劉紅文，楊 卓，譚向宇，王達(dá)達(dá)，趙現(xiàn)平，王 科，張少泉，彭 晶，程志萬，丁 薇，黃 然，張 慧

(1.云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司電力研究院，云南昆明650217;2.云南電網(wǎng)公司，云南昆明650011;3.云南電網(wǎng)公司博士后科研工作站，云南昆明650217)

0 引言

近十幾年來提高線路單位走廊輸送容量，降低工程造價(jià)，改善工頻電磁場環(huán)境，已經(jīng)成為輸電網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的發(fā)展方向。而緊湊型輸電線路與常規(guī)輸電線路相比，具有減低波阻抗、提高自然功率、減小線路走廊等較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益［1-3］。1999年11月華北電力集團(tuán)公司建成了我國第一條昌房500 kV緊湊型輸電線，經(jīng)受住了風(fēng)、雨、雷等嚴(yán)峻的氣候條件的考驗(yàn)，至今線路運(yùn)行良好，增加線路自然功率約30%［4］。

高海拔地區(qū)空氣稀薄、紫外光強(qiáng)，空氣間隙放電電壓相應(yīng)減低，對(duì)于緊湊型線路相間距離應(yīng)大于平原地區(qū)，因此研究高海拔地區(qū)緊湊型線路的電磁場環(huán)境對(duì)于提高輸電網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益有重要意義。

本文利用有限元仿真軟件Ansys，針對(duì)云南高海拔500 kV大和I回常規(guī)線、德博I回緊湊型線路建立了有限元仿真模型，分析研究常規(guī)線路與緊湊型線路的表面最大場強(qiáng)、起暈場強(qiáng)、電場分布情況;最后通過現(xiàn)場測量值與仿真值的分析對(duì)比，驗(yàn)證了模型的有效性。本文對(duì)于Ansys分析輸電線路電場環(huán)境以及設(shè)計(jì)高海拔緊湊型輸電線路有現(xiàn)實(shí)意義。

1 Ansys仿真模型建立

計(jì)算分裂導(dǎo)線表面電場的方法主要有馬克特(Markt)-門格爾(Mengele)、模擬電荷法、逐步鏡像法等。馬克特-門格爾法用等效的單根導(dǎo)線代替分裂導(dǎo)線，求出平均場強(qiáng)和最大場強(qiáng)，該方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單，對(duì)于4分裂以下的導(dǎo)線，計(jì)算精度滿足工程要求，缺點(diǎn)是不能反映分裂導(dǎo)線次導(dǎo)線表面場強(qiáng)，不能計(jì)算導(dǎo)線附近空間電場;模擬電荷法是一種求解靜電場問題的有效方法，這種方法人為地虛設(shè)若干線電荷代替導(dǎo)線表面連續(xù)分布的電荷，假想電荷產(chǎn)生的等位面必須和導(dǎo)線表面吻合，求出虛設(shè)電荷，進(jìn)一步得到線路表面電場分布和表面電場強(qiáng)度;逐步鏡像法是在一個(gè)有多個(gè)導(dǎo)體組成的體系中，每一導(dǎo)體用一系列置于該導(dǎo)體內(nèi)的鏡像電荷來代替，使表面維持等電位面，滿足這個(gè)條件，就可以利用這些鏡像電荷計(jì)算導(dǎo)體表面及空間電場。電荷模擬法和逐步鏡像法相比，計(jì)算所需時(shí)間較長，準(zhǔn)確度沒有逐步鏡像法高［5-9］。

有限元分析方法是以變分原理和剖分插值為基礎(chǔ)的數(shù)值計(jì)算方法，它利用變分原理把所要求解的邊值問題轉(zhuǎn)換為泛函的極值問題，然后利用剖分插值將變分問題離散為普通多元函數(shù)的極值問題，最終歸結(jié)為一組多元代數(shù)方程組。該方法較適合幾何形狀復(fù)雜的場域邊界，在電磁場仿真中有較大的應(yīng)用空間［10］。

為了便于計(jì)算，假設(shè)相導(dǎo)線為相互平行、且與地面平行的光滑圓柱體，忽略金具、桿塔及其周邊物體影響，大地為無窮大導(dǎo)體面，弧垂最低點(diǎn)為導(dǎo)線離地高度，則輸電線路三維電場問題轉(zhuǎn)化為二維問題。

