3维复合分层土壤模型下竖直分层土壤对地表电位影响

如何构造适当的土壤模型来定量计算大尺度范围内地表电位分布一直是直流偏磁研究中尚未有效解决的难题,针对于此,提出了一种任意多层土壤模型:3维复合分层土壤模型,用复镜像法推导出点源处于任意分层时格林函数的一般解析解。基于该模型,分析了直流单极大地方式运行时竖直土壤分层,包括土壤电阻率、层厚、层深和位置对地表电位分布的影响,并与水平分层和2维复合分层土壤模型下情况进行了比对研究。结果表明,不同竖直分层土壤参数变化对地表电位分布带来不同程度的影响,在精确计算直流接地极周围地表电位时应考虑竖直分层土壤情况的复杂性;3维复合分层土壤模型可以比水平分层和2维复合分层土壤模型更加准确地模拟实际土壤,基于3维复合分层土壤模型可以更加准确计算出地表电位,该模型和结论进一步为直流接地极附近变电站选址提供理论参考。

分层土壤中竖直埋管换热器传热特性

基于移动有限长线热源理论,考虑土壤分层及存在渗流现象,建立了埋管传热解析模型。利用热响应试验验证了该模型的正确性。对比分层模型与均质模型所给出的埋管散热过程的土壤温度响应表明:埋管周围土壤沿轴向分层使其温度分布也呈现分层而非均匀的特点,各层土壤中钻孔壁处温度趋于稳定所需的时间及数值因各层物性的差异而不同。对整个埋管区土壤均质或分层但存在渗流作用以及部分土壤层存在渗流作用等3种情况进行了计算分析,发现:若整个分层土壤中存在渗流,而视土壤为均质并忽略渗流的影响,则对换热能效系数低估可达6.3%;埋管散热在各土壤层中的热作用距离因存在渗流与否偏差可达43%。可见,为了准确评估钻孔周围渗流作用下分层土壤中的温度分布特性,应利用分层模型计算各土壤层中的热作用距离,以最大值确定管间距,否则会导致管群布置时管间距选取偏小。

计算土壤参数的一种新方法

确认大地模型和土壤参数是变电站接地网模拟计算的首要工作。通过电磁场理论和格林函数 ,利用递推算法获得水平多层土壤中电流场的地电位分布 ,结合复镜像法 ,推导出四极法所测视在电阻率与极间距的关系。引入非线性目标函数 ,将土壤参数问题转化为求目标函数的极值问题 ,采用拟牛顿的最优化方法 ,可快速求出土壤的参数。用该方法编制的软件可准确地确定任意层土壤模型。

多层土壤结构下直流偏磁电流分布计算研究

针对地表电压预测不准确而造成直流偏磁电流评估偏差较大的问题,文中基于场源关系下的拉普拉斯方程和泊松方程,通过数学解析法结合土壤边界条件求解出多层土壤的地表电位表达式。通过分析3种土壤模型下的地表电位分布曲线,确定了合理的土壤模型。在此基础上通过场路直接耦合的方法建立了变压器中性点直流量评估模型。基于.NET平台对上海市某地区电网数据实现了地表电压分布预测和接地极附近变压器中性点直流偏磁电流的计算,并将计算结果与CDEGS软件的仿真结果进行对比,验证了所提方法的有效性与准确性。

苏打盐渍土土壤水分动态及其与浅层地下水的交换关系

以松嫩平原西部典型苏打盐渍土区为研究对象,以野外定位试验和室内模拟分析相结合,借助于分层土壤水分平衡模型,探讨苏打盐渍土壤水分运移的基本特征和规律,并分析其与浅层地下水之间的交换关系。研究结果表明,研究区内蒸降比较大,一般达到2∶1以上,剖面土壤水分随蒸发、入渗过程呈现相应的转化;强烈地表蒸发作用下,地下水对上层土壤水分具有明显调控作用,土壤水分在50 cm以下相对稳定,50 cm以上受地表过程的影响变化较为显著。

