高海拔500 kV紧凑型输电线电场仿真分析与对比研究

刘红文，杨 卓，谭向宇，王达达，赵现平，王 科，张少泉，彭 晶，程志万，丁 薇，黄 然，张 慧

(1.云南电力试验研究院(集团)有限公司电力研究院，云南昆明650217;2.云南电网公司，云南昆明650011;3.云南电网公司博士后科研工作站，云南昆明650217)

0 引言

近十几年来提高线路单位走廊输送容量，降低工程造价，改善工频电磁场环境，已经成为输电网络建设的发展方向。而紧凑型输电线路与常规输电线路相比，具有减低波阻抗、提高自然功率、减小线路走廊等较好的社会和经济效益［1-3］。1999年11月华北电力集团公司建成了我国第一条昌房500 kV紧凑型输电线，经受住了风、雨、雷等严峻的气候条件的考验，至今线路运行良好，增加线路自然功率约30%［4］。

高海拔地区空气稀薄、紫外光强，空气间隙放电电压相应减低，对于紧凑型线路相间距离应大于平原地区，因此研究高海拔地区紧凑型线路的电磁场环境对于提高输电网络的经济和社会效益有重要意义。

本文利用有限元仿真软件Ansys，针对云南高海拔500 kV大和I回常规线、德博I回紧凑型线路建立了有限元仿真模型，分析研究常规线路与紧凑型线路的表面最大场强、起晕场强、电场分布情况;最后通过现场测量值与仿真值的分析对比，验证了模型的有效性。本文对于Ansys分析输电线路电场环境以及设计高海拔紧凑型输电线路有现实意义。

1 Ansys仿真模型建立

计算分裂导线表面电场的方法主要有马克特(Markt)-门格尔(Mengele)、模拟电荷法、逐步镜像法等。马克特-门格尔法用等效的单根导线代替分裂导线，求出平均场强和最大场强，该方法的优点是计算简单，对于4分裂以下的导线，计算精度满足工程要求，缺点是不能反映分裂导线次导线表面场强，不能计算导线附近空间电场;模拟电荷法是一种求解静电场问题的有效方法，这种方法人为地虚设若干线电荷代替导线表面连续分布的电荷，假想电荷产生的等位面必须和导线表面吻合，求出虚设电荷，进一步得到线路表面电场分布和表面电场强度;逐步镜像法是在一个有多个导体组成的体系中，每一导体用一系列置于该导体内的镜像电荷来代替，使表面维持等电位面，满足这个条件，就可以利用这些镜像电荷计算导体表面及空间电场。电荷模拟法和逐步镜像法相比，计算所需时间较长，准确度没有逐步镜像法高［5-9］。

有限元分析方法是以变分原理和剖分插值为基础的数值计算方法，它利用变分原理把所要求解的边值问题转换为泛函的极值问题，然后利用剖分插值将变分问题离散为普通多元函数的极值问题，最终归结为一组多元代数方程组。该方法较适合几何形状复杂的场域边界，在电磁场仿真中有较大的应用空间［10］。

为了便于计算，假设相导线为相互平行、且与地面平行的光滑圆柱体，忽略金具、杆塔及其周边物体影响，大地为无穷大导体面，弧垂最低点为导线离地高度，则输电线路三维电场问题转化为二维问题。

根据假设高海拔500 kV常规输电线路和紧凑型输电线路的有限元模型如图1所示。常规型线路导线采用4×LGJ 400/50分裂导线，子导线外径为27.63mm，分裂间距 d=0.45 m，导线对地高度 h=35 m，架空地线相距l=11.45 m，海拔为2000 m时相间距离13.2 m。紧凑型输电线采用 6×LGJ 400/50分裂导线，子导线外径为23.94mm，分裂间距d=0.375 m，导线对地高度h=25 m，架空地线相距l=10.5 m，海拔为2000 m时相间距离7.2 m。

为求输电线路表面最大场强，分别对A相、B相赋予峰值电压，500 kV输电线路最高允许电压为550 kV，则三相交流电压表达如下:

图1 有限元模型

2 高海拔500 kV输电线路表面电场强度分析研究

2.1 高海拔下500 kV输电线路电晕起始场强

随着海拔的升高，大气压和空气密度都将减小，导线电晕起始场强也会相应降低，电晕起始场强按式(4)计算［11］，式中的有关系数是通过试验得到的。在空气相对湿度大于0小于45%的条件下:

式中，E0为电晕起始场强(kV/cm);m为导线表面粗糙系数，取0.892;δ为空气相对密度，海拔2 000 m时取0.824;r为次导线的半径(cm)。

换算成有效值后，表1给出了海拔2000 m时常规线路和紧凑型线路的相电晕起始强度。

表1 常规型、紧凑型线路最大工作场强和相起晕场强

2.2 高海拔500 kV输电线路表面最大电场强度

在三相输电线路中，空间任意一点的电场强度都可以通过存在于导线表面的电荷来计算，而电晕现象的发生往往是由于导线表面的最大电场强度超过允许值而使得空气被击穿所导致的，所以通常关心的是导线表面的最大电场强度值。图2为利用Ansys有限元分析得出的两种线路最大表面电场强度分布图，换算成有效值后常规线路和紧凑型线路的最大表面场强如表1所示。