根據(jù)假設(shè)高海拔500 kV常規(guī)輸電線路和緊湊型輸電線路的有限元模型如圖1所示。常規(guī)型線路導(dǎo)線采用4×LGJ 400/50分裂導(dǎo)線，子導(dǎo)線外徑為27.63mm，分裂間距 d=0.45 m，導(dǎo)線對(duì)地高度 h=35 m，架空地線相距l(xiāng)=11.45 m，海拔為2000 m時(shí)相間距離13.2 m。緊湊型輸電線采用 6×LGJ 400/50分裂導(dǎo)線，子導(dǎo)線外徑為23.94mm，分裂間距d=0.375 m，導(dǎo)線對(duì)地高度h=25 m，架空地線相距l(xiāng)=10.5 m，海拔為2000 m時(shí)相間距離7.2 m。

為求輸電線路表面最大場強(qiáng)，分別對(duì)A相、B相賦予峰值電壓，500 kV輸電線路最高允許電壓為550 kV，則三相交流電壓表達(dá)如下:

圖1 有限元模型

2 高海拔500 kV輸電線路表面電場強(qiáng)度分析研究

2.1 高海拔下500 kV輸電線路電暈起始場強(qiáng)

隨著海拔的升高，大氣壓和空氣密度都將減小，導(dǎo)線電暈起始場強(qiáng)也會(huì)相應(yīng)降低，電暈起始場強(qiáng)按式(4)計(jì)算［11］，式中的有關(guān)系數(shù)是通過試驗(yàn)得到的。在空氣相對(duì)濕度大于0小于45%的條件下:

式中，E0為電暈起始場強(qiáng)(kV/cm);m為導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)，取0.892;δ為空氣相對(duì)密度，海拔2 000 m時(shí)取0.824;r為次導(dǎo)線的半徑(cm)。

換算成有效值后，表1給出了海拔2000 m時(shí)常規(guī)線路和緊湊型線路的相電暈起始強(qiáng)度。

表1 常規(guī)型、緊湊型線路最大工作場強(qiáng)和相起暈場強(qiáng)

2.2 高海拔500 kV輸電線路表面最大電場強(qiáng)度

在三相輸電線路中，空間任意一點(diǎn)的電場強(qiáng)度都可以通過存在于導(dǎo)線表面的電荷來計(jì)算，而電暈現(xiàn)象的發(fā)生往往是由于導(dǎo)線表面的最大電場強(qiáng)度超過允許值而使得空氣被擊穿所導(dǎo)致的，所以通常關(guān)心的是導(dǎo)線表面的最大電場強(qiáng)度值。圖2為利用Ansys有限元分析得出的兩種線路最大表面電場強(qiáng)度分布圖，換算成有效值后常規(guī)線路和緊湊型線路的最大表面場強(qiáng)如表1所示。

圖2 線路表面最大電場強(qiáng)度

圖2可以看出緊湊型輸電線路德博I回最大表面場強(qiáng)為 25.22 kV/cm，大和 I回線僅為 21.49 kV/cm，有效值分別為 17.84 kV/cm、15.20 kV/cm，由于緊湊型輸電線路的導(dǎo)線表面場強(qiáng)大于常規(guī)型輸電線路，電暈損耗也較常規(guī)型輸電線路大。

表1可以看出緊湊型輸電線路的起始電暈場強(qiáng)大于常規(guī)型線路，但差別不是很大;緊湊型輸電線路Emax/E0為0.86，當(dāng)線路表面最大工作場強(qiáng)Emax小于0.9E0時(shí)可不進(jìn)行電暈效應(yīng)計(jì)算，與常規(guī)線路相同鋁截面的緊湊型線路滿足要求。

3 高海拔500 kV輸電線路線下電場環(huán)境分析研究

為了分析研究高海拔500 kV輸電線路線下電場環(huán)境，利用Narda EFA-300電場磁場測試儀分別對(duì)500 kV大和I回常規(guī)線路和德博I回緊湊型線路進(jìn)行電場強(qiáng)度測試，測試范圍從導(dǎo)線中心向兩側(cè)外延50 m，并與Ansys有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 高海拔500 kV輸電線路線下場強(qiáng)實(shí)測對(duì)比分析

