直流接地极对交流电网和油气管道影响的统一计算方法
【专利摘要】本发明涉及高压技术领域，具体而言，涉及一种直流接地极对交流电网和油气管道影响的统一计算方法。本发明公开的所述统一计算方法，通过创建输电线路、交流电网中各变电站变压器的电阻以及直流换流站换流变压器的电阻构成的变电站网络模型和管道模型，在计算交流电网中各个变电站的地电位时，考虑到金属埋地管道泄漏电流在变电站网络模型中产生的第一附加电位的影响；同时，在计算管道的地电位时，也考虑到交流电网中性点接地处的入地电流在金属埋地管道模型中产生的第二附加电位的影响。因此，解决了现阶段在分析直流输电线路接地极入地电流对交流电网或金属埋地管道的影响时，忽略了交流电网与金属埋地管道之间相互影响的问题。
【专利说明】
直流接地极对交流电网和油气管道影响的统一计算方法
技术领域
[0001] 本发明设及高压技术领域，具体而言，设及一种直流接地极对交流电网和油气管 道影响的统一计算方法。
【背景技术】
[0002] 直流输电系统在单极大地方式下运行时，会有很大的直流电流从接地极流入或流 出大地。尤其是在特高压直流系统中，接地极处注入或抽出的直流电流可W高达几千安培。 运一电流在±壤中形成电位分布，对附近的交流电力系统和埋地油气管道产生影响。
[0003] 首先，直流输电线路接地极入地电流导致中性点直接接地的变压器中有直流电流 流过，变压器直流偏磁现象严重，进一步出现变压器绕组发热增加、运行噪声大幅度上升等 一系列严重问题。
[0004] 其次，直流接地极与金属埋地管道，尤其是长距离输油输气管道的相互接近不可 避免。而长距离金属埋地管道外表面防腐层不可避免地存在破损点。当管道防腐层破损点 的两端存在电位差时，电流就会在金属管道中流动，产生管地电位和分段管道之间的电位 差。电流由管道流入大地时产生阳极反应，形成腐蚀点，管地电位、分段管道之间的电位差 会影响管道绝缘及人身安全。
[0005] 因此，直流输电线路接地极入地电流分布及其对交流电网和埋地油气管道的影响 可W提前采取预防措施，减少不必要的经济损失。
[0006] 但是，现在的仿真预测方法在分析直流输电线路接地极入地电流对交流电网的影 响时忽略了管道的存在;而在分析直流输电线路接地极入地电流对管道的影响时忽略了交 流电网的存在。而事实上，电流在通过交流电网和管道流散时均会改变周围的地电位分布， 从而产生相互的影响，改变交流电网和管道上的电流分布。在中国经济发展较快的东部沿 海地区能源消耗量大，广东、上海等区域不但作为很多直流输电工程的受端，是直流接地极 分布集中的区域，同时还是交流电网和油气管道等的密集地区。因此现在的仿真预测方法 在实际应用中存在很多的不适用情况。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种直流接地极对交流电网和油气管道影响的统一计算 方法，W解决现阶段在分析直流输电线路接地极入地电流对交流电网或金属埋地管道的影 响时，忽略了交流电网与金属埋地管道之间相互影响的问题。
[000引本发明提供了一种直流接地极对交流电网和油气管道影响的统一计算方法，其包 括：
[0009] 建立变电站网络模型，所述变电站网络模型包括:输电线路、交流电网中各变电站 内变压器的直流电阻W及直流换流站内变压器的电阻；
[0010] 建立由金属埋地管道构成的管道模型；
[0011] 确定金属埋地管道泄漏电流在所述变电站网络模型中产生的第一附加电位，结合 所述第一附加电位计算所述变电站网络模型中所有变电站的地电位；
[0012] 确定交流电网中性点接地处的入地电流在所述管道模型中产生的第二附加电位， 结合所述第二附加电位计算所述管道模型中管道的地电位；
[0013] 所有变电站的地电位和管道的地电位联合求解，得到所述变电站网络模型和所述 管道模型的电流分布；
[0014] 根据所述电流分布，获得流入变电站内变压器的直流电流、W及金属埋地管道上 的电压分布。
