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【摘 要】 本文通过有限元分析软件ANSYS对几种不同形状电极和分层土壤的情况进行了计算。通过计算机的分析，可以观察到不同电极、土壤分层的情况。
【关键词】 接地电极;电位分布
【Abstract】 This paper through the finite element analysis software ANSYS on several different shape electrode and the layered soil conditions are calculated. Through computer analysis， can be observed in different soil layers， the electrode.
【Key Words】 Ground installation Telluric electricity field
引言：
针对接地结构的特点，本文首先采用了一些简化的措施。通常的变电站、发电厂占地面积很大，这就决定了接地网的面积也必须很大才能保证它能覆盖住整个厂区（有时候还需要比厂区还大的多）。而接地电极又不可能埋得很深，因此先忽略埋深得影响，将接地电极和周围大地当作一个二维平面来处理。此外，由于接地网范围内点与点之间的电位差实际上是很小的，所以本文先将接地电极范围内也视作等电位，来进行计算和分析。
1、接地电极电位分布仿真分析
1.1矩形电极
发电厂、变电站的接地网一般为网格式地网，其形状为矩形电极。在此，选用面积为200m×100m的矩形电极来进行ANSYS仿真分析。这种电极虽然在接地网面积相同的情况下比圆盘型电极所用钢材要多些，但其均压特性、冲击特性都优于长孔地网。同时，矩形地极也更有利于地面设备的接地。其电压分布情况如图1和图2所示。
图1 大地电位分布图 图2 电位分布曲线图
通过大地电位分布图，我们可以看到在靠近地网的大地还是有较大的电位值，而在电极外电位是随着与地网距离的增大而减小的，距离越远，地中的电位越小。同时，距离越远，相同距离两点间的电压也随之减少。大地中的电场分布向量图如图3所示。电场在矩形电极的短边侧数值较大，长边侧数值较小，此大地模型中的电场和电位分布呈规律状，即与电极距离越远，数值越小。
图3 地中电场分布
1.2圆盘型电极
由于矩形电极不同边的电场分布还是存在一些差距，因此选用圆盘形电极这种均匀电极能够使得电极周围的电场分布变得更加均匀。本文选用半径为100m的圆盘形电极来进行ANSYS分析，经过运算后，其电位分布如图4和5所示。可见，其电压分布显得更加均匀，其电压梯度也是十分对称。并且其电压的下降离电极越远，其下降的趋势更加接近线性。
图4 大地电位分布图 图5 电位分布曲线图
大地中的电场分布向量图如图6所示。图中显示了电场的大小和方向。综合上述情况，圆盘型电极的电位比矩形电极的电位分布更加均匀。
图6 大地电场分布
1.3圆环型电极
比较了圆盘型电极和矩形方孔电极的电位分布情况，可以看出圆盘型电极的电位分布比矩形方孔电极的要均匀的多。但是，缺点也很明显，其耗材量和成本也比矩形方孔电极要高很多。因此这里引入了圆环型电极。我们假设一个内半径为80m，外径为100m的圆环。其电位分布如图7所示。可以看出其电位分布与圆盘型电极相仿。如图8所示，其电位分布曲线图开始处为一接近水平的曲线，这是由于其在圆环上的电位可以看作是均匀的。
图7 大地电位分布图 图8 电位分布曲线图
如图9所示，圆环型电极的最大优点是电流在电极上的分布均匀，不会出现局部跨步电压过高，同时具有用料较省、运行性能好的特点。可见，圆环型电极沿环地散流均匀。因此目前的直流输电工程多采用此电极型式，这种接地极形式也是随后的有限元分析具体用到的接地极形式。
图9 大地电场分布
2、分层土壤对接地电极的影响分析
直流输电线路的两接地极相距近千公里，其地中电流分布很广，部分电流可能会通过大地深处，因此需要考虑电极在深层土壤中受到的影响。现设定土壤的电阻率与厚度如表1所示。分别研究一层土壤至四层土壤电位分布曲线图的特点
表1 土壤分层电阻率和厚度
层数 电阻率Ω·m 厚度m
1 250 30
2 5000 10000
3 100000 500000
4 100
图10 一层土壤的曲线图 图11 两层土壤的曲线图
图12 三层土壤的曲线图 图13 四层土壤的曲线图
如图10至图13所示可见，考虑一层土壤和考虑两层土壤的电位分布曲线图有着明显的差距。而当考虑到第三、四层时，电位分布已经没明显变化，都与两层土壤时的效果图相仿。这是由于接地电极的形式对大范围内的地中电流分布影响很小，所以在研究数百公里范围内的电流分布时，可以忽略第三、四层土壤的影响。由此，对于直流接地极大地的分层，从仿真规模考虑，四层土壤在100km范围内的仿真对计算机性能要求过高，很难实现，所以在具体方针中采用两层土壤模型，可以在节约仿真时间的同时保证仿真的精度。
