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        ±800 kV特高壓直流輸電線路地線選型

        2018-07-25 07:31:34楊禹太王世龍楊永寬
        山東電力技術(shù) 2018年6期
        關(guān)鍵詞:場(chǎng)強(qiáng)電場(chǎng)電位

        朱 罡,楊禹太,單 軍,王世龍,楊永寬

        (1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司,云南 昆明 650051;2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司威海供電公司,山東 威海 264200;3.山東送變電工程有限公司,山東 濟(jì)南 250118;4.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司建設(shè)公司,山東 濟(jì)南 250001)

        0 引言

        一般架空輸電線路地線選型主要按熱穩(wěn)定要求、機(jī)械強(qiáng)度要求、導(dǎo)地線不均勻覆冰時(shí)靜態(tài)接近的要求及導(dǎo)線脫冰跳躍和覆冰舞動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)接近的要求(重冰區(qū))、與導(dǎo)線配合取得合理的地線支架高度及防雷保護(hù)角等幾個(gè)因素選擇。但對(duì)于特高壓直流輸電線路,因地線感應(yīng)電荷大,不考慮離子流影響,地線表面電場(chǎng)強(qiáng)度也很大,超過(guò)電暈起始電場(chǎng)時(shí)同導(dǎo)線一樣會(huì)產(chǎn)生電暈損失、無(wú)線電干擾以及可聽(tīng)噪聲,必須給予限制,在《±800 kV直流架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》中5.0.7款中,規(guī)定地線表面電場(chǎng)強(qiáng)度不宜大于18 kV/cm[1]。計(jì)算地線表面場(chǎng)強(qiáng)時(shí)可參考導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算的方法。通過(guò)解析法、有限元法分別計(jì)算不同直徑的地線表面場(chǎng)強(qiáng),得出工程地線需滿足的最小截面積。

        1 解析法計(jì)算地線表面電場(chǎng)強(qiáng)度

        1.1 輸電線路簡(jiǎn)化模型

        為了便于分析計(jì)算,假定如下條件:導(dǎo)線未發(fā)生電暈、地面十分平坦、導(dǎo)地線十分水平、分裂導(dǎo)線計(jì)算中采用等值單導(dǎo)線代替,并將輸電線路視為無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線,地面為良導(dǎo)體,空間場(chǎng)強(qiáng)轉(zhuǎn)化為二維場(chǎng)計(jì)算,簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

        圖1 簡(jiǎn)化模型

        1.2 計(jì)算方法

        采用鏡像法進(jìn)行計(jì)算[2]。

        分裂導(dǎo)線的等效直徑

        式中:D為通過(guò)n根次導(dǎo)線中心的圓周直徑,mm;n為次導(dǎo)線的分裂根數(shù);d為次導(dǎo)線的直徑,mm。

        導(dǎo)線上電荷Q采用麥克斯韋電位系數(shù)法計(jì)算

        式中:α為電位系數(shù)矩陣,包含自電位系數(shù)和互電位系數(shù)。

        自電位系數(shù)

        互電位系數(shù)

        導(dǎo)線平均表面電場(chǎng)強(qiáng)度

        式中:g為電場(chǎng)強(qiáng)度,kV/cm;Q為等效電荷,C/m。

        導(dǎo)線最大表面電場(chǎng)強(qiáng)度

        2 有限元法計(jì)算地線表面電場(chǎng)強(qiáng)度

        輸電線路周圍電場(chǎng)按靜電場(chǎng)計(jì)算。在靜電場(chǎng)中,根據(jù)高斯定律的微分形式,電通量定義以及梯度關(guān)系可知[3]:

        由式(7)~(9)可得在均勻介質(zhì)中的泊松方程和拉普拉斯方程(空間電荷密度為零):

        利用有限元數(shù)值方法可以求解拉普拉斯方程,即給定一個(gè)區(qū)域,并指定區(qū)域的邊界條件,然后進(jìn)行網(wǎng)格剖分,計(jì)算得到區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度。

