn)生直流 偏磁現(xiàn)象，嚴(yán)重影響供電質(zhì)量和供電安全。
[0003] 直流偏磁的計(jì)算和治理建立在對接地極散流特性準(zhǔn)確把握的基礎(chǔ)之上，而接地極 的散流特性受其附近地質(zhì)條件的影響很大，需要考慮±壤的水平分層W及遠(yuǎn)離接地極時(shí)± 壤電阻率的變化情況。在綜合考慮±壤的水平分層和垂直分層時(shí)，接地電流場是一個(gè)復(fù)雜 的物理系統(tǒng)，某一區(qū)域地質(zhì)條件的變化會(huì)引起整體的電流場發(fā)生顯著改變，進(jìn)而對直流偏 磁的預(yù)測結(jié)果產(chǎn)生影響。而目前對接地極散流特性的研究主要集中在計(jì)算方法和水平分層 的影響方面，對地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地質(zhì)條件的影響規(guī)律研究還比較缺乏。因而提出利用基于矩量 法的有限元計(jì)算對接地極的散流特性進(jìn)行仿真研究，進(jìn)而通過加入和改變不同的地質(zhì)條件 來系統(tǒng)地分析總結(jié)山體、盆地、河流、湖泊等對散流特性的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對上述問題提供一種復(fù)雜地質(zhì)條件下直流電流的有限元計(jì)算 方法。
[0005] 本發(fā)明的目的可W通過W下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0006] 1.-種復(fù)雜地質(zhì)條件下直流電流的有限元計(jì)算方法，該方法根據(jù)真實(shí)地質(zhì)環(huán)境在 ANSYS中建立模型進(jìn)行計(jì)算，其特征在于，該方法包括下列步驟：
[0007] 1)建立原始模型，對原始模型進(jìn)行直流電流的有限元計(jì)算；
[000引2)對步驟1)中得到的原始模型加入一種地質(zhì)模型，進(jìn)行直流電流的有限元計(jì)算， 并將計(jì)算得到的結(jié)果與步驟1)中得到的結(jié)果進(jìn)行比較；
[0009] 3)改變步驟2)中加入地質(zhì)模型的參數(shù)，進(jìn)行直流電流的有限元計(jì)算，并將得出的 結(jié)果與步驟2)中得到的結(jié)果進(jìn)行比較；
[0010] 4)對步驟1)得到的原始模型加入兩種或兩種W上的地質(zhì)模型，進(jìn)行直流電流的有 限元計(jì)算，并將得到的結(jié)果與步驟1)和步驟2)中得到的結(jié)果進(jìn)行比較；
[0011] 5)總結(jié)步驟2)、3)與步驟4)中的比較結(jié)果，得出不同地質(zhì)條件對直流電流的有限 元計(jì)算的影響規(guī)律；
[0012] 6)根據(jù)步驟5)中得出的規(guī)律與當(dāng)前地質(zhì)條件，對當(dāng)前地質(zhì)條件進(jìn)行直流電流的有 限元計(jì)算。
[0013] 所述直流電流的有限元計(jì)算包括下列步驟：
[0014] 11)根據(jù)建立的模型選取模型單元，添加單元材料屬性；
[0015] 12)根據(jù)步驟11)中選取的模型單元，對建立的模型進(jìn)行剖分；
[0016] 13)對步驟12)中進(jìn)行過剖分的模型施加電流載荷W及邊界條件；
[0017] 14)選取求解算法對步驟13)中施加過電流載荷W及邊界條件的模型進(jìn)行求解，得 出整個(gè)模型的電位分布W及電流密度分布。
[0018] 所述模型單元為十節(jié)點(diǎn)四面體S0LID232。
[0019] 所述單元材料屬性為電阻率屬性。
[0020] 所述求解算法為JCG算法。
[0021] 所述原始模型包括±壤、海洋、表層基巖W及底層基巖。
[0022] 所述地質(zhì)模型包括山體模型、河流模型、湖泊模型W及盆地模型。
[0023] 所述地質(zhì)模型的參數(shù)包括大小、電阻率W及方向。
[0024] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過加入和改變不同的地質(zhì)條件來系統(tǒng)的分析總結(jié)山 體、盆地、河流和湖泊等對散流特性的影響，全面的考慮了不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地質(zhì)條件，使 得對于直流偏磁的計(jì)算更加準(zhǔn)確，同時(shí)也具有較高的實(shí)用價(jià)值；同時(shí)總結(jié)了地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地 質(zhì)條件對于直流偏磁計(jì)算的影響規(guī)律，便于在遇到相似或有規(guī)律的地質(zhì)情況時(shí)避免重復(fù)計(jì) 算，節(jié)省了計(jì)算時(shí)間與計(jì)算量，節(jié)省了成本。
