基于风速的不同架构下混压双回直流线路合成电场研究

戚无限 荀道玉 沈忱

摘要：直流输电线路的合成电场在自然环境中易受自然风干扰，因此在多风区域建设直流输电线路需选择合适的杆塔型式以及导线布置方式以减少自然风对合成电场的干扰。鉴于此，基于动态风速，采用Kaptzov假设的有限元解法对不同架构下合成电场的变化趋势和峰值变化进行了研究，选择具有优异抗风性和稳定性的架构方式，减弱直流输电线路的电磁环境影响。

关键词：直流输电线路；合成电场；动态风速；架构方式

中图分类号：TM726.1    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2024）12-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.001

0    引言

特高压直流输电线路均架设于空旷地带，易受外界自然环境的影响，其中自然风是对线路合成电场影响最大的环境因素[1]。直流输电线路合成电场在风速下的变化趋势受线路布置结构、正负极性布置方式以及横风风向等因素所影响。文献[2-3]总结得出在考虑风速影响时，双极性单回线路的地面合成电场和离子流密度会随风向发生偏移，其最大值不出现在导线投影正下方。文献[4]以正负极性放电原理不同和空间电荷的不同密度分布解释了双极性单回线路的变化趋势原因。

目前研究风速对合成电场的影响普遍基于双极性单回直流线路，双极性单回线路结构单一，合成电场在风速的影响下变化趋势单一。暂无文献以塔型架构和正负极性布置方式为基础对风速下的直流线路合成电场进行研究。

为减少对输电走廊的占用，未来建设的直流输电工程主要以双回线路为主，因此线路的塔型结构和极导线布置方式呈多样化。在不同风速影响下，双极性单回线路合成电场的变化规律不再完全适用于双回直流输电线路。因此，以动态风速为影响因素，基于不同塔型架构和正负极性布置方式，研究双回直流输电线路合成电场的变化具有重要的工程意义。

为此，本文采用上流有限元法，以双回高压直流线路常用的“干”式输电杆塔为基础构建线路布置方案，研究其在不同风速下合成电场的变化趋势，并对电磁环境影响进行分析。

1    线路布置方案

±500 kV和±800 kV是现阶段已建成和在建直流输电工程中广泛应用的电压等级，且分别为超高压直流和特高压直流的临界电压等级，研究其基于动态风速的电磁环境具有重要意义。“干”式杆塔是双回直流线路最常用的杆塔型号之一，±500 kV和±800 kV同塔布置的具体杆塔型式以及导线布置方式如图1所示，极导线型号、参数如表1所示。

2    计算方法

文献[5]使用了基于Deutsch假设的电力线解析法，可以将二维模型简化为一维模型求解不同风速下合成电场的变化。由于泊松方程与电荷守恒方程具有强耦合关系，因此采用有限元法对合成电场进行数值计算。本文所用基于Kaptzov假设的有限元解法无须简化线路模型，相比基于Deutsch假设的电力线解析法具有更高的严谨性和科学性。

高压直流输电线路普遍使用Peek公式计算线路起晕场强，其公式如下：

E0=29.8mδ1+              （1）

式中：E0为导线起晕场强；m为导线粗糙系数（一般取0.47～0.6）；δ为空气相对密度；req为分裂导线等效半径。

直流输电线路的合成电场和离子流场可由麦克斯韦方程组表示：

？荦Es=             （2）

J=μρEs    （3）

？荦J=0            （4）

式中：Es为合成电场；ρ为离子电荷密度；ε0为介电常数；J为离子流密度；μ为离子迁移率。

文中采用Kaptzov假设计算离子流密度，需自行初定导线表面电荷密度ρ0，其表达式如下：

ρ0= （5）

式中：U为导线运行电压；U0为起晕电压；Eg为地面最大标称场强；h为导线高度。

判断是否满足Kaptzov假设以及空间电荷密度是否收敛的判断公式为：

＜0.05    （6）

＜0.1  （7）

式中：ρs（n）为第n次迭代的导线表面电荷密度；Emax为导线表面最大电场强度。

直流线路表面电荷密度迭代方程为：

ρs（n）=ρs（n-1）1+4            （8）

本文采用COMSOL软件进行建模仿真，由于杆塔及周围树木会使合成电场在其表面发生畸变，但畸变电场分布不是文章研究的重点，因此假设直流输电线路不受杆塔影响并将其转化为二维模型考虑。本文在COMSOL中以静电模块和稀物质传递模块构建耦合物理场对风速下的合成电场进行求解，在耦合物理场中设定横向匀速风，分别沿X轴正负方向定风速w。基于有限元法求解风速影响下合成电场的流程如图2所示。

3    合成电场变化趋势分析

根据有限元理论，基于COMSOL静电模块和稀物质传递模块，增添沿X轴正负方向定风速w为0、1、3、5、7、9 m/s，定义左风指向X轴正半轴，右风指向X轴负半轴。双回直流输电线路合成电场在风速下的变化趋势如下所示。

