考慮接地導體時500 kV開關(guān)場內(nèi)的工頻電場

羅鵬，楊峰，蔡明月

（1.國網(wǎng)重慶璧山供電公司，重慶402760；2.重慶大學輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶400044）

0 引 言

隨著我國電力系統(tǒng)的電壓等級越來越來高，變電站內(nèi)分布的工頻電場也越來越大［1-2］。關(guān)于變電站工頻電場分布的問題，已有大量的研究，既有現(xiàn)場實測的研究［3-8］，也有根據(jù)數(shù)值方法進行仿真建模研究的［9-14］。變電站內(nèi)除了進出線與各種架空導線外，開關(guān)場內(nèi)還有各種金屬接地體，這些接地體會對周圍空間電場產(chǎn)生畸變影響。基于此，目前關(guān)于變電站內(nèi)的工頻電場分布研究都有較大的局限性和不足。例如，超高壓變電站內(nèi)工頻電場現(xiàn)場實測，對于站內(nèi)設(shè)備的支柱周圍的場測量就受到較大的局限。雖然基于有限元法的文獻［11-12］以及基于邊界元法的文獻［13-14］，對整個變電站內(nèi)工頻電場的分布進行仿真計算與分析，但未考慮變電站內(nèi)各種開關(guān)場電氣設(shè)備的金屬接地體對工頻電場分布的影響。

隨著對變電站站內(nèi)工頻電場分布情況研究的不斷加深，將變電站內(nèi)主要電氣設(shè)備的金屬接地體對站內(nèi)電場分布的影響納入考慮，使得變電站的工頻電場計算更加接近實際電場分布，對站內(nèi)電場分布的研究有著重要的意義。

1 設(shè)計方案

由于超高壓變電站開關(guān)場的復雜性，為了有效進行變電站內(nèi)工頻電場的計算分析，文章采用成熟的且滿足工程精度要求的三維模擬電荷法［15］。

設(shè)空間中一長為L的線電荷（如圖1所示）。

圖1 單元線電荷示意圖Fig.1 Schematic diagram of linear charge element for calculation

兩端坐標分別 P1（x1，y1，z1）、P2（x2，y2，z2），線性模擬電荷參數(shù)通過以下公式給定：

式中 0≤u≤L，l、m和n分別為：

為了分析變電站內(nèi)各種指向的載流導體，現(xiàn)采用全局坐標和局部坐標的方式，對某一帶電線段采用局部坐標進行場量計算，然后利用坐標轉(zhuǎn)換，將局部坐標的結(jié)果整合到全局坐標中。

在局部坐標中，線性電荷密度τ可以表示為：

式中 a、b為待定常數(shù)。

因此長為L的電荷段在空間任意一點P（x，y，z）產(chǎn)生的電位：

D為源點到待求點的距離，令u=Lt，則：

將式（3）、（5）代入式（4），化簡可得：

式中 E、F、G的定義如下：E=l2+m2+n2；

考慮到變電站整體建模規(guī)模大，為進行滿足工程精度要求的有效仿真計算，此處進行一種合理的假設(shè)。即將有限長的線性電荷視為常線性電荷，線電荷單元兩端 P1和 P2點的 τ（0）、τ（L）電荷密度相等：

因此，將式（7）代入式（6），化簡可得：

采用改進的模擬電荷法計算時，先將線路的等效模型劃分為多個有限長線段，并對大地作鏡像處理，求出每個常線性單元在各匹配點產(chǎn)生的電位系數(shù)，再將已知的電位作為邊界條件，建立方程：

式中P為電位系數(shù)矩陣；τ為待求模擬電荷列向量；φ為匹配點電位列向量。

通過導體的劃分及模擬電荷的求取，可推導出待求點P（x，y，z）點在空間中各個方向的工頻電場強度值：

根據(jù)疊加定理，將三相導體段產(chǎn)生的電場強度按 x、y、z方向依次相加。所有導體段對點 P（x，y，z）產(chǎn)生的電場強度在各方向上的分量表示為：

2 變電站的模型建立

現(xiàn)以某500 kV變電站開關(guān)場為例進行計算分析，變電站的平面配置如圖2所示。圖2中豎直虛線表示設(shè)置的觀測線位置。

由于變電站開關(guān)場內(nèi)的復雜性，在計算開關(guān)場內(nèi)整體工頻電場分布的建模中，進行了如下簡化處理：將模型中母線、進出線等看成直線型導線，母線上的電位等于導線對地電壓，設(shè)定地面為零電位。

相關(guān)模型參數(shù)設(shè)為：線路進線高度為30 m，相間距8 m，出線高度為26 m，相間距7.5 m，1 M、2 M母線建模高度為16.2 m，間距100 m，正常運行時相電壓為303.12 kV。簡化后的模型如圖3所示。

圖2 500 kV變電站配電裝置平面圖Fig.2 Top view of distribution equipment of 500kV substation

圖3 500 kV開關(guān)場模型圖Fig.3 Model of 500 kV switching yard

3 結(jié)果與分析

3.1 僅考慮架空線時500 kV開關(guān)場工頻電場的分布

在以上所建模型及驗證計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，編程計算了500 kV開關(guān)場工頻電場分布，最終得到開關(guān)場地面上方1.5 m處工頻電場的分布三維圖和色塊圖，分別如圖 4、圖 5所示［16］。

從圖4、圖5中可以看出，變電站工頻電場強度值大都處在5kV/m～9 kV/m之間，不超過12 kV/m。電場強度畸變值大多出現(xiàn)在每一回進出線的外側(cè)，并且通過比較每回進出線A、B、C三相下方的電場強度，每回線路的中間相線下電場值都相對較小，這是由于三回線路中各相的相序依次滯后120°順序布置，三相線路在中間B相產(chǎn)生的電場強度相疊加抵消。