【附圖說明】
[0025] 圖1為原始模型俯視圖；
[0026] 圖2為原始模型側(cè)視圖；
[0027] 圖3為山體模型圖；
[002引圖4為湖泊與盆地模型圖；
[0029] 圖5為河流模型圖；
[0030] 圖6為加入山體模型后的電位等位線圖；
[0031 ]圖7為加入湖泊模型后的電位等位線圖；
[0032] 圖8為加入河流模型后的電位等位線圖；
[0033] 圖9為加入盆地模型后的電位等位線圖；
[0034] 圖10為復(fù)雜地質(zhì)條件下直流電流的有限元計(jì)算方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)施例W本發(fā)明技術(shù)方案 為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于 下述的實(shí)施例。
[0036] 如圖10所示為復(fù)雜地質(zhì)條件下直流電流的有限元計(jì)算方法流程圖，該方法根據(jù)真 實(shí)地質(zhì)環(huán)境在ANSYS中建立模型進(jìn)行計(jì)算，該方法包括下列步驟：
[0037] (1)建立原始模型，對原始模型進(jìn)行直流電流的有限元計(jì)算；
[0038] (2)對(1)中得到的原始模型加入一種地質(zhì)模型，對新模型進(jìn)行直流電流的有限元 計(jì)算，并將計(jì)算得到的結(jié)果與（I)中得到的結(jié)果進(jìn)行比較；
[0039] (3)改變(2)中加入地質(zhì)模型的參數(shù)，對新模型進(jìn)行直流電流的有限元計(jì)算，并將 得出的結(jié)果與(2)中得到的結(jié)果進(jìn)行比較；
[0040] (4)對（1)得到的原始模型加入兩種或兩種W上的地質(zhì)模型，將得到的結(jié)果與（1) 和(2)中得到的結(jié)果進(jìn)行比較；
[0041] (5)總結(jié)(2)、（3)與(4)中的比較結(jié)果，得出規(guī)律；
[0042] (6)根據(jù)(5)中得出的規(guī)律與當(dāng)前地質(zhì)條件，對當(dāng)前地質(zhì)條件進(jìn)行直流電流的有限 元計(jì)算。
[0043] 在上述步驟中，設(shè)及到的具體技術(shù)方案如下：
[0044] (a)建立模型
[0045] 根據(jù)真實(shí)環(huán)境建立一個(gè)模型，如圖1及圖2所示，此模型中包括了±壤、海洋、表層 基巖及底層基巖。
[0046] 在此模型基礎(chǔ)上，可添加山體、河流、湖泊W及盆地模型等，W接近實(shí)際的地理環(huán) 境。山體模型如圖3所示，山體底部連接著底層基巖，頂部突處于±壤;湖泊與盆地模型如圖 4所示，為鑲嵌在±壤中的圓柱形，盆地的模型與湖泊類似，盆地中的介質(zhì)為空氣;河流模型 如圖5所示，河流也是鑲嵌在±壤中。運(yùn)些模型可W單獨(dú)添加，也可W-起添加在上面的模 型中。
[0047] (b)選取單元類型并添加材料屬性
[004引為了控制運(yùn)算量，減少自由度，選取十節(jié)點(diǎn)四面體S0LID232作為模型單元。ANSYS 中穩(wěn)態(tài)電流場分析只需要添加電阻率屬性，因此添加單元材料屬性如表1所示。
[0049] 表1單元材料屬性
[(K)加 ]
[0051] (C)模型分析
[0052] 為了得到平滑的電流分布曲線，需對模型進(jìn)行較為細(xì)密的剖分。綜合考慮計(jì)算結(jié) 果精度和硬件配置，將模型剖分成百萬數(shù)量級進(jìn)行計(jì)算。Solid 232是四面體型單元，因此 網(wǎng)格劃分只能采用自由剖分。在ANSYS中打開智能網(wǎng)格劃分選項(xiàng)，利用Iesize命令設(shè)定各邊 剖分精度，使單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)能保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0053] (d)施加載荷及邊界條件
[0054] 給模型施加電流載荷，電流大小為3000A，模型四周施加電壓為0的邊界條件。
[0化5] (e)模型求解