从以上的分析可以看出，分层土壤的厚度对电位分布是有影响的。而分层的另一个特点是不同土壤有着不同的电阻率。接下来将进一步的研究土壤电阻率对电位分布的影响，了解这一要素是否起到较大影响作用。
由于表层土壤的电阻率一般都很小，各地的差距在100Ω·m左右，对于电位的影响不大，因此第一层土壤的电阻率依旧按250Ω·m来计算。而第二层土壤的电阻率，对于不同地质来说，数值可能相差比较大，在此设为四种不同电阻率分别为1000Ω·m、2000Ω·m、3500Ω·m、5000Ω·m。 图14 电阻率为1000Ω·m电位分布图 图15 电阻率为2000Ω·m电位分布图
图16 电阻率为3500Ω·m电位分布图 图17 电阻率为5000Ω·m电位分布图
结果是明显的，如图14至图17所示。可以看出，不同电阻率对于电位分布的影响是十分明显的。而从电位分布曲线图18至21可以看出，电阻值越大，其电位分布的梯度就越小，其电压变化缓慢，突变量也小。反之，电阻率小的，其电位的变化量就大。
图18 电阻率为1000Ω·m电位曲线图 图19 电阻率为2000Ω·m电位曲线图
图20 电阻率为3500Ω·m电位曲线图 图21 电阻率为5000Ω·m电位曲线图
3、接地极的三维仿真
以上的仿真都是建立在二维的基础上，对于实际的接地极不能用最直观的方法表现出来。而实际的模型是一个三维立体的模型。虽然通过各种化简近似的手段，能将三维的模型化简为二维，但是却不能形象的了解到地中电位的分布情况。因此运用了ANSYS三维求解的方法，来研究接地极的点位分布。其仿真结果如图22至图24所示。
图22 电位分布图 图23 电场分布图 图24 内部圆环极的电场分布图
其中ANSYS软件对于土壤3D模型的建立需要较高的计算机配置，所以本节只建立了简单的模型进行仿真，大致展现一个立体的电位分布情况。
4、总结
本文利用ANSYS软件对不同情况下的接地电极进行了仿真。通过对不同形状的接地极进行分析以及对大地分层模型的剖分，充分直观的了解不同情况下的电位分布情况。
参考文献：
[1]解广润.电力系统接地技术[M].北京：水利电力出版社，1991.
[2]曾永林.接地技术[M].北京：水利电力出版社，1979.
[3]陈家斌.接地技术与接地装置[M].北京：中国电力出版社，2003.
[4]梅桂华，徐柏榆，王晓毛.直流输电对交流系统变压器的影响[J].广东电力，2006.
[5]阎照文.ANSYS10.0工程电磁场分析技术与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2006.
作者介绍：陈滔，男，助理电气工程师，工学学士，变电检修高级工，主要从事变电一次设备检修专业工作。
【关键词】 接地电极;电位分布
【Abstract】 This paper through the finite element analysis software ANSYS on several different shape electrode and the layered soil conditions are calculated. Through computer analysis， can be observed in different soil layers， the electrode.
【Key Words】 Ground installation Telluric electricity field
引言：
针对接地结构的特点，本文首先采用了一些简化的措施。通常的变电站、发电厂占地面积很大，这就决定了接地网的面积也必须很大才能保证它能覆盖住整个厂区（有时候还需要比厂区还大的多）。而接地电极又不可能埋得很深，因此先忽略埋深得影响，将接地电极和周围大地当作一个二维平面来处理。此外，由于接地网范围内点与点之间的电位差实际上是很小的，所以本文先将接地电极范围内也视作等电位，来进行计算和分析。
1、接地电极电位分布仿真分析
1.1矩形电极
发电厂、变电站的接地网一般为网格式地网，其形状为矩形电极。在此，选用面积为200m×100m的矩形电极来进行ANSYS仿真分析。这种电极虽然在接地网面积相同的情况下比圆盘型电极所用钢材要多些，但其均压特性、冲击特性都优于长孔地网。同时，矩形地极也更有利于地面设备的接地。其电压分布情况如图1和图2所示。
图1 大地电位分布图 图2 电位分布曲线图
通过大地电位分布图，我们可以看到在靠近地网的大地还是有较大的电位值，而在电极外电位是随着与地网距离的增大而减小的，距离越远，地中的电位越小。同时，距离越远，相同距离两点间的电压也随之减少。大地中的电场分布向量图如图3所示。电场在矩形电极的短边侧数值较大，长边侧数值较小，此大地模型中的电场和电位分布呈规律状，即与电极距离越远，数值越小。
图3 地中电场分布
1.2圆盘型电极
由于矩形电极不同边的电场分布还是存在一些差距，因此选用圆盘形电极这种均匀电极能够使得电极周围的电场分布变得更加均匀。本文选用半径为100m的圆盘形电极来进行ANSYS分析，经过运算后，其电位分布如图4和5所示。可见，其电压分布显得更加均匀，其电压梯度也是十分对称。并且其电压的下降离电极越远，其下降的趋势更加接近线性。