[0015] 在一些实施例中，优选为，所述变电站网络模型中，每个变电站与直流接地极形成 一个W上第一回路，所述第一回路还包括:相互串联的直流接地极和变电站之间的转移电 阻、变电站的接地电阻W及变电站和其他任一变电站之间的转移电阻。所述建立由金属埋 地管道构成的管道模型包括:将管道分为若干小段管道。在所述管道模型中，每个小段管道 与地面连接构成一个第二回路，所述第二回路还包括:相互串联的防腐层电阻、直流接地极 和小段管道之间的转移电阻W及互电阻，所述互电阻为小段管道和其他任一小段管道之间 的转移电阻。
[0016] 第一回路还包括任一小段管道和所述第一回路中变电站之间的转移电阻。第二回 路还包括任一变电站和所述第二回路中小段管道之间的转移电阻。
[0017] 在所述联合求解中采用节点电位法。
[0018] 本发明实施例提供的直流接地极对交流电网和油气管道影响的统一计算方法，与 现有技术相比，通过创建输电线路和交流电网中各个变电站变压器的直流电阻构成的变电 站网络模型和管道模型，在计算交流电网中各个变电站的地电位时，考虑到金属埋地管道 泄漏电流在变电站网络模型中产生的第一附加电位的影响；同时，在计算管道的地电位时， 同时考虑到交流电网中性点接地处的入地电流在金属埋地管道模型中产生的第二附加电 位的影响。进而，无论分析直流接地极入地电流在交流电网中的分布，还是分析直流接地极 入地电流在油气管道的分布，考虑到交流电网和油气管道上入地电流的相互影响，结果都 会更加准确。因此，解决了现阶段在分析直流输电线路接地极入地电流对交流电网或金属 埋地管道的影响时，忽略了交流电网与金属埋地管道之间相互影响的问题。
【附图说明】
[0019] 图1为本发明一个实施例中地上电阻网络与地下电压源的示意图；
[0020] 图2为本发明一个实施例中管道模型示意图；
[0021] 图3为本发明一个实施例中直流接地极对交流电网和油气管道影响的统一计算方 法步骤图。
【具体实施方式】
[0022] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是 本发明的一部分实施例，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的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。
[0023] 针对现阶段在分析直流输电线路接地极入地电流对交流电网或金属埋地管道的 影响时，忽略了交流电网与金属埋地管道之间相互影响的问题，本发明从交流电网和埋地 油气管道的相互作用机理出发，提出了一种直流接地极对交流电网和油气管道影响的统一 计算方法，在研究直流输电线路接地极入地电流对交流电网和埋地油气管道的影响时，将 接地极、交流电网、管道等一块统一分析，得到较为准确的结果。如图1、图2和图3所示，其具 体包括：
[0024] 建立变电站网络模型，变电站网络模型包括:输电线路、交流电网中各变电站内变 压器的直流电阻W及直流换流站内变压器的电阻；
[0025] 建立由金属埋地管道构成的管道模型；
[0026] 确定金属埋地管道泄漏电流在变电站网络模型中产生的第一附加电位，计算变电 站网络模型中所有变电站的地电位；
[0027] 确定交流电网中性点接地处的入地电流在金属埋地管道模型中产生的第二附加 电位，计算金属埋地管道模型中管道的地电位；
[0028] 所有变电站的地电位和管道的地电位联合求解，采用节点电位法，得到变电站网 络模型和管道模型的电流分布；
[0029] 获得流入变电站变压器的直流电流和管道上的电压分布。
