本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種入地電流儲能及回收利用方法。

背景技術(shù)：

在110kv及以上電力系統(tǒng)中輸變電設(shè)備多采用中性點直接接地運行方式。長期三相電力負(fù)荷的不平衡及短路故障使得輸變電設(shè)備中性點接地裝置中長期存在入地電流。為保證電力系統(tǒng)可靠運行，工程上通常將這一部分入地電流通過接地裝置進(jìn)行電流溢散。

接地體是接地裝置的主要部分，目前大多數(shù)接地體以采用低碳鋼或扁鋼制成的水平、垂直接地體為主。工程上采用上述接地體可達(dá)到合適的散流效果，但水平、垂直結(jié)構(gòu)的接地體散流本質(zhì)是將入地電流的電能耗散在無窮大的土壤中，造成了一定程度的電能浪費。采用螺旋接地體可以回收利用這一部分電能，從而實現(xiàn)電能使用效率提高為目標(biāo)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于此，本發(fā)明基于將入地電能集中在某個邊界區(qū)域的思想，利用螺旋結(jié)構(gòu)接地體將入地電流的電能集中儲存在螺旋狀腔內(nèi)；為進(jìn)一步實現(xiàn)腔內(nèi)儲存的電磁能量的再利用，本發(fā)明基于諧振式無線輸電理論體系提出在二次側(cè)布置能量回收諧振線圈及相關(guān)電路實現(xiàn)對螺旋狀腔內(nèi)土壤中存儲的電能進(jìn)行回收利用。

為了實現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種入地電流儲能及回收利用方法，其特征在于：將螺旋狀的螺旋接地體與引下線連接，螺旋接地體水平埋設(shè)于地下，經(jīng)引下線的入地電流的電能集中儲存在螺旋接地體的螺旋狀腔內(nèi)；在螺旋接地體的二次側(cè)設(shè)置能量回收諧振線圈，調(diào)節(jié)二次側(cè)電路參數(shù)，實現(xiàn)螺旋接地體的螺旋狀腔內(nèi)的電能利用。能量回收諧振線圈的中心軸與螺旋接地體的中心軸設(shè)置于同一軸線上。

所述螺旋接地體的螺旋狀腔內(nèi)存儲的電能p以及螺旋接地體的等效電感l(wèi)計算公式如下：

式中：i表示入地電流，μ0表示真空磁導(dǎo)率，nc表示匝電流密度，λ表示分離常數(shù)，j1(t)表示第一類一階貝塞爾函數(shù)，d表示螺旋接地體軸向長度、r1表示螺旋接地體線圈內(nèi)徑、r2表示螺旋接地體線圈外徑、t表示積分變量。

上述方案中，電路參數(shù)包括一次側(cè)螺旋接地體的回路電流is和二次側(cè)能量回收諧振線圈回路電流il，螺旋接地體回路等效阻抗z1e和能量回收諧振線圈回路等效阻抗z2e，它們的計算公式分別為：

uin為入地電流的等效交流電壓源，r1為螺旋接地體的等效電阻，r2為能量回收諧振線圈的等效電阻，rl為負(fù)載，ω為傳輸系統(tǒng)角頻率，z1為螺旋接地體自阻抗，z2為能量回收諧振線圈自阻抗，m為螺旋接地體與能量回收線圈之間的等效互感。

采用本方法不僅可將入地電流的電能集中儲存在螺旋狀腔內(nèi)土壤介質(zhì)中，還可實現(xiàn)對這一部分電能進(jìn)行回收利用，從而提高電能的使用效率。

附圖說明

圖1是螺旋結(jié)構(gòu)接地體與引下線連接方式示意圖；

圖2是螺旋接地體線圈能量計算模型；

圖3是儲能回收利用等效電路模型；

圖4是入地電流儲能回收利用構(gòu)架模型。

具體實施方式

本發(fā)明主要包括螺旋接地體和能量回收諧振線圈二次回路兩個部分。螺旋接地體采用低碳鋼繞制而成，考慮到工程中水平接地體端部效應(yīng)引起的接地體與引下線節(jié)點處的腐蝕斷裂情況，基于使入地電流的平滑過渡的思想，螺旋接地體與引下線的連接方式應(yīng)如圖1所示。為最大化提取螺旋接地狀腔內(nèi)土壤中儲存的電磁能量，能量回收諧振線圈應(yīng)該和螺旋接地體處于同一軸線。

1)獲取螺旋接地體腔內(nèi)儲存電能參數(shù)

