接地极入地电流在地中电流场的模拟研究
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[摘 要]在特高压直流输电工程中，接地的目的是利用地作为传导电流回路的一个元件，以保证人身和设备安全，维护系统和设施安全可靠运行。然而，接地极入地电流会在其周围的地中形成一定强度的电流场，从而引起对接地极附近输电线路杆塔接地体腐蚀的影响。由此，本文将从一个全新的角度，即利用三维电磁场仿真软件CST对点电流源在地中电磁场的分布进行模拟研究，达到对接地极入地电流对附近输电线路杆塔接地体腐蚀影响的评估。
[关键词]点电流源；CST；电流场；三维电磁场
中图分类号：TM152 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）46-0383-01
0 引言
大地作为良导体，而在特高压直流输电工程中，利用大地作为回流电路是直流输电的特点与优点之一，但是也会带来一些问题与不利影响，必须加以研究和解决[1]。直流接地极入地电流对于交流电网的影响主要有两个方面，一方面是对变电站中性点有效接地的变压器产生偏磁影响，另一方面是对输电线路杆塔接地体产生腐蚀影响[2]。对于第一个方面国内相关科研单位都进行了大量探索和研究，其成果在公开发表的刊物上均有刊登。而对于后者的研究却少有报道。但是，国内交、直流输电工程建设中均有可能遇到这方面的情况，因此，直流接地极入地电流对输电线路杆塔接地体腐蚀的影响应引起足够的关注。通过利用三维电磁场仿真软件CST对接地极周围地质情况的计算模拟，得到接地体周围地中的直流电流分布。
直流电流通过接地极向大地散流时，接地极和整个大地都将呈现一定的电位，地面电位是从接地导体上方的地面向远方递减的，在接地极上方达到最大值，愈靠近接地极，地表等位线越密[2]。
因此，位于地表附近的输电线路杆塔若是分布在不同的电位上，杆塔和大地之间将会构成回路，直流电流将会从电位较高的杆塔流入，之后从电位较低的杆塔流出，而且，流入和流出输电线路杆塔中直流电流的代数和将会为零。对于部分杆塔其电流是流向大地的，为阳极区域，杆塔接地体会产生腐蚀。
2 点电流源在均匀半空间的电磁场分布
假设在电阻率为ρ的均匀各向同性的无限介质中，有一个电流强度为Ι的点电流源A，求离A点距离为R处点M的电位公式。这是一个具有球形对称性的问题，选用球坐标之后不难推导得到点M处的电位计算公式：
（1）
当然，这是在均匀、各向同性的无限介质中，点源电场的电位分布公式。而接地极可以作为一个点电流源，分析的是其所处地面对地下半空间电场分布的影响。点电流源在地表时，地中电流线的分布便以A为中心向周围呈辐射状，如图1所示。另外，在半无限介质中，电流密度j要比在无限的介质中大一倍，则有：
（2）
那么，此时M点的电位及电场强度分别是：
（3）
（4）
由此可以看出，地中点源电流场的电位、电流密度和电场强度均与供电电流强度I成正比，而U与R成反比，E及j与R的平方成反比。
3 CST软件的仿真模拟
若已知点电流源在大地半空间的电流场分布，进而就能通过相关公式求得作为点电流源的接地极其附近杆塔的腐蚀量。如图2所示，为点电流源在流入大地电流I和大地为电阻率ρ的均匀半空间的情况下，大地中电位强度的分布图。
CST电磁模拟软件的数值模拟操作流程包括建立模型、网格化计算空间、设置计算参数等的一系列精细操作，是最终能否得到符合实际的计算结果并做出合理杆塔腐蚀评估的最直接影响因素。该电磁模拟软件的工作原理，即其数值模拟计算基本原理（在给定场源和边界条件下，直接离散并求解麦克斯韦方程组， 得到输电线路各个杆塔接地体的直流电流分布）的准确性在成果图2和理论推导中得到验证。而在一般情况下，需要模拟的实际工区情况往往比起均匀半空间的要复杂很多，这就需要我们在弄清地下地质结构之后进行模拟，如图3所示，为层状介质结构中局部区域高阻的情况下点电流源地下电位分布状态。通过与图2的对比可以知道，在均匀半空间时，地中电位是从接地导体上方的地面向远方呈半圆球状递减的，在接地极处的地表是为最大值，愈靠近接地极，地表的电位强度也会越大，而对于层状介质或者是更加复杂的地质结构，无论是地表还是地中的电位分布都是很难琢磨的，没有固定的规律可寻。
4 结论
模拟研究直流输电工程接地极周围大地电流分布问题作为一个比较难的课题被提出，面对地下比较复杂的地质结构，要想准确把握地表和地中的电位分布，然后达到对接地极入地电流对附近输电线路杆塔接地体腐蚀影响的较为准确的评估，并不是一件容易的事。而采用CST电磁工作室软件对三维地质体数值模拟计算的方式有望解决此道难题。
参考文献
[1] 陈水明.直流输电接地极附近地下金属管道电流的分析[J].高电压技术，1992（4）：8-14.
[2] 董晓辉.特高压直流入地电流对附近杆塔地网腐蚀评估[J].高电压技术，2009（7）：1546-1552.