[0056] 由于模型自由度達(dá)到百萬級，而計(jì)算平臺的內(nèi)存和磁盤大小有一定限制，因此有 必要分析各種算法對硬件的要求，W便選擇合適的算法。ANSYS提供的求解算法主要分為3 類:一是內(nèi)存占用大，磁盤占用小;二是內(nèi)存占用小，磁盤占用大;二是內(nèi)存和磁盤占用較為 均衡。由于本模型計(jì)算問題為電流場單場領(lǐng)域，計(jì)算平臺內(nèi)存120G，磁盤空間200G，綜合所 有因素，選擇JCG算法進(jìn)行計(jì)算。
[0057] (f)計(jì)算結(jié)果
[0058] 通過W上的建模計(jì)算，得出整個(gè)模型的電位分布與電流密度分布，通過比較得出 各種地質(zhì)條件對散流的影響。電位等位線圖如圖6~圖9所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種復(fù)雜地質(zhì)條件下直流電流的有限元計(jì)算方法，該方法根據(jù)真實(shí)地質(zhì)環(huán)境在 ANSYS中建立模型進(jìn)行計(jì)算，其特征在于，該方法包括下列步驟： 1) 建立原始模型，對原始模型進(jìn)行直流電流的有限元計(jì)算； 2) 對步驟1)中得到的原始模型加入一種地質(zhì)模型，進(jìn)行直流電流的有限元計(jì)算，并將 計(jì)算得到的結(jié)果與步驟1)中得到的結(jié)果進(jìn)行比較； 3) 改變步驟2)中加入地質(zhì)模型的參數(shù)，進(jìn)行直流電流的有限元計(jì)算，并將得出的結(jié)果 與步驟2)中得到的結(jié)果進(jìn)行比較； 4) 對步驟1)得到的原始模型加入兩種或兩種以上的地質(zhì)模型，進(jìn)行直流電流的有限元 計(jì)算，并將得到的結(jié)果與步驟1)和步驟2)中得到的結(jié)果進(jìn)行比較； 5) 總結(jié)步驟2)、3)與步驟4)中的比較結(jié)果，得出不同地質(zhì)條件對直流電流的有限元計(jì) 算的影響規(guī)律； 6) 根據(jù)步驟5)中得出的規(guī)律與當(dāng)前地質(zhì)條件，對當(dāng)前地質(zhì)條件進(jìn)行直流電流的有限元 計(jì)算。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)雜地質(zhì)條件下直流電流的有限元計(jì)算方法，其特征在于，所 述直流電流的有限元計(jì)算包括下列步驟： 11) 根據(jù)建立的模型選取模型單元，添加單元材料屬性； 12) 根據(jù)步驟11)中選取的模型單元，對建立的模型進(jìn)行剖分； 13) 對步驟12)中進(jìn)行過剖分的模型施加電流載荷以及邊界條件； 14) 選取求解算法對步驟13)中施加過電流載荷以及邊界條件的模型進(jìn)行求解，得出整 個(gè)模型的電位分布以及電流密度分布。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)雜地質(zhì)條件下直流電流的有限元計(jì)算方法，其特征在于，所 述模型單元為十節(jié)點(diǎn)四面體S0LID232。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)雜地質(zhì)條件下直流電流的有限元計(jì)算方法，其特征在于，所 述單元材料屬性為電阻率屬性。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的復(fù)雜地質(zhì)條件下直流電流的有限元計(jì)算方法，其特征在于，所 述求解算法為JCG算法。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)雜地質(zhì)條件下直流電流的有限元計(jì)算方法，其特征在于，所 述原始模型包括土壤、海洋、表層基巖以及底層基巖。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)雜地質(zhì)條件下直流電流的有限元計(jì)算方法，其特征在于，所 述地質(zhì)模型包括山體模型、河流模型、湖泊模型以及盆地模型。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)雜地質(zhì)條件下直流電流的有限元計(jì)算方法，其特征在于，所 述地質(zhì)模型的參數(shù)包括大小、電阻率以及方向。
【文檔編號】G06F17/50GK106021651SQ201610301433
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月9日
【發(fā)明人】蘇磊, 趙丹丹, 傅晨釗, 司文榮, 汲勝昌
【申請人】國網(wǎng)上海市電力公司, 華東電力試驗(yàn)研究院有限公司, 西安交通大學(xué)