呂建紅，彭繼文，周建飛，陽(yáng)金純，李鐵楠

(湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力需求與日劇增，同時(shí)由于我國(guó)能源與電力需求格局不平衡，發(fā)展超高壓、特高壓為骨干的輸電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)“西電東送、北電南送”是必然趨勢(shì)。隨著輸電線路電壓等級(jí)的增加，線路參數(shù)的選取至關(guān)重要，它主要由線路的電暈性能決定，而電暈程度與導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)〔1〕。電暈放電除了能引起線路電暈損耗外，還會(huì)產(chǎn)生無(wú)線電干擾、可聽(tīng)噪聲。因此探討輸電線路導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布規(guī)律，對(duì)深入了解電暈放電特性、電磁環(huán)境及提出相應(yīng)的預(yù)防、抑制措施有著重要意義。

輸電線路導(dǎo)線表面及空間的計(jì)算方法較多，常用的有Markt-Mengele方法，適合4分裂及以下分裂數(shù)輸電導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算〔2〕;等效電荷法，可用來(lái)計(jì)算導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度〔3〕，更廣泛的應(yīng)用于輸電線路線下空間電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算〔4-6〕;另外，逐步鏡像法〔7〕等也可用來(lái)計(jì)算輸電導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度;對(duì)于上述不同方法的計(jì)算效果，文獻(xiàn)〔2〕中做了詳細(xì)比較。對(duì)于有限元方法計(jì)算輸電線路表面及空間電場(chǎng)分布，近年也有報(bào)道，如Barbara Florkowska〔8〕等基于有限元方法計(jì)算了有ADSS光纜的高壓輸電線的電場(chǎng)分布。

基于有限元方法，本文深入開(kāi)展超高壓交流輸電線路分裂導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布規(guī)律及其線路參數(shù)和導(dǎo)線表面特性對(duì)表面電場(chǎng)強(qiáng)度影響的研究。

1 計(jì)算方法及模型建立

為便于計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化:相導(dǎo)線為相互平行、且與地面平行的光滑圓柱形導(dǎo)體;忽略桿塔、金具等其它臨近物體影響;設(shè)大地為無(wú)窮大導(dǎo)體面;導(dǎo)線高度為弧垂最低點(diǎn)離地高度。綜上假設(shè)，超高壓輸電線路電場(chǎng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二維電場(chǎng)的問(wèn)題。

對(duì)于500 kV超高壓交流輸電線路，簡(jiǎn)化后其有限元方法二維建模如圖1所示，水平排列的單回500 kV四分裂輸電線路，導(dǎo)線采用4×LGJ500/45分裂導(dǎo)線，子導(dǎo)線外徑30 mm，分裂間距d=0.46 m，導(dǎo)線最低點(diǎn)對(duì)地高度H=20 m，相間距L=10 m，架空地線型號(hào)為GJ70，離地高度h=28 m，架空地線相距l(xiāng)=14 m，計(jì)算空間為60 m×40 m。在仿真邊界條件設(shè)置中，計(jì)算區(qū)域底邊界 (地面)設(shè)置為零電位U=0。

圖1 有限元方法計(jì)算的二維模型

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果

利用建立的模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得到輸電線路表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度，并將結(jié)果與Markt-Mengele方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行計(jì)較，如表1所示。中相 (B相)2種方法的計(jì)算結(jié)果分別為21.08 kV/cm(有限元法)、20.92 kV/cm(Markt-Mengele方法); 邊相(A相或C相)的計(jì)算結(jié)果分別為19.50 kV/cm(有限元法)、18.77 kV/cm(Markt-Mengele 方法)。計(jì)算結(jié)果均顯示中相導(dǎo)線最大表面電場(chǎng)強(qiáng)度大于邊相導(dǎo)線最大表面電場(chǎng)強(qiáng)度，且2種不同計(jì)算方法所得結(jié)果相近，相對(duì)誤差較小，證明了有限元方法計(jì)算輸電線路導(dǎo)線表面電場(chǎng)的可行性。在仿真計(jì)算中，將計(jì)算區(qū)域劃分為45 276個(gè)單元，保證了計(jì)算結(jié)果的精確度。

