1 000 kV特高压交流线路带毛刺导线的电场分析

潘荣超，徐元超

（国网山东省电力公司检修公司，济南 250118）

1 000 kV特高压交流线路带毛刺导线的电场分析

潘荣超，徐元超

（国网山东省电力公司检修公司，济南 250118）

针对1 000 kV输电线路导线带毛刺时可能导致电晕放电的现象，研究1 000 kV输电线路导线带毛刺时的电场分布。介绍有限元法方程，建立1 000 kV输电线路导线在正常情况下和存在毛刺下的二维有限元数学模型，利用有限元分析软件对八分裂导线进行电场仿真。电场仿真结果表明在分裂导线毛刺部位电场增强，明显超过气隙的击穿场强而产生局部放电。

1 000 kV特高压线路；八分裂导线；毛刺；有限元；电场分布

0 引言

当输电线路导线表面的电场强度超过空气的击穿强度时（当金具表面电场超过电晕起始场强2.0～2.2 kV／mm［1-2］），就会发生电晕放电。电晕放电与导线表面均匀度有关，曲率半径越大，越容易发生电晕放电，因而，新导线的毛刺、断股导线以及其他金属突出物将会成为电晕源点。电晕放电将产生可听噪声、无线电干扰和电晕损失等，是环境保护和电磁兼容技术领域中的重要研究课题［3-4］。

可听噪声、无线电干扰水平和电晕损失与导线表面场强大小密切相关，而且导线表面场强大小与线路电压等级有关。随着电压等级的提高，特别是特高压的迅速发展，可听噪声、无线电干扰水平和电晕损失成为特高压架空线路设计中不得不考虑的问题。为减小特高压架空输电线路的电晕，一般采取增加导线分裂数和采用截面积更大的导线的方法，通常采用八分裂导线［5］。导线表面的电晕与电场强度大小有关［6］，因此，求解1 000 kV特高压交流线路分裂导线带毛刺的电场分布成为主要研究内容。研究电晕放电主要是通过有限元优化分析，或者利用检测手段，主要是紫外检测，或者采用二者相结合的方法［7］。本文采用有限元法研究八分裂导线的电晕放电。

介绍有限元法的控制方程，建立1 000 kV特高压线路八分裂导线的有限元数学模型，利用有限元软件对八分裂导线存在毛刺情况下进行电场仿真，对不带毛刺和带毛刺两种情况下的电场分布对比分析。分析结果表明分裂导线毛刺部位电场出现电场畸变，超过气隙的击穿场强就会产生局部放电，即发生电晕放电。

1 有限元法的控制方程

八分裂导线满足的边值方程

式中：φ为标量电位；Γ1为第一类边界；u0为第一类边界上电位给定值；Γ2为第二类边界［8］。

该方程组可以转化为变分问题，即转化为

式中：J［φ］为电位φ的二次泛函［9］。

利用有限元仿真软件建立八分裂导线二维模型，根据有限元法的计算步骤即可求出分裂导线的电场分布。

2 模型

根据1 000 kV锡盟—山东特高压交流输变电工程设计选取参数，导线采用8×JL1／G1A-630／45钢芯铝绞线，分裂间距为400 mm，如图1所示。通过查表及对实际导线测量［10］，可以知道该分裂导线的外径为33.60 mm。考虑到分析方便，利用ANSYS软件建立1 000 kV线路八分裂导线不带毛刺和带毛刺的二维模型，如图2所示。其中图2（a）为不带毛刺的模型，图2（b）为含有毛刺的模型。

图1 八分裂导线结构

模型建立后，对模型进行参数设置，然后进行网格剖分。网格剖分完毕，设置边界条件，对分裂导线加高电位，即，同时对空气边界加0电位。

设置好边界条件，然后求解，通过后处理就可以得到带电导线的电位分布和电场分布。

图2 八分裂导线的二维模型

3 电场仿真结果与分析

3.1 没有毛刺的导线电场分布

通过对模型图2（a）进行仿真，得到没有毛刺的导线电场分布如图3所示，图4所示为放大后的局部图形。

图3 不带毛刺的导线电场分布

图4 不带毛刺的导线电场分布（放大）

由图3、图4可见，无毛刺的导线电场分布均匀，电场最大值在分裂导线表面，电场最大值为2 327 kV／m，即2.327 kV／mm。根据高压端金具表面电场超过电晕起始场强2.0～2.2 kV／mm，可知在导线没有毛刺时，特高压线路也会发生电晕。