通過現(xiàn)場測試得大和I回常規(guī)線、德博I回緊湊型線路離地面1.5 m處向兩側(cè)外延分布的電場強(qiáng)度如圖3所示。

圖3 實(shí)測高海拔輸電線路線下場強(qiáng)分布

由圖3可以看出，高海拔500 kV緊湊型輸電線路線下電場強(qiáng)度隨距離線路中心的距離增加而減小，最大電場強(qiáng)度在線下中心附近為1.53 kV/m，常規(guī)型輸電線路線下電場強(qiáng)度隨距離線路中心的距離增加先增大再減小，最大電場強(qiáng)度出現(xiàn)在線下邊相附近為2.4 kV/m。

由于現(xiàn)場測試條件，德博I回線測試對(duì)地高度為25 m，大和I回線對(duì)地高度為35 m，則從圖3可以得出高海拔500 kV緊湊型輸電線路線下電場環(huán)境大大優(yōu)于常規(guī)型輸電線路。

3.2 有限元仿真輸電線路線下場強(qiáng)與實(shí)測結(jié)果對(duì)比分析

利用Ansys有限元分析軟件對(duì)高海拔500 kV緊湊型輸電線路和常規(guī)輸電線路建模分析，圖4為距離輸電線路35 m的線下電場強(qiáng)度分布。

圖4 有限元仿真線下電場分布

從圖4中可以看出，Ansys有限元分析得出的輸電線路線下場強(qiáng)分布與實(shí)測結(jié)果有相同的變化趨勢，常規(guī)型線路線下35 m最大場強(qiáng)仿真得2.48 kV/cm與實(shí)際測量的2.4 kV/m，誤差僅僅為0.08 kV/m，緊湊型輸電線路線下25 m最大場強(qiáng)仿真得1.44 kV/m，實(shí)際測量為 1.53 kV/m，誤差為 0.09 kV/m，仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果都表明緊湊型輸電線路線下電場環(huán)境大大優(yōu)于常規(guī)型輸電線路。圖5為高海拔500 kV輸電線路線下場強(qiáng)仿真結(jié)果與實(shí)際測量對(duì)比曲線。

圖5 有限元仿真線下場強(qiáng)與實(shí)測結(jié)果分布曲線

從圖5可以看出，高海拔500 kV常規(guī)輸電線路和緊湊型輸電線路線下場強(qiáng)有限元仿真與現(xiàn)場測試結(jié)果有相同的變化趨勢;常規(guī)型、緊湊型線路線下最大場強(qiáng)仿真結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果誤差小于0.1 kV/cm，且最大場強(qiáng)出現(xiàn)的區(qū)域基本相同，表明Ansys有限元分析能有效仿真輸電線路線下電場強(qiáng)度。

4 結(jié)束語

通過Ansys有限元分析高海拔500 kV緊湊型輸電線路與常規(guī)型輸電線路的表面最大電場強(qiáng)度、電暈起始場強(qiáng)、線下電場環(huán)境，并與現(xiàn)場測量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論:

(1)500 kV緊湊型輸電線路6×LGJ 400/50、常規(guī)型線路4×LGJ 400/50最大表面場強(qiáng)分別為25.2 kV/cm、21.49 kV/cm，有效值分別為17.84 kV/cm、15.20 kV/cm，因此緊湊型輸電線路的導(dǎo)線表面場強(qiáng)大于常規(guī)型輸電線路，電暈損耗也較常規(guī)型輸電線路大。電暈起始場強(qiáng)分別為20.79 kV/cm、20.48 kV/cm，表明緊湊型輸電線路的起始電暈場強(qiáng)大于常規(guī)型線路，但差別不是很大。

(2)高海拔500 kV緊湊型、常規(guī)型輸電線路線下場強(qiáng)分布有限元仿真與實(shí)測結(jié)果有相同的變化趨勢，緊湊型輸電線路線下25m最大場強(qiáng)仿真得1.44 kV/m，實(shí)際測量為1.53 kV/m，常規(guī)型線路線下35m最大場強(qiáng)仿真得2.48 kV/cm，實(shí)際測量為2.4 kV/m，誤差都小于0.1 kV/cm，表明Ansys有限元分析能有效仿真輸電線路線下電場強(qiáng)度。

(3)有限元仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果都表明，緊湊型輸電線路線下電場環(huán)境大大優(yōu)于常規(guī)型輸電線路。

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