图4 大地电位分布图 图5 电位分布曲线图
大地中的电场分布向量图如图6所示。图中显示了电场的大小和方向。综合上述情况，圆盘型电极的电位比矩形电极的电位分布更加均匀。
图6 大地电场分布
1.3圆环型电极
比较了圆盘型电极和矩形方孔电极的电位分布情况，可以看出圆盘型电极的电位分布比矩形方孔电极的要均匀的多。但是，缺点也很明显，其耗材量和成本也比矩形方孔电极要高很多。因此这里引入了圆环型电极。我们假设一个内半径为80m，外径为100m的圆环。其电位分布如图7所示。可以看出其电位分布与圆盘型电极相仿。如图8所示，其电位分布曲线图开始处为一接近水平的曲线，这是由于其在圆环上的电位可以看作是均匀的。
图7 大地电位分布图 图8 电位分布曲线图
如图9所示，圆环型电极的最大优点是电流在电极上的分布均匀，不会出现局部跨步电压过高，同时具有用料较省、运行性能好的特点。可见，圆环型电极沿环地散流均匀。因此目前的直流输电工程多采用此电极型式，这种接地极形式也是随后的有限元分析具体用到的接地极形式。
图9 大地电场分布
2、分层土壤对接地电极的影响分析
直流输电线路的两接地极相距近千公里，其地中电流分布很广，部分电流可能会通过大地深处，因此需要考虑电极在深层土壤中受到的影响。现设定土壤的电阻率与厚度如表1所示。分别研究一层土壤至四层土壤电位分布曲线图的特点
表1 土壤分层电阻率和厚度
层数 电阻率Ω·m 厚度m
1 250 30
2 5000 10000
3 100000 500000
4 100
图10 一层土壤的曲线图 图11 两层土壤的曲线图
图12 三层土壤的曲线图 图13 四层土壤的曲线图
如图10至图13所示可见，考虑一层土壤和考虑两层土壤的电位分布曲线图有着明显的差距。而当考虑到第三、四层时，电位分布已经没明显变化，都与两层土壤时的效果图相仿。这是由于接地电极的形式对大范围内的地中电流分布影响很小，所以在研究数百公里范围内的电流分布时，可以忽略第三、四层土壤的影响。由此，对于直流接地极大地的分层，从仿真规模考虑，四层土壤在100km范围内的仿真对计算机性能要求过高，很难实现，所以在具体方针中采用两层土壤模型，可以在节约仿真时间的同时保证仿真的精度。
从以上的分析可以看出，分层土壤的厚度对电位分布是有影响的。而分层的另一个特点是不同土壤有着不同的电阻率。接下来将进一步的研究土壤电阻率对电位分布的影响，了解这一要素是否起到较大影响作用。
由于表层土壤的电阻率一般都很小，各地的差距在100Ω·m左右，对于电位的影响不大，因此第一层土壤的电阻率依旧按250Ω·m来计算。而第二层土壤的电阻率，对于不同地质来说，数值可能相差比较大，在此设为四种不同电阻率分别为1000Ω·m、2000Ω·m、3500Ω·m、5000Ω·m。 图14 电阻率为1000Ω·m电位分布图 图15 电阻率为2000Ω·m电位分布图
图16 电阻率为3500Ω·m电位分布图 图17 电阻率为5000Ω·m电位分布图
结果是明显的，如图14至图17所示。可以看出，不同电阻率对于电位分布的影响是十分明显的。而从电位分布曲线图18至21可以看出，电阻值越大，其电位分布的梯度就越小，其电压变化缓慢，突变量也小。反之，电阻率小的，其电位的变化量就大。
图18 电阻率为1000Ω·m电位曲线图 图19 电阻率为2000Ω·m电位曲线图
图20 电阻率为3500Ω·m电位曲线图 图21 电阻率为5000Ω·m电位曲线图
3、接地极的三维仿真
以上的仿真都是建立在二维的基础上，对于实际的接地极不能用最直观的方法表现出来。而实际的模型是一个三维立体的模型。虽然通过各种化简近似的手段，能将三维的模型化简为二维，但是却不能形象的了解到地中电位的分布情况。因此运用了ANSYS三维求解的方法，来研究接地极的点位分布。其仿真结果如图22至图24所示。
图22 电位分布图 图23 电场分布图 图24 内部圆环极的电场分布图
其中ANSYS软件对于土壤3D模型的建立需要较高的计算机配置，所以本节只建立了简单的模型进行仿真，大致展现一个立体的电位分布情况。
4、总结
本文利用ANSYS软件对不同情况下的接地电极进行了仿真。通过对不同形状的接地极进行分析以及对大地分层模型的剖分，充分直观的了解不同情况下的电位分布情况。
参考文献：
[1]解广润.电力系统接地技术[M].北京：水利电力出版社，1991.
[2]曾永林.接地技术[M].北京：水利电力出版社，1979.
[3]陈家斌.接地技术与接地装置[M].北京：中国电力出版社，2003.
[4]梅桂华，徐柏榆，王晓毛.直流输电对交流系统变压器的影响[J].广东电力，2006.
[5]阎照文.ANSYS10.0工程电磁场分析技术与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2006.
作者介绍：陈滔，男，助理电气工程师，工学学士，变电检修高级工，主要从事变电一次设备检修专业工作。