[0030] 管道本体是包覆了绝缘防腐层的空屯、圆柱导体，管道表面涂防腐层的作用就是将 管道金属和腐蚀介质隔离，W保护管道金属不受腐蚀。但是，管道的防腐层有很高的电阻 率，创建管道模型时，将管道分为若干小段管道，每一小段管道的防腐层相当于连接管道与 近地之间的一个电阻，管道泄漏电流会在所有小段管道的表面产生电位，运就是管道之间 的互电阻，所W每一小段管道与绝对地之间都连接了一个防腐层电阻和一串互电阻。在管 道模型中，第k段管道与管道近地之间构成一个第二回路。在第k段管道与管道近地之间构 成的第二回路中，还包括相互串联的第k段管道的防腐层电阻Rk-cnat、第k段管道与第t(t = 1,2,3,……，n)段管道之间的互电阻化t、直流接地极和第k管道之间的转移电阻化d。在本发 明公开的方法中，计算管道各处的地电位升时，考虑交流电网中性点接地处的入地电流在 管道处产生的附加电位的影响，因而上述第二回路还包括第k段管道与变电站s(s = l，2， 3,……，n)之间的转移电阻化S。所W，管道的地电位是由直流接地极入地的直流电流、所有 变电站入地的直流电流、W及所有管道上流进和流出的电流共同产生的：
[0031]
[0032] 其中，Id为直流接地极的入地电流，Ik为第k段管道上流进或流出的电流，It为第t 段管道上流进或流出的电流，IS为流过变电站S (S = 1，2，3，……，n)的直流电流。
[0033] 在原来的方法中，由于不考虑变电站入地电流的影响，因此，各段管道的地电位仅 仅是由直流接地极入地的直流电流和所有管道段入地的直流电流共同产生的，即：
[0034]
[00巧]符号所表示意义的同上。
[0036] 直流输电系统W大地为回路的运行时，巨大的电流由直流接地极流入大地，运些 电流在地中形成的电流场在很大范围内造成了地电位明显的差异。由于各交流变电站的地 电位不同，各变电站之间存在电位差，当变电站变压器中性点接地时，交流系统中便会有直 流电流流过。因此，对于由输电线路和变压器的直流电阻构成的地上电阻网络，各变电站的 地电位相当于与其相连的电压源。上述变压器不仅仅包括了交流电网中各变电站内变压 器，还包括了直流换流站内的各变压器。根据上述原理，建立输电线路和交流电网中各个变 电站变压器的直流电阻构成的变电站网络模型，如图1所示，每个变电站与直流接地极形成 一个W上第一回路，第一回路还包括相互串联的直流接地极和变电站之间的转移电阻、变 电站的接地电阻W及变电站和其他任一变电站之间的转移电阻。
[0037] 在图1中，vgi、ygj和ygk分别为变电站i、变电站j、变电站k的地电位，护ij和听k分别 分别为线路ij和线路化的直流电阻，其值为相应线路各回路=相所有子导线的直流电阻并 联值，Rgi、Rgj和A分别为变电站i、变电站巧日变电站k的接地电阻。
[0038] 由于所有流入地下的电流都会在地中产生电位，且管道上流进和流出的电流也会 在各变电站产生地电位的地电位，本发明公开的方法中变电站的地电位是由直流接地极入 地的直流电流、所有变电站入地的直流电流、W及所有管道上流进和流出的电流共同产生 的，则变电站i的地电位表示为：
[0039]
[0040] 其中，Id、Ii和Is分别为直流接地极的入地电流、流过变电站i和变电站S的直流电 流，Ii和Is也就是流过相应变电站变压器的直流电流，It为第t(t = l，2,3,……，n)段管道上 流进或流出的电流;Rgi为变电站i的接地电阻；Rid为直流接地极和变电站i之间的转移电 阻;Ris为变电站s(s = l，2,3,……，n，s声i)和变电站i之间的转移电阻，也就是当单位电流 由直流接地极或变电站S入地时在变电站i产生的地电位;Rit为第t段管道和变电站i之间的 转移电阻，也就是当单位电流由第t段管道入地时在变电站i产生的地电位。
[0041] 现阶段方法中由于不考虑管道的影响，因此，各变电站的地电位仅仅是由直流极 入地的直流电流和所有变电站入地的直流电流共同产生的：
[0042]
[0043] 符号表示同上。
[0044] 通过上述过程，可W表示出变电站网络模型中所有变电站的地电位，W及管道模 型中所有小段管道的地电位，联立所有的地电位表示方程，采用节点电位法，则可W得到交 流电网和管道共同存在时的交流电网和管道上的电流分布，再由该电流分布获得流入交流 变压器的直流电流和管道上的电压分布等。