電場強度較大值主要集中在母線與進出線交叉處附近，這是由于線路的對地高度、導線結(jié)構(gòu)、計算電場點距離地面高度等因素共同影響而導致的。部分區(qū)域甚至有電場強度大小超過10 kV/m的點出現(xiàn)，因此在變電站設(shè)計階段，應盡可能的避免巡視道路位于這些電場強度較大的區(qū)域。

圖4 500 kV開關(guān)場內(nèi)離地1.5 m處工頻電場分布三維圖Fig.4 3D spatial distribution diagram of power frequency electric field in 500 kV switching yard at 1.5 m above the ground

圖5 500 kV開關(guān)場內(nèi)離地1.5 m處工頻電場分布色塊圖Fig.5 Spatial distribution diagram of power frequency electric field in 500 kV switching yard at 1.5 m above the ground

3.2 考慮接地體時500 kV開關(guān)場內(nèi)的工頻電場分布

變電站開關(guān)場內(nèi)的導線，是由眾多支柱支撐的，另外隔離開關(guān)、斷路器、接地刀閘和互感器等也是由相應的支柱支撐，如圖6所示。而這些支柱，無疑會明顯的造成工頻電場分布的改變。因此考慮開關(guān)場內(nèi)這些支柱對工頻電場分布的影響，是得到接近實際工頻場分布的一種重要途徑。

由于電氣設(shè)備復雜繁多，建模時簡化了模型結(jié)構(gòu)，主要考慮開關(guān)場內(nèi)的各類支柱金屬接地體對周圍電場的影響。其參數(shù)設(shè)置為：接地體電位設(shè)為0，接地體半徑設(shè)為0.13m，不同電氣設(shè)備的金屬接地體高度不同（支柱絕緣子為5.1m、隔離開關(guān)為5.1m、斷路器4 m、接地刀閘5.1m和互感器3.2 m）?？紤]金屬接地體后500 kV開關(guān)場的模型圖如圖7所示。

圖6 考慮電氣設(shè)備的500 kV開關(guān)場斷面圖Fig.6 Profile diagram of the 500 kV switching yard considering the electrical equipment

圖7 考慮接地體后500 kV開關(guān)場的模型圖Fig.7 Model of 500 kV switch yard considering the earth electrode

考慮了開關(guān)場內(nèi)接地體后，對該模型的工頻電場分布進行計算，其地面上方1.5m處的工頻電場分布如圖8、圖9所示。

圖8 考慮接地體時500kV開關(guān)場內(nèi)工頻電場分布三維圖Fig.8 3D spatial distribution diagram of power frequency electric field in 500kV switching yard considering the earth electrode

從圖8、圖9中可以看出，500 kV開關(guān)場內(nèi)整個工頻電場分布在考慮開關(guān)場內(nèi)各類電氣設(shè)備的金屬接地體后，開關(guān)場內(nèi)金屬接地體附近工頻電場發(fā)生畸變，使得開關(guān)場區(qū)域工頻電場變得更加復雜。

圖9 考慮接地體時500kV開關(guān)場內(nèi)工頻電場分布色塊圖Fig.9 Spatial distribution diagram of power frequency electric field in 500kV switching yard considering the earth electrode

開關(guān)場內(nèi)工頻電場最大值為18.415 kV/m，位于開關(guān)場第一回進線下方接地體附近。比較圖4與圖8可以看出，考慮接地體后工頻電場的分布情況發(fā)生了較大變化：未考慮接地體時，場內(nèi)工頻電場的分布相對平緩（圖4、圖5），而考慮接地體后，場內(nèi)工頻電場的分布出現(xiàn)了較多凸起的局部峰值（圖8、圖9）。顯然，考慮電氣設(shè)備接地體的開關(guān)場模型及計算結(jié)果更符合變電站開關(guān)場工頻電場分布的實際情況。

為了進一步研究開關(guān)場內(nèi)各類電氣設(shè)備接地體對工頻電場分布的影響，對開關(guān)場內(nèi)第一回進線C相下方（圖2中豎直虛線標注位置）的工頻電場進行計算，其計算結(jié)果如圖10所示。

圖10 考慮接地體和未考慮接地體時工頻電場的計算結(jié)果Fig.10 Calculation results of the power frequency electric field with or without considering the earth electrode

從圖10中可以看出，考慮接地體后，其周圍的工頻電場受到較大的影響。電氣設(shè)備的接地體使得工頻電場發(fā)生較大的變化，出現(xiàn)局部的較大的畸變。這是由于支撐導體表面法向方向電場的不連續(xù)性，以及支撐導體接地所致。

4 結(jié)束語

（1）文章推導了一種較為簡潔的計算三維電場分布的模擬電荷方法，并利用該方法對變電站內(nèi)的500kV開關(guān)場進行了工頻電場分布計算。該方法計算效能較高，能避免有限元、邊界元等方法對計算范圍的限制及復雜的邊界設(shè)置。計算結(jié)果滿足工程精度要求；

（2）考慮了500 kV開關(guān)場內(nèi)各種接地金屬支架，由此建立了包含輸電線、母線和各類電氣設(shè)備接地體的更加接近實際情況的開關(guān)場工頻電場計算模型，并用文章推導的方法計算分析了開關(guān)場內(nèi)工頻電場的分布。該工作可為研究分析實際變電站內(nèi)工頻電場分布及站內(nèi)各類電氣設(shè)備接地體周圍的電場畸變情況提供一種有效、快速的手段；

（3）通過研究這種接近實際情況的開關(guān)場工頻電場分布狀況，找出場強大的區(qū)域，可為工作人員的站內(nèi)巡視提出環(huán)境安全建議。