3.1    风速对塔型1架构下导线合成电场的影响分析

塔型1架构下双回直流输电线路由于极导线布置方式的不同，合成电场的变化趋势在不同风向影响下发生了改变。1A布置（+-/-+）下极导线在风速为1～9 m/s，风向为左右风向的影响下，近风侧合成电场随风速增大呈现先增大后减小的趋势，远风侧合成电场呈现减小趋势。基于1A布置的输电线路合成电场分布图如图3所示。

1B布置（--/++）下极导线在风速为1～9 m/s，方向为左右横风影响下，近风侧合成电场随风速增大呈现减小趋势，远风侧合成电场呈现增大趋势。合成电场变化趋势如图4所示。

3.2    风速对塔型2架构下导线合成电场的影响分析

2A布置（+-/-+）下线路合成电场在右风速为1～9 m/s影响下，近风侧合成电场呈减小趋势，远风侧合成电场呈现增大趋势。但增加最大风速至11 m/s后，其远风侧合成电场在风速达10 m/s后呈减小趋势。这是正负极导线电晕后产生离子的原理不同所造成的，负极性导线电晕产生排斥状态的负离子，低风速会加剧负极性导线的电晕效应并减缓下降趋势。2A布置（+-/-+）下线路合成电场变化如图5所示。

在1～9 m/s的左风影响下，2A布置（+-/-+）下合成电场变化趋势与1A布置（+-/-+）相反，近风侧合成电场呈现减小趋势，远风侧合成电场随风速增大呈现先增大后减小的趋势。

2B布置（--/++）下线路合成电场在1～9 m/s右风和左风的分布影响下，近风侧合成电场呈减小趋势，远风侧合成电场呈现增大趋势。不同风向下合成电场变化趋势如图6所示。

3.3    仿真结果分析

基于塔型1架构和塔型2架构，在左右横风作用下不同导线布置方式下合成电场的变化趋势总结如表2所示。

由表2可见，1A布置（+-/-+）与1B布置（--/++）的塔型结构相同，但由于同侧导线极性的改变，两者合成电场在左右风速影响下的变化呈相反趋势。与此同时，1A布置（+-/-+）与2A布置（+-/-+）下同侧极导线极性相同，但由于塔型架构发生改变，前者近风侧合成电场在左右风速影响下先增大后减小，后者远风侧合成电场在左右风速影响下先增大后减少。两者合成电场在左右风速影响下的变化趋势相反。由此可见，对于双回直流输电线路，塔型结构与同侧极性不是作为单一性因素影响合成电场在风速下的变化趋势。塔型结构与同侧极性共同作用下的空间离子状态分布是影响双回直流线路合成电场在风速下变化趋势的关键因素。

1A布置（+-/-+）与2A布置（+-/-+）的合成电场在变化趋势上虽然有一侧为先增大后减小，但合成电场近风侧与远风侧的变化趋势从整体上来看是呈现减少趋势的。

3.4    合成电场峰值动态变化

根据GB 50790—2013《±800 kV直流架空输电线路设计规范》中对非居民区的电磁环境限值的规定，直流输电线路合成电场的峰值是评估的重要指标[6]。基于横风0～11 m/s的动态干扰，不同布置方式下合成电场峰值变化如表3所示。

由表3可知，1A布置（+-/-+）下的合成电场的最大峰值最小，为31.8 kV·m-1。在峰值变化率方面，1A布置（+-/-+）下合成电场的峰值变化率最低，表明1A布置（+-/-+）下直流输电线路合成电场峰值受风速影响较小。

4    结论

本文基于动态风速对不同架构下地面合成电场的变化趋势以及峰值进行研究，通过对比不同布置方式下合成电场变化趋势、原始峰值、最大峰值以及峰值变化率，评估出1A布置（+-/-+）的极导线布置方式和杆塔型式具有优异的抗风性和稳定性，可为多风区域的双回混压直流输电工程提供技术方案参考。

[参考文献]

[1] 刘鲲鹏，陈黎明，刘永聪，等.湿度风速对直流合成电场和离子流密度的影响[J].水电能源科学，2019，37（11）：193-197.

[2] 汪沨，李敏，吕建红，等.风速对特高压直流输电线路离子流场分布的影响[J].高电压技术，2016，42（9）：2897-2901.

[3] 蔡泓威，杜志叶，修连成，等.高海拔高风速情况下特高压直流输电线路离子流场计算与测量研究[J].电工电能新技术，2023，42（8）：32-40.

[4] 方欣.高压直流输电线路离子流场分布特性及其影响因素分析[D].吉林：东北电力大学，2020.

[5] 李凌燕，杜志叶，阮江军，等.±800 kV/±500 kV混压双回直流线路的电磁环境分析及改善研究[J].高压电器，2016，52（9）：26-33.

[6] 朱滢，吴剑，郁丹炯，等.±800 kV特高压直流工程线路周围电磁环境影响分析[J].绿色科技，2021，23（18）：158-160.

收稿日期：2024-03-04

作者简介：戚无限（2000—），男，江苏人，硕士研究生，研究方向：直流输电线路电磁环境。