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有限元分析耦合法在接地网中的应用

发布于:2016-04-21 19:26
有限元分析

      有限元分析法用于接地网的特性分析时,在很多方面优于其他分析方法。这是因为计算完全以场的形式进行,从而可以精确模拟实际地网,既可避免离散化地网区域时带来的计算误差,又避免了由于各种参数的忽略或近似求取带来的计算差,如接地网导体间互阻的计算等。此外,应用有限元法还可十分方便地考虑土壤结构、土壤电阻率、地网埋深及短路电流入流点因素等对地网特性的影响。
      由于接地网的工频交流接地电阻与直流接地电阻非常接近,因此可近似利用接地网在直流激励下的响应代替工频激励下的响应。
      有限元的计算机理是将区域离散后对每个单元建立微分方程,将各个微分方程线性化后联立形成整体计算矩阵。为获取较高的计算精度,必须使计算区域足够大且使计算所涉及的区域剖分更加密集。这样剖分后形成的单元越多,计算量也越大,对计算机的性能要求也越高。当自由度达到一定极限时,单台机就无法继续计算了,这时需进行并行计算。应用有限元法分析大型接地网特性时的主要问题是仿真计算这样一个形状和分布复杂的三维问题时,由于其变量多和剖分密集,计算机内存无法满足计算要求。
      由上述分析可知,对接地网进行三维有限元分析时,必须在建模和剖分时采取一定的技巧以尽量减少剖分后的单元和节点数量。采用具有8个节点的六面体形式三维单元剖分后的单元和节点数量最少,因此建模时必须将地网和土壤作为一整体,采用切割或者拉升的方法进行整体建模,从而保证剖分后所有的单元均为六面体单元。地网导体及其周围土壤中解的变化较大,因此对这一部分需要进行特别剖分。此外,为尽量反映地网导体端部比较密集的散流,地网导体端部的剖分还需加密,离地网导体越远的区域采用越稀疏的单元。这样处理后可在保证计算精度的前提下提高计算速度。
      采用上述处理办法对一个边长为90m的正方形地网进行了三维有限元分析,这样一个小型接地网的未知数已达到单机计算量的极限。显然,实际的接地网,特别是500kV变电站的大型接地网的面积远远大于90mx90m,因此完全应用三维有限元对其进行分析是不可行的。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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