1000kV特高压变电站接地系统的设计

特高压系统的电压等级高、容量大,接地短路电流将相当大,为确保电力系统的安全、可靠运行,对接地系统的要求将更加严格。结合晋东南特高压变电站短路电流分流系数变化曲线,提出了变电站接地电阻的设计取值方法。采用电磁场数值计算方法对分层土壤中接地系统的电气参数进行计算。分析表明,晋东南变电站采用水平地网可以将地电位升控制在5000V以内,但接触电压较大,超过了安全限值,探讨了应用深垂直接地极降低接触电压的效果,以及水平接地网的均压优化布置对接地系统接地电阻、接触电压和跨步电压的影响。最后给出了1000kV晋东南特高压变电站接地系统的设计方案以及二次电缆屏蔽层的接地方式。

青藏铁路110kV输变电工程五道梁和沱沱河变电站的接地系统设计

为青藏铁路供电的110kV沱沱河和五道梁变电站地处高寒永冻地区,如何在高寒永冻地区进行接地系统设计对变电站的建设十分重要。通过测试二次电缆和二次设备的绝缘耐受特性,提出可将地电位升高提高到5kV。采用电磁场数值计算方法对分层土壤中接地系统的电气参数进行计算, 分析比较了各种可行的高寒冻土地区接地系统的设计方案, 讨论了深垂直接地极的布置规律、水平地网的埋设深度、接地系统的均压优化布置对接地系统接地电阻、接触电压和跨步电压的影响。最终得出了坨坨河和五道梁两变电站的接地系统设计方案,并总结归纳了高寒冻土地区变电站接地系统的设计规律。

分层土壤中接地体冲击特性的仿真研究

杆塔接地体冲击特性的研究大多在单层均匀电阻率的土壤中进行,但杆塔地网的土壤结构往往是多层,二者冲击特性的差异有助于对计算和试验结果的判定;接地极冲击特性模拟试验需在多种电阻率土壤中进行,因此需多次更换试验模型中的土壤,对体积较大的模型全部更换土壤,需耗费大量人力物力.提出了一种只更换电极周围区域土壤的局部换土方案,局部换土后的模型是一种双层结构模型,通过建立模型,对单层和双层土壤模型中的冲击特性进行了仿真研究,得出了双层土壤模型中的冲击特性随上层土壤区域的增大而逼近单层土壤模型中的冲击特性的结论,即做冲击试验时局部换土方案可行,同时还给出了最佳换土方案.

结合矩量法和边界元法的综合接地算法研究

为解决复杂土壤条件下接地系统参数计算问题,结合矩量法和边界元法,提出了一种可计算土壤中含有不同电阻率媒质模型的新型接地数值算法。该算法在分层土壤模型计算方法基础上,将土壤中不同电阻率媒质表面进行块状剖分,通过计算每块边界单元的电荷量分析其对地下电场以及接地系统泄漏电流分步的影响。该方法弥补了目前接地计算方法只能处理分层土壤模型的缺点,可对既分层又分块的土壤模型进行计算。同时通过两个接地极模型的计算,证明了该方法的可行,并通过其计算结果与经典文献中计算结果以及实测结果的比较说明该方法的正确性。

垂直分层土壤中接地网的结构优化研究

随着土地资源的紧缺,往往需要在有限的土地资源条件下选取合适的土壤模型并设计相应的符合参数要求的接地网方案。建立了垂直分层的土壤模型,用以模拟在山脚、江(河)两岸等的情况下的土壤电阻率分布。运用CDEGS仿真软件计算接地网的接地电阻、接触电压及跨步电压等参数,通过增设双层地网、增加垂直或倾斜接地体及改变网格密度等方式研究更加优越且经济的接地网优化方案。研究结果表明:对于垂直分层土壤下的接地网,可在低土壤电阻率侧错位的铺设双层接地网;而在高土壤电阻率侧铺设双层接地网对降低接地电阻的作用较小;在接地网低电阻率侧增加垂直或斜接地体可大幅降低接地电阻,其作用效果与接地体长度有关。