图2 线路表面最大电场强度

图2可以看出紧凑型输电线路德博I回最大表面场强为 25.22 kV/cm，大和 I回线仅为 21.49 kV/cm，有效值分别为 17.84 kV/cm、15.20 kV/cm，由于紧凑型输电线路的导线表面场强大于常规型输电线路，电晕损耗也较常规型输电线路大。

表1可以看出紧凑型输电线路的起始电晕场强大于常规型线路，但差别不是很大;紧凑型输电线路Emax/E0为0.86，当线路表面最大工作场强Emax小于0.9E0时可不进行电晕效应计算，与常规线路相同铝截面的紧凑型线路满足要求。

3 高海拔500 kV输电线路线下电场环境分析研究

为了分析研究高海拔500 kV输电线路线下电场环境，利用Narda EFA-300电场磁场测试仪分别对500 kV大和I回常规线路和德博I回紧凑型线路进行电场强度测试，测试范围从导线中心向两侧外延50 m，并与Ansys有限元仿真结果进行对比分析。

3.1 高海拔500 kV输电线路线下场强实测对比分析

通过现场测试得大和I回常规线、德博I回紧凑型线路离地面1.5 m处向两侧外延分布的电场强度如图3所示。

图3 实测高海拔输电线路线下场强分布

由图3可以看出，高海拔500 kV紧凑型输电线路线下电场强度随距离线路中心的距离增加而减小，最大电场强度在线下中心附近为1.53 kV/m，常规型输电线路线下电场强度随距离线路中心的距离增加先增大再减小，最大电场强度出现在线下边相附近为2.4 kV/m。

由于现场测试条件，德博I回线测试对地高度为25 m，大和I回线对地高度为35 m，则从图3可以得出高海拔500 kV紧凑型输电线路线下电场环境大大优于常规型输电线路。

3.2 有限元仿真输电线路线下场强与实测结果对比分析

利用Ansys有限元分析软件对高海拔500 kV紧凑型输电线路和常规输电线路建模分析，图4为距离输电线路35 m的线下电场强度分布。

图4 有限元仿真线下电场分布

从图4中可以看出，Ansys有限元分析得出的输电线路线下场强分布与实测结果有相同的变化趋势，常规型线路线下35 m最大场强仿真得2.48 kV/cm与实际测量的2.4 kV/m，误差仅仅为0.08 kV/m，紧凑型输电线路线下25 m最大场强仿真得1.44 kV/m，实际测量为 1.53 kV/m，误差为 0.09 kV/m，仿真结果与实测结果都表明紧凑型输电线路线下电场环境大大优于常规型输电线路。图5为高海拔500 kV输电线路线下场强仿真结果与实际测量对比曲线。

图5 有限元仿真线下场强与实测结果分布曲线

从图5可以看出，高海拔500 kV常规输电线路和紧凑型输电线路线下场强有限元仿真与现场测试结果有相同的变化趋势;常规型、紧凑型线路线下最大场强仿真结果与现场测试结果误差小于0.1 kV/cm，且最大场强出现的区域基本相同，表明Ansys有限元分析能有效仿真输电线路线下电场强度。

4 结束语

通过Ansys有限元分析高海拔500 kV紧凑型输电线路与常规型输电线路的表面最大电场强度、电晕起始场强、线下电场环境，并与现场测量结果进行对比分析，可以得出以下结论:

(1)500 kV紧凑型输电线路6×LGJ 400/50、常规型线路4×LGJ 400/50最大表面场强分别为25.2 kV/cm、21.49 kV/cm，有效值分别为17.84 kV/cm、15.20 kV/cm，因此紧凑型输电线路的导线表面场强大于常规型输电线路，电晕损耗也较常规型输电线路大。电晕起始场强分别为20.79 kV/cm、20.48 kV/cm，表明紧凑型输电线路的起始电晕场强大于常规型线路，但差别不是很大。

(2)高海拔500 kV紧凑型、常规型输电线路线下场强分布有限元仿真与实测结果有相同的变化趋势，紧凑型输电线路线下25m最大场强仿真得1.44 kV/m，实际测量为1.53 kV/m，常规型线路线下35m最大场强仿真得2.48 kV/cm，实际测量为2.4 kV/m，误差都小于0.1 kV/cm，表明Ansys有限元分析能有效仿真输电线路线下电场强度。

(3)有限元仿真结果与实测结果都表明，紧凑型输电线路线下电场环境大大优于常规型输电线路。

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