3.2 有毛刺的导线电场分布

通过对模型2（b）仿真，得到含有毛刺的导线电场分布如图5所示，图6所示为放大后的局部图形。

图5 带毛刺的导线电场分布

图6 带毛刺的导线电场分布（放大）

图5、图6可见，分裂导线的电场最大值出现在分裂导线毛刺处，该处电场出现畸变，场强达到2 746 kV／m，即2.746 kV／mm。根据高压端金具表面电场超过电晕起始场强2.0～2.2 kV／mm，可知在导线有毛刺时，特高压线路毛刺处电场大大超过电晕起始场强，电晕放电将更加明显。

3.3 无毛刺导线与有毛刺导线电场分布比较

将有毛刺导线和无毛刺的导线电场分布最大场强进行比较。无毛刺导线最大场强为2.327 kV／mm；有毛刺导线最大场强：2.746 kV／mm。

可知，当导线表面有毛刺时，毛刺处电场会发现畸变，最高场强可提高1.18倍，远超过空气的击穿场强会产生电晕。因此，在线路投运前，应对导线加强验收，防止因毛刺或断股导致电晕放电的发生。

4 结语

特高压线路导线出现毛刺时，会发生电场畸变，超过空气的击穿场强时，会产生电晕。在线路投运前应加强线路的验收，将毛刺应磨平，对断股的导线应及时修复。在雷电过后，应加强线路的巡视，及时发现和修复断股导线。

［1］邓桃，赵志刚，李鹏，等.基于有限元方法的1 000 kV级特高压交流线路耐张串均压环优化设计［J］.中国电力，2007，40（12）. 43-47.

［2］司马文霞，杨庆，孙才新，等.基于有限元和神经网络方法对超高压合成绝缘子均压环结构优化的研究［J］.中国电机工程学报，2005，25（17）：115-120.

［3］刘振亚.特高压电网［M］.北京：中国经济出版社，2005.

［4］张启春，阮江军，喻剑辉.高压架空线下空间场强的数学模型［J］.高电压技术，2000，26（1）：19-21.

［5］赵智大.高电压技术（第二版）［M］.北京：中国电力出版社，2006.

［6］潘荣超，刘念，甘德刚，等.500 kV绝缘子串含零值绝缘子时的电晕放电分析［J］.电测与仪表，2014，51（6）：50-54.

［7］黄道春，阮江军，张宇，等.紧凑型输电线异型分裂导线周围工频电场研究［J］.高电压技术，2006，32（4）：55-57.

［8］潘荣超，刘念，周凯，等.振荡电压波作用下电缆局部放电的仿真分析［J］.电测与仪表，2013，50（8）：10-13.

［9］颜威利，杨庆新，汪友华，等.电气工程电磁场数值分析［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［10］韩崇，吴安官，韩志军.架空输电线路施工实用手册［M］.北京：中国电力出版社，2008.

Electric Field Analysis of 1 000 kV UHV AC Line with Burrs

PAN Rongchao，XU Yuanchao
（State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China）

Aimed at the situation that the 1 000 kV UHV AC line with burrs can lead corona discharge，the electric field distribution of 1 000 kV UHV AC line with burr is studied.The finite element method is introduced，and the two dimensional finite element mathematical model of 1 000 kV UHV AC 8-bundled conductor are built，in which the line with burr and no burr are taken into account.The electric field distribution of the 8-bundled conductor is calculated by using the finite software. Simulation results show that the electric field of the line with burrs，which is more easily to partial discharge，is larger than the line with no burr.

1 000 kV UHV AC line；8-bundled conductor；burr；finite；electric field distribution

TM851

A

1007－9904（2017）02－0043－03

2016-10-22

潘荣超（1987），男，工程师，从事超、特高压输电线路运行与检修工作；

徐元超（1975），男，从事超、特高压输电线路运行与检修工作。