表1 500 kV交流輸電導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度Emax kV/cm

圖2 中相導(dǎo)線子導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布

各子導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度隨表面圓周角度變化的趨勢(shì)計(jì)算結(jié)果如圖2(a)所示，分裂導(dǎo)線中心和子導(dǎo)線中心連線截面、沿x方向、子導(dǎo)線表面及附近的電場(chǎng)分布計(jì)算結(jié)果如圖2(b)所示。計(jì)算中，選取中相導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度最大情況為例，對(duì)中相分裂導(dǎo)線進(jìn)行編號(hào)，順序見(jiàn)圖2頂部示意圖，子導(dǎo)線表面圓周起始角從導(dǎo)線水平軸右側(cè)開(kāi)始，沿逆時(shí)針走向。從圖2(a)中可知，各子導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度并不等同，Markt-Mengele方法計(jì)算結(jié)果存在一定的誤差，不適合多分裂數(shù) (大于4分裂)情況的計(jì)算;對(duì)于分裂導(dǎo)線，子導(dǎo)線外側(cè)表面電場(chǎng)強(qiáng)度大于內(nèi)側(cè)表面電場(chǎng)強(qiáng)度，且表面的最大電場(chǎng)強(qiáng)度和最小電場(chǎng)強(qiáng)度基本是位于導(dǎo)線表面、分裂導(dǎo)線中心與子導(dǎo)線中心連線的截面上或附近。為證明上述結(jié)論，文中給出了過(guò)分裂導(dǎo)線中心和2號(hào)子導(dǎo)線中心連線截面上的場(chǎng)強(qiáng)，沿x方向的分布情況，如圖2(b)所示。圖中左側(cè)峰值代表截面上子導(dǎo)線外側(cè)表面處場(chǎng)強(qiáng)值，右側(cè)峰值代表截面上子導(dǎo)線內(nèi)側(cè)表面處場(chǎng)強(qiáng)值。外側(cè)表面場(chǎng)強(qiáng)值為 21.06 kV/cm，接近子導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度值21.08 kV/cm，且明顯大于內(nèi)側(cè)表面電場(chǎng)強(qiáng)度值15.64 kV/cm。另外，隨著距子導(dǎo)線表面的距離增加，子導(dǎo)線附近電場(chǎng)強(qiáng)度值迅速減小，在距子導(dǎo)線0.02 m處，場(chǎng)強(qiáng)值已降為表面的1/3左右。

2.2 輸電線路參數(shù)對(duì)導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

輸電線路參數(shù)對(duì)分裂導(dǎo)線表面的電場(chǎng)強(qiáng)度有著很大的影響，為了探討各參數(shù)的影響程度，文章分幾種不同情況，既輸電線路導(dǎo)線離地高度、相間距、分裂間距、子導(dǎo)線半徑、導(dǎo)線分裂數(shù)及導(dǎo)線排列分布方式等因素進(jìn)行分析。本文僅給出中相導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨導(dǎo)線離地高度、相間距、分裂間距、子導(dǎo)線半徑、導(dǎo)線分裂數(shù)及導(dǎo)線排列分布方式的變化關(guān)系。

中相導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨導(dǎo)線離地高度、相間距、分裂間距、子導(dǎo)線半徑的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3(a) ～ (d)。對(duì)于離地高度，討論了14 m，16 m，18 m，20 m，22 m 5種高度情況，從計(jì)算結(jié)果圖3(a)可看出，導(dǎo)線離地高度從14 m提高到22 m，強(qiáng)度值從21.17 kV/cm僅下降至21.02 kV/cm，導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度值隨導(dǎo)線離地高度變化的趨勢(shì)很緩慢，受離地高度影響較小。隨相間距的變化趨勢(shì)如圖3(b)，當(dāng)相間距加寬到14 m時(shí)，中相導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度由21.08 kV/cm減小到19.38 kV/cm，下降了1.7 kV/cm。圖3(c)為中相導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度隨分裂間距的變化關(guān)系，隨著分裂間距的增大，導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度增大，分裂間距為0.4 m時(shí)，表面電場(chǎng)強(qiáng)度為20.8 kV/cm，隨著分裂間距增大到0.6 m，導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度增大到21.51 kV/cm，增量為 0.71 kV/cm。另外，圖 3(d)為導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度隨子導(dǎo)線半徑的變化關(guān)系，這里考慮3種不同截面的導(dǎo)線〔9〕:LGJ630/45，Φ33.6 mm;LGJ500/45，Φ30 mm;LGJ400/65，Φ28 mm。從圖3(d)所得結(jié)論可以看出，隨著子導(dǎo)線半徑 (子導(dǎo)線截面)的增大，導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度變小，且減小的幅度較大，從22.17 kV/cm減小到19.07 kV/cm，減小量為3.1 kV/cm。