深井接地在青藏铁路接地系统中的应用研究

研究了青藏铁路冻土区的土壤结构,给出该地区的典型土壤模型;通过计算机仿真分析,针对不同深井的个数与深度对接地系统降阻效果的影响,分析了三者之间的相互关系,研究出青藏铁路的深井接地方案。

甚低频大地等效电阻率分析

文中利用散射迭加方法,推导了多层土壤视在电阻率的计算公式。在此基础上结合场地测试数据,利用复镜像法和电位函数计算法对天线场区的土壤模型进行反演,获得土壤分层结构。然后从电磁理论出发,根据所得到的土壤分层模型参数,推导出甚低频大地等效电阻率的3种等效法则,并对每一种等效法则下的等效电阻率进行了推导分析。

考虑土壤分层的竖直埋管换热器传热特性研究

建立柱热源的分层土壤地埋管传热模型,利用分层岩土热响应试验验证模型的准确性,并与均质土壤模型比较分析了不同工况下地埋管换热器的传热特性。结果表明:使用均质土壤模型分析地埋管换热器传热特性会低估该埋管系统的换热能力,在变进口流体温度、变进口流体流速和变管径工况下,用均质土壤模型估算的单位管长换热量及钻孔平均导热系数,比分层土壤模型估算值分别低7.00%和6.62%、6.20%和6.19%、6.57%和6.56%;由于分层土壤模型考虑了土壤热物性沿埋管轴向分布、土壤温度也呈分层非均匀分布的特点。分层土壤、均质土壤模型模拟的最大热作用半径基本相同,且随着模拟时间的延长,分层土壤模型模拟土壤温度场温度分布呈均匀化趋势。由此可见,分层土壤模型可更好的揭示土壤热特性、热传导及热分布规律,将其应用于不同实际工况的系统设计计算可为工程量和工程费用的合理估算提供支持。

超高层建筑雷击电磁环境模拟

采用接地与电磁场CDEGS软件建立建筑三维数值模型,利用土壤电阻率和土壤分层模型,结合雷电特征参数和建筑的防雷措施,初步分析其遭受雷击时周边的电磁场变化及对人员、设备和系统的危害,为超高层建筑雷电灾害风险评估及雷电防护措施提供数据支撑。

变电站站址土壤结构分析

土壤分层结构模型是进行接地系统分析设计的基础。采用电磁场理论推导出点电流源在多层土壤条件下的地表电位分布公式 ,并以此为基础推导出用 Wenner法测量得到的视在电阻率与极间距的关系。通过引入非线性目标函数 ,将求土壤参数问题转化为求目标函数的极值问题 ,选用适当的优化计算方法得到与理论值吻合较好的土壤结构参数。所研制的土壤分层软件在实际变电站站址土壤结构分析中得到了应用 。

区域尺度典型喀斯特地区土壤水分动态模拟

在单层土壤水分模型基础上，建立起针对于黔中部典型喀斯特地区的0—15cm、15～40cm两层土壤水分模拟模型。在此基础上，依托遥感和GIS手段，将模型扩展到区域尺度上，模拟出黔中部典型喀斯特地区2005—10～2006—05日尺度上0～15cm、15～40cm土壤水分动态转化规律，并以实测值进行了验证。结果表明：①构建模型在数据获取上比较容易，使其实际的可操作性得到加强；②黔中部典型喀斯特地区不同植被类型下土壤水分变化特征有着重要的差异。从土壤水分变化幅度上看：农用地〉灌丛〉草地；从土壤水分垂直变化规律上看，灌丛和草地的0～15cm层土壤水分含量低于15～40cm层，水分梯度为正，而农用地相反；从土壤保水性上来看，草地〉灌丛〉农用地；③不同植被类型季节变化表现出同样的特征：12—2月日土壤含水量平均值大于其它月份日均值，主要是由于冬季贵州地区降水丰富，再加上气温低，蒸（散）发量小；月相变化，10～2月为土壤水分缓慢积累期，2～4月为土壤水分强烈消耗期，4～5月为雨季土壤水分补充期。