500kV超高压输电线路铁塔附近电场仿真分析.pdf

通馋电潦技术 2 0 1 7 年1 月2 5 日第3 4 卷第1 期 T e l e c o mP o w e rT e c h n o l o g yJ a n2 5 ，2 0 1 7 ，Y 里! ：兰兰蔓旦：! d o i ：1 0 1 9 3 9 9 j c n k i t p t 2 0 1 7 0 1 0 2 2 5 0 0k V 超高压输电线路铁塔附近电场仿真分析 糍： 张龙t ，张阳2 ，孙江东3 ( 1 三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌4 4 3 0 0 2 ；2 三峡水力发电厂，湖北宜昌4 4 3 0 0 2 ； 3 宜都市供电公司，湖北宜都4 4 3 0 0 0 ) 摘要：随着超高压输电线路的建设，其带来的电磁环境问题越来越严峻。文章基于静电场有限元法，计算并分析了 5 0 0k v 超高压输电线路铁塔附近电场。研究结果不仅表明了超高压输电线路铁塔附近的电场分布特点，而且能够为超 高压输电线路铁塔的结构设计、超高压线路带电作业的电场分布情况等提供参考。 关键词：5 0 0k V 超高压输电线路；电场分布；有限元法 S i m u l a t i o na n dA n a l y s i so fE l e c t r i cF i e l dN e a rt h eT o w e ro f5 0 0k VE H VT r a n s m i s s i o nL i n e z H A N GL o n 9 1 ，z H A N GY a n 酽，s u NJ i a n 旷d o n 矿 ( 1 C 0 1 l e g eo fE 1 e c t r i c a lE n g i n e e r i n g & N e wE n e r g y ，C h i n aT h r e eG o r g e sU n i v e r s i t y ，Y i c h a n g4 4 3 0 0 2 ，C h i m ； 2 T h r e eG o r g e sH y d r o p o w e rP l a n t ，Y i c h a n g4 4 3 0 0 2 ，C h i n a ；3 Y i d uP o w e rS u p p l y ( 乃m p a n y ，Y i d u4 3 3 0 0 0 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：W i t ht h ec o n s t r u c t i o no ft h eE H Vt r a n s m i s s i o nl i n e ，t h ee l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o m e n tp r o b l e mi sb e c o m i n g m o r ea n dm o r es e r i o u s 1 3 a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o do fe l e c t r o s t a t i c “e l d ，t h i sp a p e rc a l c u l a t e sa n da n a l y z e st h ee l e c t r i cf i e l dn e a rt h et o w e ro f5 0 0k Vu l t r ah i g hv 0 1 t a g et r a n s r n i s s i o nl i n e R e s e a r c hr e s u l t sn o to n l yc a ni n d i c a t et h ee l e c t r i c f i e I dd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c sn e a rt h eE H Vt r a n s m i s s i o nl i n et o w e r ，b u ta I s od o e si tp r o v i d er e f e r e n c ef o rs t r u c t u r ed e s i g no fh i g h 、，0 1 t a g et r a n s m i s s i o n1 i n et o w e r s ，t h ee l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o no fE H Vt r a n s m i s s i o n1 i n el i v ew o r k i n g K e y 、v o r d s ：5 0 0k Vu l t r ah i g hv o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n e ；e l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o n ；t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d 近年来，电磁环境的好坏已经成为衡量环境质量 的一个重要指标，国际上关于超高压输电线路周围工 频电磁场对环境影响的讨论热烈 1 引。