除上述影響外，分裂導(dǎo)線的分裂數(shù)以及導(dǎo)線的排列方式對(duì)導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度影響也比較明顯，計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表2，3。隨著導(dǎo)線分裂數(shù)的增加，導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度大幅減小，分裂數(shù)目由4分裂增加到6分裂時(shí)，導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度減小了4.31 kV/cm;當(dāng)增大到8分裂時(shí)，表面電場(chǎng)強(qiáng)度比6分裂減小了2.58 kV/cm。

表2 不同分裂數(shù)500 kV交流輸電導(dǎo)線中相導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度Emax kV/cm

考慮到導(dǎo)線排列方式 (水平排列、正三角、倒三角)的影響，導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表3。導(dǎo)線水平排列時(shí)，表面電場(chǎng)強(qiáng)度最大(21.08 kV/cm);倒三角排列時(shí)，導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度最小，為19.13 kV/cm;正三角排列時(shí)為19.76 kV/cm。

表3 不同排列方式500 kV交流輸電導(dǎo)線中相導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度Emax kV/cm

通過(guò)上述討論表明，在眾多線路參數(shù)中，導(dǎo)線的分裂數(shù)及子導(dǎo)線半徑對(duì)表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度的影響較大，離地高度影響程度最小。因此在線路設(shè)計(jì)中，在造價(jià)和經(jīng)濟(jì)許可的前提下，建議選擇多分裂、大截面、倒三角的線路形式。

2.3 表面特性對(duì)導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

前面計(jì)算分裂導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，假設(shè)其為理想光滑導(dǎo)線，實(shí)際情況并不如此，導(dǎo)線表面并不光滑，且初掛設(shè)導(dǎo)線表面有很多毛刺，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的導(dǎo)線表面會(huì)積有污穢，雨天線上會(huì)掛有水滴，這些因素都會(huì)影響到輸電導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度，繼而影響到導(dǎo)線表面的電暈放電性能。為了形象描述上述因素可能產(chǎn)生的影響，本文計(jì)算了雨天掛在導(dǎo)線表面的雨滴對(duì)導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度的影響效果，仿真計(jì)算結(jié)果如圖4(a)-(b)所示。仿真計(jì)算時(shí)，假定雨滴的介電常數(shù)設(shè)定為ε雨滴=81。通過(guò)與光滑導(dǎo)線圖4(a)情況相比，導(dǎo)線下掛有水滴時(shí)，導(dǎo)線表面電場(chǎng)分布發(fā)生畸變，導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度由光滑情況的21.08 kV/cm增大到24.5 kV/cm，是光滑情況時(shí)的1.16倍，且最大場(chǎng)強(qiáng)值出現(xiàn)在水滴的頂部。產(chǎn)生導(dǎo)線表面電場(chǎng)畸變的原因是水滴的存在導(dǎo)致了電荷在水滴頂部的集中，使該處電場(chǎng)強(qiáng)度增大。隨著水滴頂部曲率半徑的減小，電荷會(huì)越發(fā)集中，電場(chǎng)強(qiáng)度將繼續(xù)增大。這同樣可以解釋初掛設(shè)導(dǎo)線表面因?yàn)槊梯^多，而導(dǎo)致運(yùn)行初期電暈比較嚴(yán)重的現(xiàn)象。

圖4 輸電導(dǎo)線表面電場(chǎng)

3 結(jié)論

對(duì)于500 kV超高壓交流輸電線路導(dǎo)線，中相導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度大于邊相導(dǎo)線，且導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度與導(dǎo)線參數(shù)有關(guān)。隨著高度的增加，表面電場(chǎng)強(qiáng)度變化不明顯;隨著相間距、分裂間距、子導(dǎo)線半徑、以及分裂數(shù)變化明顯;另外，三相導(dǎo)線的排列方式也對(duì)分裂導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度存在一定的影響，倒三角分布時(shí)，表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度較小。不光滑 (如有水滴)輸電導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度大于理想光滑情況。

計(jì)算結(jié)果表明，線路采用多分裂、大截面、緊湊型倒三角布置，可以降低導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而可以減輕因電暈引起的電磁環(huán)境影響。

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