董躍周

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司,廣東廣州,51000）

基于有限元方法對(duì)高壓架空輸電線路風(fēng)偏電場(chǎng)的研究

董躍周

（中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司,廣東廣州,51000）

中國地域遼闊氣候復(fù)雜，架空輸電線路經(jīng)常面臨風(fēng)速大、颮線風(fēng)多以及其它惡劣天氣因素的影響，導(dǎo)致頻繁出現(xiàn)輸電線路風(fēng)偏故障，對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。導(dǎo)線周圍的電場(chǎng)能夠反映輸電線路風(fēng)偏情況，對(duì)輸電線路風(fēng)偏電場(chǎng)的研究有利于風(fēng)偏故障的防治。本文基于有限元方法對(duì)西北電網(wǎng)330kV架空輸電線路風(fēng)偏電場(chǎng)進(jìn)行模擬，獲取了輸電線路周圍電場(chǎng)分布的仿真結(jié)果。根據(jù)不同風(fēng)速下輸電線路的電場(chǎng)分布，采取相應(yīng)的防風(fēng)措施，可以大大降低風(fēng)偏故障發(fā)生概率，這對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要的工程意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

風(fēng)偏故障；風(fēng)偏電場(chǎng)；有限元方法；防風(fēng)措施

0 前言

近年來，由于氣候變化帶來的突發(fā)性惡劣天氣逐漸增多，導(dǎo)致大風(fēng)所引起的輸電線路風(fēng)偏故障經(jīng)常發(fā)生，常常會(huì)引起線路跳閘、導(dǎo)線電弧燒傷、斷股、斷線等一系列問題。對(duì)于輸電線路風(fēng)偏故障的成因，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的專家都做了大量的研究與分析，普遍認(rèn)為是由內(nèi)、外兩個(gè)因素造成的，內(nèi)因就是輸電線路的機(jī)械強(qiáng)度不夠，外因則是強(qiáng)風(fēng)強(qiáng)降雨天氣對(duì)輸電線路的影響。針對(duì)內(nèi)外兩個(gè)因素，就可以采取相應(yīng)的措施來提高輸電線路抵御風(fēng)偏的能力。在國內(nèi)，有關(guān)輸電線路風(fēng)偏的計(jì)算方法還不夠充足，西南電力設(shè)計(jì)院曾對(duì)絕緣子串發(fā)生風(fēng)偏進(jìn)行了仿真，通過有限元仿真軟件ABAQUS，對(duì)輸電線路風(fēng)偏電場(chǎng)進(jìn)行模擬分析，得到風(fēng)速對(duì)絕緣子串風(fēng)偏的影響。中國電力科學(xué)研究院早在上世紀(jì)八十年代就對(duì)懸垂絕緣子串風(fēng)偏角進(jìn)行了測(cè)量。在國外對(duì)輸電線路風(fēng)偏的研究多為風(fēng)偏角的計(jì)算，其計(jì)算方法主要依據(jù)以下兩個(gè)方面，一是絕緣子串與桿塔之間的距離，二是輸電導(dǎo)線與建筑物之間的距離，當(dāng)受到強(qiáng)風(fēng)作用時(shí)上述兩個(gè)對(duì)象會(huì)發(fā)生改變，對(duì)最小距離進(jìn)行分析計(jì)算就可得到絕緣子串風(fēng)偏角的計(jì)算公式。John G.St.Clair在文獻(xiàn)[9]中研究了輸電導(dǎo)線受到強(qiáng)風(fēng)作用后與建筑物之間的最小間距，并推導(dǎo)出了如何計(jì)算風(fēng)偏角的方法。Rikh V. N.在文獻(xiàn)[10]中通過對(duì)輸電線路進(jìn)行作圖分析，最后推導(dǎo)出一個(gè)風(fēng)偏角的計(jì)算公式。本文針對(duì)高壓架空輸電線路，在大風(fēng)強(qiáng)降雨等惡劣天氣因素的影響下，由于架空輸電線路受風(fēng)的作用會(huì)經(jīng)常發(fā)生風(fēng)偏故障，風(fēng)偏電場(chǎng)能夠刻畫架空輸電線路的風(fēng)偏程度。因此，對(duì)架空輸電線路風(fēng)偏電場(chǎng)進(jìn)行研究，從而采取相應(yīng)的防風(fēng)偏措施，對(duì)風(fēng)偏故障的防治有重要意義。

1 輸電線路風(fēng)偏故障機(jī)理分析

1.1 導(dǎo)線有關(guān)風(fēng)壓的計(jì)算

風(fēng)壓值就是以某一恒定風(fēng)速的風(fēng)垂直吹到導(dǎo)線上，其單位面積受到的壓力，即具有一定動(dòng)能的流體遇到物體時(shí)，由于受到阻力的作用速度會(huì)降低，當(dāng)速度為零時(shí)，此時(shí)流體的動(dòng)能將轉(zhuǎn)化為對(duì)物體表面單位面積上的壓力，其計(jì)算公式為：

自然條件下導(dǎo)線實(shí)際風(fēng)壓與理論風(fēng)壓不同，還要結(jié)合風(fēng)速不均系數(shù)、導(dǎo)線體形系數(shù)以及風(fēng)向與導(dǎo)線間角度等影響因素進(jìn)行計(jì)算，其公式如下：