本文基于静电 场有限元法，计算并分析5 0 0k V 超高压输电线路铁 塔附近的电场分布情况，特别是三相导线周围、绝缘子 串表面、铁塔下方地面附近等电场分布J 隋况。 1基于有限元法的空间电场数值计算原理 交流输电线路产生的电场可以近似为静电 场 4 引。在静电场中，一般取电位中为直接求解对象， 在各向同性、线形、均匀介质中，电位Q 满足拉普拉斯 程6 | ： V 2 垆一0 ( 1 ) 式中，P 表示电位。 在电磁场领域里，定解条件一般分为四种类型： ( 1 ) 给定整个场域边界上的电位值，称为第一类边 值问题； ( 2 ) 给定整个场域边界电位法向导数值，称为第二 类边值问题； ( 3 ) 给定整个场域边界上的电位值和其法向导数 线性组合，称为第三类边值问题； ( 4 ) 混合类边界问题，即在整个场域的部分边界上 给定电位值，而在其余部分给定电位的法向导数值。 由电磁场理论可知，各类电磁场的定解问题是由 对应的电磁场方程组和定解条件组成的 7 8 | 。若用有 限元法求解，则首先需要确定与定解问题等价的泛函 问题及变分问题。由于在电磁场方程中，拉普拉斯方 收稿日期：2 0 1 6 1 0 一1 3 作者简介：张龙( 1 9 8 9 一) ，男，湖北汉川人，硕士研究生，主要 研究方向为输电线路绝缘子泄漏电流在线监测。 程为泊松方程的一种特例，现以齐次第一类边界条件 的泊松场来说明泛函的极值问题 引。在泊松方程中， 泛定方程为： V 2 垆一厂( 一号) ( 2 ) 式中，S 为定义域的闭合边界面。当垆的定义域为体 积V 时，定解条件：9 I 。= o 。 可以证明：齐次边界条件的拉普拉斯算子为自伴 随算子，即： V 2 P ，奶一 妒，V 2 奶 ( 3 ) 式中，舻和缈是在定义域内的两个任意函数，同时可 以证明： 矿 ( 4 ) 式中，) ，为常数且大于零，具有上述性质的算子称为正 定算子，如果定解问题的算子为正定算子，则该泛定方 程必与下列变分问题等价，且有唯一解。 F ( 驴) 一 一 一极值 ( 5 ) 上式整理后可得： F ( ) 一一专Jv 坳V2 P 一专J v 仰V2 妒d V m i n ( 6 ) 在电磁场计算中，极值都是指最小值，式中的积分 项称为与泊松方程对应的泛函。式中V 表示场域，对 于上式通过积分变换可得： F ( 秽一丢j v P V 2 9 d V 一丢。坳舅一丢v 仰d V ( 7 ) 式中，S 为包围V 的闭合曲面。 对于齐次第一类边界条件和齐次第二类边界条 件，上式可简化为： 万方数据 匝镌电潦强术张龙，等：5 0 0k v 超高压输电线路 T e l 。o mP o w 。T 。h n 0 1 0 9 y 2 0 1 7 年1 月2 5 日第3 4 卷第1 期 铁塔附近电场仿真分析 J a n2 5 ，2 0 1 7 ，V _ 0 1 3 4N o 1 F ( 垆) 一专Jv y V 2 垆Id V 一专J v 仰d V ( 8 ) 由此可见，上式对应第一类边界条件和第一类边 界条件的泊松场，相应条件的变分问题为： F ( 9 ) 一Js ( 恶) 2 + ( 雾) 2 一2 胛) 如曲一m i n ( 9 ) 妒ls 一 ( z ，y ) ( 1 0 ) 式中，1 0 表示单位面积电荷。 在交流电压作用下，输电线路铁塔附近的电位分 布应该满足拉普拉斯方程，其边界条件属于第一类边 值问题。假如整个计算场域划分成m 个单元，单元8 中任意一点的电位用单元各定点处电位的函数来表示 为： P 一她9 i ( 1 1 ) 式中，表示剖分单元顶点数；仇表示单元中各个顶 点的电位值；旭称为单元形状函数。在整个场域内变 分问题方程可以近似表示为： ，P F ( 矽刳。舡( 芝( 蚤她伫) ) 2 + ( 菱( 蚤赠弘) ) 2 d S ( 1 2 ) 积分运算的结果F ( 够) 实际是整个场域内所有定 点处电位翰从节点1 直到节点总数m 的函数，利用变 分原理，令F ( 9 ) 对仇的导数为零，可以得到一个方程 组： 阻 刃一o ( 1 3 ) 其中系数矩阵 愚 又称刚度矩阵，再利用边界条件 就可以解出各节点的电位吼，然后由电位求电场强 度、电荷密度、电流等其他电场物理量 9 1 0 | 。 25 0 0k V 超高压输电线路铁塔周围电场算例 分析 2 1 三维实体模型 ( 1 ) 参照国家电网公司输变电工程铁塔设计文献， 选取仿真计算的5 0 0k V 超高压输电线路铁塔为5 A - Z B l 型酒杯塔，塔全高4 7 5m ，跟开76 6 4m m ，横担 宽2 11 6 0m m 。 ( 2 ) 参照角钢标准选取与塔型相符合的角钢尺寸， 本文选取长度为2 0 0m m ，宽度为1 6m m 的直角角钢。 ( 3 ) 根据5 0 0k V 操作过电压及雷电过电压要求， 悬垂绝缘子串的最少片数为2 5 片，对于全高超过4 0 m 有地线的杆塔，高度每增加1 0m ，应增加一个绝缘 子，本铁塔的全高为4 7 5m ，所以选择绝缘子的片数 为2 6 片。绝缘子的要求高度为1 5 5m m ，查询绝缘子 的型号为X W P 一1 6 0 ，公称盘径3 0 0m m ，爬电距离4 0 0 ( 4 ) 查询资料，铁塔的型号5 A - Z B l 对于导线的选 取是采用的三分裂导线，根据架空输电线路设计导 线选取L G J 一4 0 0 3 5 ，单根导线的外径为2 6 8 2m m 。 三维图形编辑的是导线等效半径图，这里查询资料得 到分裂导线每根单导线之间的距离取4 0 0 5 0 0m m ， 这里选取4 5 0m m 作为计算值。导线的等效半径 = 1 3 9 5 1m m 。 绘制的5 0 0k V 超高压输电线路铁塔三维模型如 图1 所示，模型各部分所选取的材料如表1 所示。 2 0 m4 0 图15 0 0k V 超高压输电线路铁塔三维模型 表1 材料属性定义 2 2 计算结果分析 ( 1 ) 铁塔横向中心面( 垂直于导线) 场强分布 如图2 所示，距离导线越近电场强度越大，距离导 线越远电场强度越小，当距离导线一定距离后其电场 强度基本可视为0 。从图2 可看出，a 相导线周围电场 强度云图要比b 、c 相导线周围电场云图大得多，这是 因为在a 相导线加载的电压绝对值高，同时a 相导线 表面电场强度要比b 、c 两相高也是这个原因。 图2 铁塔横向中心面电场强度分布 ( 2 ) 铁塔横向中心面( 垂直于导线) 电势分布 铁塔横向中心面的电势分布如图3 所示，很明显 a 相附近电势为正，b 、c 两相上的电势为负，铁塔对应 的是零电势，a 相导线上对应电势最高点向外逐渐降 低，b 、c 两相对应电势最低点向外逐渐增加，中间有过 度的零电势。观察图3 可知铁塔对电势分布有所影 响，原因是铁塔是零电位。 ( 3 ) 绝缘子串表面场强分布 如图4 所示，可知绝缘子串中间部分的电场强度 极小，而导线端绝缘子上的电场强度最大，其次是铁塔 端绝缘子，这就是为什么在导线端绝缘子上要加载均 压环的原因。 万方数据 违德电潦技术 2 0 1 7 年1 月2 5 日第3 4 卷第1 期 T e l e c o mP o w e r T e c h n 0 1 0 9 yJ a n2 5 ，2 0 1 7 ，、尘! ：兰兰塑旦：! v o l n dv 】 雕嚣 麟懑 囊餍 滔羹雾皆醢案辫 女 萝 图3 铁塔横向中心面电势分布 图4 绝缘子串场强分布 ( 4 ) 地面附近场强分布( 以位于铁塔横向中心且距 地1 5 m 处直线为例) 如图5 所示，地面附近电场强度随着与铁塔横向 中心距离变化呈“W ”形波动；地面附近最大电场强度 低于0 3 5k V m ，而国家对1 5m 高度的电场强度限 值为4k V m ，因此其结果满足要求。 图5 位于铁塔横向中心且距地1 5m 处直线电场强度 3 结论 本文基于静电场有限元法，采用A n s o f t 软件仿真 计算了5 0 0k V 超高压输电线路铁塔附近电场，并分 析了其电场强度情况。仿真计算结果可以为超高压输 电线路铁塔结构的优化设计、带电作业电场分布特点 等提供依据。 参考文献： 1 刘振亚特高压电网 M 北京：中国经济出版社，2 0 0 6 ： 2 8 2 刘华麟，汪泉弟，俞集辉，等5 0 0k V 超高压输电线下方 电磁环境测量与分析 J 重庆大学学报，2 0 0 6 ，2 9 ( 5 ) ： 2 8 3 1 3 许杨，张小青，杨大晟高压输电线路工频电磁环境 刀电力学报，2 0 0 7 ，2 2 ( 1 ) ：9 1 4 4 罗杨超高压输电线下建筑物邻近区域三维工频电场 仿真计算 D 重庆：重庆大学，2 0 1 2 ：2 3 2 7 5 倪光正，杨仕友，钱秀英，等工程电磁场数值计算 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 4 ：7 8 8 1 6 赵博，张洪亮A n s o f t l 2 在工程电磁场中的应用 M 北京：中国水利水电出版社，2 0 1 3 ：2 2 1 2 2 2 7 霍锋，谷莉莉，陈勇，等7 5 0 k V 绝缘子串电位分布 仿真及试验研究 J 高压电器，2 0 1 0 ，4 6 ( 3 ) ：4 9 5 2 8 张波，崔翔，卢铁兵，等超高压输电线路铁塔附近 三维电场的数值计算口 电网技术，2 0 0 3 ，2 7 ( 7 ) ：5 8 9 杨宏，胡艳5 0 0 k V 超高压输电线路的工频电场分 析口 计算机技术与自动化，2 0 1 1 ，3 0 ( 2 ) ：5 9 6 3 1 0 蒋虹，焦景慧，林志和，等超高压线路降低电场强度 对策研究 J 1 高电压技术，2 0 0 6 ，3 2 ( 8 ) ：5 6 5 8 - l l ，- l l l ， ，) ， ，l ，I