        3 不同截面地線的表面電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算

        3.1 不同截面時(shí)地線表面電場(chǎng)強(qiáng)度

        ±800 kV雙極單回路水平排列的架空線如圖1所示。根據(jù)±800 kV山西—江蘇特高壓直流輸電線路工程情況,線路典型參數(shù)為:導(dǎo)線規(guī)格6×JL1/G3A—1250/70,導(dǎo)線直徑 47.35mm,分裂間距為 500mm,導(dǎo)地線對(duì)地距離平均高度分別取30m、45m。

        有限元計(jì)算時(shí),計(jì)算區(qū)域長(zhǎng)度取80m,寬度取65m。矩形上邊按第一類邊界條件設(shè)置為零,矩形側(cè)面兩條邊按第二類邊界條件設(shè)置,矩形底邊設(shè)置為零;不考慮離子流影響,即空間電荷密度取零。

        計(jì)算80m×65m矩形區(qū)域內(nèi),極間距20m時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖2~5所示。圖中實(shí)線表示場(chǎng)強(qiáng)等值線。

        由圖形對(duì)比分析可知,特高壓輸電線路地線表面電場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)接近導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度。隨著地線截面(直徑)的增大,地線表面電場(chǎng)強(qiáng)度降低,由此可選擇滿足限值要求的地線截面。120mm2地線已經(jīng)超過(guò)18 kV/cm規(guī)范值,150mm2地線截面則滿足小于18 kV/cm的要求。

        圖2 120mm2地線時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)空間分布

        圖3 150mm2地線時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)空間分布

        圖4 120mm2地線時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)平面分布

        圖5 150mm2地線時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)平面分布

        3.2 不同極間距時(shí)地線表面場(chǎng)強(qiáng)

        其他因素不變,計(jì)算不同極間距時(shí)的地線表面電場(chǎng)強(qiáng)度如表1所示。

        表1 不同極間距地線表面場(chǎng)強(qiáng)

        有限元法可形象地表示出計(jì)算區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的變化(不考慮離子流影響),計(jì)算數(shù)值較解析法小,在計(jì)算中發(fā)現(xiàn),隨著劃分網(wǎng)格的數(shù)量的增大,數(shù)值越接近解析法數(shù)值,但計(jì)算量也隨之增大,需合理選擇網(wǎng)格數(shù)量,滿足工程要求即可。

        由表1可知,隨著極間距的增大,地線表面場(chǎng)強(qiáng)隨之增大。

        3.3 同保護(hù)角時(shí)地線表面場(chǎng)強(qiáng)

        其他因素不變,計(jì)算不同保護(hù)角時(shí)的地線表面電場(chǎng)強(qiáng)度如表2所示。

        表2 不同保護(hù)角地線表面場(chǎng)強(qiáng)

        由表2可知,隨著地線對(duì)導(dǎo)線保護(hù)角的增大,地線表面場(chǎng)強(qiáng)隨之增大。

        3.4 不同對(duì)地高度時(shí)地線表面場(chǎng)強(qiáng)

        其他因素不變,計(jì)算不同對(duì)地高度時(shí)的地線表面電場(chǎng)強(qiáng)度如表3所示。

        表3 不同對(duì)地高度地線表面場(chǎng)強(qiáng)

        由表3可知,隨著導(dǎo)地線整體對(duì)地距離的增大,地線表面場(chǎng)強(qiáng)隨之增大,對(duì)地超過(guò)30m時(shí),增加幅度趨于平緩。

        4 結(jié)語(yǔ)

        解析法只能計(jì)算簡(jiǎn)單形狀時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度,而有限元法可以計(jì)算形狀較為復(fù)雜的電場(chǎng),能形象地表現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度的區(qū)域分布情況。輸電線路與地線之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地線尺寸,運(yùn)用有限元法求解時(shí)為達(dá)到精度需加密網(wǎng)格劃分,而網(wǎng)格數(shù)量越多計(jì)算越慢,因此在計(jì)算中應(yīng)合理進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

        地線截面的減小、導(dǎo)線極間距的增大、地線保護(hù)角的減小、對(duì)地距離的增大,均能使地線表面電場(chǎng)強(qiáng)度增大,在選擇地線型號(hào)時(shí)應(yīng)綜合考慮。

        從地線表面電場(chǎng)強(qiáng)度角度看,推薦±800 kV山西—江蘇特高壓直流輸電線路工程一般線路采用150mm2地線。

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