1.2 風(fēng)速對(duì)風(fēng)偏角的影響

風(fēng)速對(duì)改變輸電導(dǎo)線風(fēng)偏角大小起主導(dǎo)作用，風(fēng)偏角隨著風(fēng)速的增大而增大，因此，也使得在相同條件下輸電導(dǎo)線（或絕緣子串）的空氣間隙變小，以風(fēng)速為變量，通過風(fēng)偏角計(jì)算公式得到導(dǎo)線的風(fēng)偏角與風(fēng)速的關(guān)系如圖1所示：

圖1 導(dǎo)線風(fēng)偏角與風(fēng)速關(guān)系曲線

風(fēng)偏角計(jì)算公式為：

2 有限元法計(jì)算風(fēng)偏電場(chǎng)及仿真結(jié)果

有限元法計(jì)算工頻電場(chǎng)時(shí)，假設(shè)條件相對(duì)較少，因此，能夠較為詳細(xì)的考慮各種影響的因素，當(dāng)網(wǎng)格的剖分達(dá)到一定精度時(shí)，其計(jì)算結(jié)果也就可以達(dá)到所要求精度，且計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。

對(duì)于交流輸電線路電磁場(chǎng)控制方程為：

式中，E為輸電導(dǎo)線周圍場(chǎng)強(qiáng)，B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，D為電位移矢量，為電荷密度，J為電流密度。

根據(jù)上述風(fēng)偏電場(chǎng)的計(jì)算方法，針對(duì)強(qiáng)風(fēng)引起絕緣子風(fēng)偏現(xiàn)象，建立了三維大場(chǎng)域線路絕緣子的有限元計(jì)算模型，仿真計(jì)算了330kV架空輸電線路絕緣子的電位和電場(chǎng)分布，針對(duì)門形塔在風(fēng)偏角分別為0°、30°、45°及60°進(jìn)行了仿真，其中風(fēng)偏角為60°的仿真示意圖2所示：

圖2 風(fēng)偏角為30°時(shí)輸電線路整體及導(dǎo)線周圍電勢(shì)分布

圖3 不同極間距導(dǎo)線下方橫向電場(chǎng)分布

為了進(jìn)一步分析導(dǎo)線周圍電場(chǎng)的變化趨勢(shì)，繪制出不同風(fēng)偏下最大場(chǎng)強(qiáng)的變化曲線如圖3所示：

由仿真結(jié)果可以看出上述不同的極間距導(dǎo)線下方距地面3m處的電場(chǎng)強(qiáng)度可高達(dá)10kV/m，此處風(fēng)偏電場(chǎng)的模擬值須控制在高壓電場(chǎng)限值（如表1所示）以內(nèi)，使導(dǎo)線與導(dǎo)線之間、導(dǎo)線與桿塔之間保持足夠的距離，即使導(dǎo)線與桿塔之間的空氣間隙縮小到最小，也能保證輸電線路不發(fā)生風(fēng)偏故障。

表1 國際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)關(guān)于高壓電場(chǎng)限值表

并且圖3顯示隨著極間距的增大，電場(chǎng)強(qiáng)度的變化趨于平緩。為了降低高壓輸電線路周圍無線電干擾及合成磁場(chǎng)對(duì)人們生活的影響，須使導(dǎo)線周圍電場(chǎng)強(qiáng)度控制在安全限值以內(nèi)，可以采取增大極間距以及加強(qiáng)導(dǎo)線的機(jī)械強(qiáng)度等措施，但改造費(fèi)用也會(huì)相應(yīng)的增加。因此，在防治輸電線路風(fēng)偏故障，改變輸電桿塔結(jié)構(gòu)時(shí)要綜合考慮工程投資，能量損耗，無線電干擾及地面合成場(chǎng)強(qiáng)等因素。

3 結(jié)論

本論文以330kV架空輸電線路高壓輸電線路為分析對(duì)象，基于有限元算法對(duì)實(shí)際線路進(jìn)行模擬，并根據(jù)仿真結(jié)果分析了實(shí)際線路在不同風(fēng)偏狀態(tài)下的電場(chǎng)分布，本文對(duì)架空輸電線路風(fēng)偏電場(chǎng)分布進(jìn)行研究，輸電線路在電場(chǎng)中受到電場(chǎng)力的作用，風(fēng)偏電場(chǎng)的快速變化導(dǎo)致輸電線路劇烈運(yùn)動(dòng)。為了防治輸電線路風(fēng)偏故障的發(fā)生，在實(shí)際線路建設(shè)過程中應(yīng)避免輸電線路周圍場(chǎng)強(qiáng)超過安全場(chǎng)強(qiáng)，從而可以大大提高輸電線路的安全運(yùn)行的可靠性。

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董躍周（1986--），男，本科，工程師，現(xiàn)工作于中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司，主要從事超高壓直流輸電運(yùn)維及建設(shè)。

Research on the wind bias electric field of high voltage overhead transmission lines based on the finite element method

Dong Yuezhou
（Extra High Voltage Power Transmission Company of China Southern Power Grid,Guangzhou,Guangdong,51000）

China has a vast territory and complex climate，overhead transmission lines often face high wind speed,squall line wind and other weather factors influence, resulting in frequent transmission line windage yaw fault, which poses a serious threat to the safe operation of the power system. The electric field around the conductor can reflect the wind bias of the transmission line, which is conducive to the prevention and control of the wind bias fault. Based on the finite element method, the wind bias field of 330kV overhead transmission line in the northwest power grid is simulated, and the simulation results of the distribution of the electric field around the transmission line are obtained.According to the different wind speed transmission line of electric field distribution, take corresponding precautionary measures, can greatly reduce the wind leaning fault probability, the safe operation of power system has important engineering significance and economic value.

wind bias fault; wind bias electric field; finite element method;wind proof measures