一种基于数值分析的金属管道杂散电流预测方法与流程

技术特征：

1.一种基于数值分析的金属管道杂散电流预测方法，包括以下步骤：

步骤一，对目标金属管道与直流输电系统接地极情况进行简化处理；

步骤二，构建直流输电系统接地极导致的金属管道杂散电流的数学模型，当地电场处于稳态，同时管道阴极保护体系电位分布为稳定状态，采用静电场方程来描述；

步骤三，基于步骤二的数学模型，对金属管道及直流输电系统接地极的区域进行限制并确定相应的边界条件；

步骤四，构建目标金属管道的几何模型，该几何模型包括三个计算域，分别为接地极、土壤、金属管道；

步骤五，利用所述的数学模型与几何模型，使用数值模拟软件进行模拟仿真，计算金属管道杂散电流的大小。

2.根据权利要求1所述的金属管道杂散电流预测方法，其特征在于，步骤一中的简化处理如下：

1)直流输电系统接地极的埋深对金属管道电位、纵向电流及溢散电流的影响很小，忽略不计；

2)假设无穷远处土壤边界为自然电位，靠近接地极的边界为绝缘面，对应的目标金属管道的外线路电阻均为零，金属管道表面光洁；

3)假设土壤区域相对管道的尺寸无限大，土壤中介质均匀且各向同性，土壤电导率和金属管道在土壤介质中的极化曲线唯一。

3.根据权利要求1所述的金属管道杂散电流预测方法，其特征在于，步骤二中的静电场方程如下：

由于接地极以及金属管道电位分布为静电场，故只考虑麦克斯韦方程前两项，即

$\left\{\begin{array}{c}\▿\·D={\mathrm{\ρ}}_t\\ \▿\×E=\frac{\∂B}{\∂t}\end{array}\right.$

其中ρ_t指空间中自由电荷的分布，在静止状态下，有此时电场特性方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\▿\·D={\mathrm{\ρ}}_t\\ \▿\×E=0\end{array}\right.$

从而得到静电场电势基本微分方程：

${\▿}^2\mathrm{\φ}=-\frac{{\mathrm{\ρ}}_t}{\mathrm{\ϵ}}$

假设在求解区域内部没有电荷分布，即系统内没有电流的得失，也不存在远点或者汇点，从而得到数学模型的控制方程如下，

$\▿\·\left(-\mathrm{\ϵ}\▿\mathrm{\φ}\right)=\▿\·\left(-\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\▿\mathrm{\φ}\right)=0$

式中：ε为金属管道中所在介质的电导率，mA/m²；ρ为金属管道中所在介质的电阻率，Ω·m；φ为电势，V。

4.根据权利要求1所述的金属管道杂散电流预测方法，其特征在于，将金属管道全部等效为圆柱结构，修正其电阻率保证其等效之后的电阻不变；假设金属管道的内半径为r₁，外半径为r₂，管壁的厚度为d，则金属管道单位长度的电阻为

$R_1={\mathrm{\ρ}}_1\frac{1}{\mathrm{\π}\left(r_2^2-{r_1}^2\right)}$

等效的金属管道单位长度的电阻为

$R_2={\mathrm{\ρ}}_2\frac{1}{S_2}={\mathrm{\ρ}}_2\frac{1}{{\mathrm{\πr}}_2^2},$

简化得

${\mathrm{\ρ}}_1={\mathrm{\ρ}}_2\frac{(r_2^2-{r_1}^2)}{r_2^2};$

式中，ρ₁、ρ₂分别表示金属管道前后所在介质的电阻率，Ω·m。

5.根据权利要求3所述的金属管道杂散电流预测方法，其特征在于，步骤三中，在设定边界条件时，设定换流站为电流边界，并将足够远的大地远方设定为等位边界条件，边界条件如下：

换流站边界条件：

$\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂n}=I_0$

地表面边界条件：

$\frac{\∂\mathrm{\φ}}{\∂n}=0$

金属管道受影响的边界条件：

$\▿\mathrm{\φ}=\left\{R_c\left(x,y,z\right)+\frac{R_p}{\mathrm{\χ}\[R_c\left(x,y,z\right),{\mathrm{\ρ}}_{soil}\left(s,y,z\right)\]}\right\}\·j\left(\stackrel{\‾}{n}\right)$

式中，R_c(x,y,z)为金属管道涂层面电阻，Ω·m²；χ表示介质极化率，表示管道内电流密度，A/m²；R_p为金属管道极化电阻，Ω；ρ_soil(s,y,z)为土壤电阻率，Ω·m。

6.根据权利要求1所述的金属管道杂散电流预测方法，其特征在于，步骤五中，使用数值模拟软件ANSYS中的CFX模块进行模拟仿真。