高海拔500 kV緊湊型輸電線電場仿真分析與對比研究

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

(1.云南電力試驗研究院(集團)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，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和經(jīng)濟效益［1-3］。1999年11月華北電力集團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，至今線路運行良好，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，空氣間隙放電電壓相應(yīng)減低，對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)境對于提高輸電網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟和社會效益有重要意義。

本文利用有限元仿真軟件Ansys，針對云南高海拔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、起暈場強、電場分布情況;最后通過現(xiàn)場測量值與仿真值的分析對比，驗證了模型的有效性。本文對于Ansys分析輸電線路電場環(huán)境以及設(shè)計高海拔緊湊型輸電線路有現(xiàn)實意義。

1 Ansys仿真模型建立

計算分裂導(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，求出平均場強和最大場強，該方法的優(yōu)點是計算簡單，對于4分裂以下的導(dǎo)線，計算精度滿足工程要求，缺點是不能反映分裂導(dǎo)線次導(dǎo)線表面場強，不能計算導(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，進一步得到線路表面電場分布和表面電場強度;逐步鏡像法是在一個有多個導(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，滿足這個條件，就可以利用這些鏡像電荷計算導(dǎo)體表面及空間電場。電荷模擬法和逐步鏡像法相比，計算所需時間較長，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)線對地高度 h=35 m，架空地線相距l(xiāng)=11.45 m，海拔為2000 m時相間距離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)線對地高度h=25 m，架空地線相距l(xiāng)=10.5 m，海拔為2000 m時相間距離7.2 m。

為求輸電線路表面最大場強，分別對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如下:

圖1 有限元模型

2 高海拔500 kV輸電線路表面電場強度分析研究

2.1 高海拔下500 kV輸電線路電暈起始場強

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

式中，E0為電暈起始場強(kV/cm);m為導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)，取0.892;δ為空氣相對密度，海拔2 000 m時取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時常規(guī)線路和緊湊型線路的相電暈起始強度。

表1 常規(guī)型、緊湊型線路最大工作場強和相起暈場強

2.2 高海拔500 kV輸電線路表面最大電場強度

在三相輸電線路中，空間任意一點的電場強度都可以通過存在于導(dǎo)線表面的電荷來計算，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如表1所示。

圖2 線路表面最大電場強度

圖2可以看出緊湊型輸電線路德博I回最大表面場強為 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Emax小于0.9E0時可不進行電暈效應(yīng)計算，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500 kV大和I回常規(guī)線路和德博I回緊湊型線路進行電場強度測試，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)果進行對比分析。

3.1 高海拔500 kV輸電線路線下場強實測對比分析

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)外延分布的電場強度如圖3所示。

圖3 實測高海拔輸電線路線下場強分布

由圖3可以看出，高海拔500 kV緊湊型輸電線路線下電場強度隨距離線路中心的距離增加而減小，最大電場強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度隨距離線路中心的距離增加先增大再減小，最大電場強度出現(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回線測試對地高度為25 m，大和I回線對地高度為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與實測結(jié)果對比分析

利用Ansys有限元分析軟件對高海拔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分布與實測結(jié)果有相同的變化趨勢，常規(guī)型線路線下35 m最大場強仿真得2.48 kV/cm與實際測量的2.4 kV/m，誤差僅僅為0.08 kV/m，緊湊型輸電線路線下25 m最大場強仿真得1.44 kV/m，實際測量為 1.53 kV/m，誤差為 0.09 kV/m，仿真結(jié)果與實測結(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輸電線路線下場強仿真結(jié)果與實際測量對比曲線。

圖5 有限元仿真線下場強與實測結(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度、電暈起始場強、線下電場環(huán)境，并與現(xiàn)場測量結(jié)果進行對比分析，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分布有限元仿真與實測結(jié)果有相同的變化趨勢，緊湊型輸電線路線下25m最大場強仿真得1.44 kV/m，實際測量為1.53 kV/m，常規(guī)型線路線下35m最大場強仿真得2.48 kV/cm，實際測量為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度。

(3)有限元仿真結(jié)果與實測結(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。

［1］牛 林，杜至剛，趙建國.特高壓輸電線路分裂導(dǎo)線表面電位梯度的計算及其特征分析［J］.電力自動化設(shè)備，2007，27(10):5-9.

［2］尚大偉.500 kV緊湊型輸電線路架設(shè)工藝方法的研究及應(yīng)用［J］.中國電力，2002，35(12):40-43.

［3］何桂明，苗振鵬等.緊湊型輸電線路設(shè)計探討［J］.山東電力技術(shù)，2006(1):36-39.

［4］頂立人.緊湊型線路發(fā)展現(xiàn)狀及在我國應(yīng)用前景［J］.電網(wǎng)技術(shù)，1996，20(2):1-5.

［5］于聚豐.不同布置形式下特高壓輸電線路表面電場強度計算［D］.北京:華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

［6］向仲卿，蔣道乾等.基于表面電荷法的輸電線路表面電場強度計算［J］.湖南電力，2007，27(1):5-8.

［7］萬保權(quán)，曹生順等.750 kV單回緊湊型輸電線路的電磁環(huán)境［J］.高電壓技術(shù)，2009，35(3):597-600.

［8］鄭 楊，宋守信.改善交流超高壓、特高壓輸電線路下電場強度的措施［J］.重慶工學(xué)院學(xué)報，2007，21(11):94-97.

［9］黃道春，阮江軍等.緊湊型輸電線路異性分裂導(dǎo)線周圍工頻電場研究［J］.高電壓技術(shù)，2006，32(4):55-60.

［10］韓社教，戴 棟等.應(yīng)用有限元計算氧化鋅避雷器電位分布［J］.中國電機工程學(xué)報，2001，21(12):105-110.

［11］Huang Weigang.Study on conductor configuration of 500 kV chang fang compact line［J］.IEEE Trans PWRD，2003，18(3):1002-1008.