螺旋接地體儲能和對應(yīng)的電感效應(yīng)有關(guān)，以求解螺旋接地體電感參數(shù)為主建立計算模型如圖2所示，設(shè)入地電流i，螺旋接地體線圈總匝數(shù)n，螺旋接地體線圈繞線區(qū)域所占空間為v'，截面面積為s0。則第m匝導(dǎo)線所匝鏈磁鏈ψm為：

式中：b—通電線圈產(chǎn)生的磁通密度；

sm—線圈第m匝導(dǎo)線所圍成曲面；

lm—線圈第m匝導(dǎo)線所圍成曲面的邊界；

a—為矢量磁位；

s—為積分面積變量；

l—為積分路徑變量。

帶入線圈電流密度寫出所有線圈匝數(shù)總磁鏈ψ為：

式中jc為體電流密度，v′為體積分變量。

根據(jù)上述電感l(wèi)表示如下：

通電空心圓柱線圈矢量磁位有軸向分量采用圓柱坐標(biāo)系，在任意點(ρ，φ，z)處矢量磁位a和電流密度jc同方向，所以：

式中d為軸向長度、r1為線圈內(nèi)徑、r2為線圈外徑、ρ′和z′均為積分變量。

將螺旋接地體等效為n匝的線圈，空間中任意一點p都將在-d/2<z<d/2的區(qū)域中，p點所在的xoy面將整個圓柱形空間分成了上下兩部分。選定某一點p，求出上、下兩部分線圈電流分別作用時p點的矢量磁位，最后用疊加法定理求得工程中點p處的合成矢量磁位可表示為：

式中μ0為真空磁導(dǎo)率，λ是一個分離常數(shù)，j1(*)表示第一類一階貝塞爾函數(shù)，t為積分變量。

結(jié)合式(4)(5)最終整理可求得螺旋接地體的等效電感值l以及儲存的電能p分為如下：

其中nc為單匝電流密度。

2)獲取電能回收利用等效電路的參數(shù)

根據(jù)螺旋接地腔內(nèi)土壤中儲存的電磁能量特性，利用諧振式無線輸電理論體系布置與螺旋接地體同軸能量回收諧振線圈、調(diào)節(jié)二次側(cè)電路參數(shù)，實現(xiàn)電磁能量二次回收利用。

為準(zhǔn)確描述螺旋接地體和二次側(cè)能量回收諧振線圈參數(shù)，電路模型搭建如圖3所示。其中，uin為入地電流的等效交流電壓源，l1、c1、r1為螺旋接地體的等效電感、電容、電阻，l2、c2、r2為能量回收諧振線圈的等效電感、電容、電阻,rl是負(fù)載電路。若傳輸系統(tǒng)角頻率為ω，則螺旋接地體和能量回收諧振線圈自阻抗分別為：

根據(jù)kvl的回路方程可以求得一次側(cè)螺旋接地體的回路電流is和二次側(cè)能量回收諧振線圈的回路電流il分別為：

從上式可知，諧振耦合后的螺旋接地體線圈l1、能量回收諧振線圈l2兩個回路的阻抗產(chǎn)生了改變，l1感應(yīng)到l2的耦合阻抗z21和l2感應(yīng)到l1的耦合阻抗z12分別為因為z1和z2兩者都含有電阻和電抗，因此反射阻抗z21和z21中同樣也含有電阻和電抗。反射電阻和反射電抗會對回路造成影響，特別是距離越近影響效果越明顯。為了降低反射電抗對回路諧振頻率的影響，可令螺旋接地體和能量回收諧振線圈等效電感處于諧振狀態(tài)。此時反射阻抗為零，而兩回路的反射阻抗分別為和在這種狀態(tài)下，兩個發(fā)生諧振的等效線圈l1和l2回路為純電阻回路，其中螺旋接地體回路和能量回收諧振線圈回路等效阻抗z1e和z2e分別為：

通過獲取上述等效電路參數(shù)，進(jìn)一步分析了螺旋接地體回路與能量回收諧振線圈二次回路的電磁關(guān)系，得出了基于入地電流電能回收利用的等效電路模型的能量傳遞效率η如下：

參見圖4，入地電流儲能回收利用的關(guān)鍵技術(shù)首先需要利用一種螺旋結(jié)構(gòu)接地體將部分溢散電能集中儲存在接地體的螺旋狀腔內(nèi)的土壤中。為進(jìn)一步回收利用儲存在土壤中的這一部分能量，結(jié)合諧振式無線輸電相關(guān)理論體系，在螺旋接地體軸線上布置一個同軸諧振接收線圈及相關(guān)電路對螺旋接地體腔內(nèi)土壤中的電能進(jìn)行提取利用。通過將螺旋接地體和無線輸電理論體系相結(jié)合，實現(xiàn)對入地電能的回收利用。