[0045] 为更清楚的理解本发明公开的方法，W及了解本发明公开的方法与现阶段方法的 差别，下面提供一个具体的实施例:广东鱼龙岭接地极50km内电网和管道为例对比分析计 算。
[0046] 鱼龙岭接地极注入电流3000A，管道考虑已有的西气东输和广东管网管道，最远离 鱼龙岭接地极200km。±壤参数如下表所示： r00471
[0048]经过计算，考虑和忽略管道影响的变电站偏磁电流如表1所示。由表1可看出，在运 些数据统计中，平均误差达到8.7 %，更甚者两者之间误差最大能达到25%，进而从此数据 分析可知，管道的存在对电网变电站偏磁电流的影响是较大的。电网的存在对管道管地电 位分布影响不大，但因此针对变电站偏磁电流分析，统一考虑电网和管道进行计算是必要 的。
[0049] 要1亦由社偏励由、凉A管娃里 [(K)加 ]
[0化1 ]
[0052] 进一步，通过对直流接地极50km范围内管道的地电位进行计算分析，得出：在不考 虑交流电网的情况下，管道地电位计算结果最大169.3V;在考虑交流电网的情况下，管道地 电位计算结果最大仅为162.83V。由此可知，交流电网在分析直流输电线路接地极入地电流 对管道的影响时，是具有一定作用的。
[0053] W上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人 员来说，本发明可W有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种直流接地极对交流电网和油气管道影响的统一计算方法，其特征在于，包括： 建立变电站网络模型，所述变电站网络模型包括:输电线路、交流电网中各变电站内变 压器的直流电阻以及直流换流站内各变压器的电阻； 建立由金属埋地管道构成的管道模型； 确定金属埋地管道泄漏电流在所述变电站网络模型中产生的第一附加电位，结合所述 第一附加电位计算所述变电站网络模型中所有变电站的地电位； 确定交流电网中性点接地处的入地电流在所述管道模型中产生的第二附加电位，结合 所述第二附加电位计算所述管道模型中金属管道的地电位； 所有变电站的地电位和管道的地电位联合求解，得到所述变电站网络模型和所述管道 模型的电流分布； 根据所述电流分布，获得流入变电站内变压器的直流电流、以及金属埋地管道上的电 压分布。2. 如权利要求1所述的直流接地极对交流电网和油气管道影响的统一计算方法，其特 征在于，所述变电站网络模型中，每个变电站与直流接地极形成一个以上第一回路，所述第 一回路还包括： 相互串联的直流接地极和变电站之间的转移电阻、变电站的接地电阻以及变电站和其 他任一变电站之间的转移电阻。3. 如权利要求2所述的直流接地极对交流电网和油气管道影响的统一计算方法，其特 征在于，所述建立由金属埋地管道构成的管道模型包括:将管道分为若干小段管道； 在所述管道模型中，每个小段管道与地面连接构成一个第二回路，所述第二回路还包 括： 相互串联的防腐层电阻、直流接地极和小段管道之间的转移电阻以及互电阻，所述互 电阻为小段管道和其他任一小段管道之间的转移电阻。4. 如权利要求3所述的直流接地极对交流电网和油气管道影响的统一计算方法，其特 征在于，第一回路还包括任一小段管道和所述第一回路中变电站之间的转移电阻。5. 如权利要求3所述的直流接地极对交流电网和油气管道影响的统一计算方法，其特 征在于，第二回路还包括任一变电站和所述第二回路中小段管道之间的转移电阻。6. 如权利要求1所述的直流接地极对交流电网和油气管道影响的统一计算方法，其特 征在于，在所述联合求解中采用节点电位法。
【文档编号】G06F19/00GK106021866SQ201610305084
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】张波, 廖永力, 曹方圆, 李锐海, 何金良, 孟晓波, 庄池杰, 曾嵘
【申请人】清华大学, 南方电网科学研究院有限责任公司