特高压直流线路地面合成场强的计算

特高压直流线路地面合成场强的计算陈鹏;张毅【摘要】准东一华东±1100kV特高压直流线路为世界第一条±1100kV直流线路，确定合理的对地距离对线路具有重大意义.本文研究的“双极导线一大地”的计算模型边界条件简单、几何外形规则，借鉴数学物理方程求解思路，采用MATLAB编制有限差分法计算程序，分析了气候及海拔对地面合成场强影响，确定导线对地距离的决定因素，提出了不同地区的对地距离取值，为工程设计提供参考.【期刊名称】《山东电力技术》【年(卷)，期】2018(045)002【总页数】4页(P18-21)【关键词】±1100kV;有限差分法;地面合成场强;对地距离【作者】陈鹏;张毅【作者单位】山东电力工程咨询院有限公司仙东济南250013;山东电力工程咨询院有限公司仙东济南250013【正文语种】中文【中图分类】TM937.1;TM7230引言直流线路下方的合成场强，是影响场强效应的危害程度的主要因素［1］。在工程设计时，输电线路需满足国家规定的生态环保要求，国家标准GB50790-2013《±800kV直流架空输电线路设计规范》对地面合成场强和离子流密度的限值进行了规定［2］:—般非居民区的合成场强不应超过30kV/m,离子流密度不应超过100nA/m2;居民区地面合成场强不应25kV/m,离子流密度不应超过80nA/m2。到目前为止，准东一华东±1100kV特高压直流输电线路，是电压等级最高、输送容量最大、输送距离最长的特高压直流输电线路工程。与±500kV、±800kV相比，±1100kV直流线路工程面临更为复杂的技术条件。特高压输电线路引起的电场效应主要有合成场强、离子流密度。为使线路满足环保性的要求，需通过对直流线路离子流场的计算，确定适当的导线对地跨越距离，有效提高线路的生态环保、运行安全以及经济合理性［3］。目前计算线路离子流场（即计算合成场强和离子流密度），通常采用解析计算和数值计算两种方法。解析计算法为简化计算，采用Deutsch假设，即：假设空间电荷只影响场强的大小而不影响其方向，且正、负极导线的起晕场强相同，正负离子迁移率相等。而数值计算法通常无需Deutsch假设，更加复合实际情况。通过对两种计算方法进行的深入研究，国内夕卜专家学者提出了易于详细的计算步骤。随着计算机技术的发展，有限元分析也广泛应用于合成场强的计算［4-9］。相对本文的研究内容来说，解析法过于简化，其精度无法满足要求；而有限元法计算步骤复杂，常因电荷密度初值赋值不合适、〃上流元”的判断不准确等问题导致难以收敛［10］。根据计算模型的特点借鉴数学物理方程求解思路，采用MATLAB计算差分方程，通过计算±1100kV特高压直流线路的地面合成场强和离子流密度,确定导线对地距离。1地面合成场强计算1.1计算公式描述正负双极性同塔直流线路电场的基本方程为［2］式中：Es为空间电荷存在时地面合成场强；U为施加在导线上的对地电压；p+、p-分别为空间正、负电荷密度；J+、J-分别为空间正、负离子电流密度；£为真空介电常数；K+、K-分别为正、负平均离子迁移率；日为正、负离子的复合系数。边界条件为：在导线表面中s=±U，Ws/dl=Es,p=ps；在人工边界中s=中；在地面中s=0。1.2计算过程图1计算模型计算模型如图1所示。把电场线离散为N个点，即把电场线离散为N-1个弧段，只要N足够大，弧段可视为直线段，以线段代弧段、以差商代替微分，借助前向差分公式，将微分方程组转为差分方程组。1.3计算结果验证为验证计算结果的正确性，本文分别利用解析法和有限差分法进行计算，计算时采用的极间距离、对地距离、海拔高度及导线粗糙系数等参数，计算结果对比如图2所示。图2计算结果比较由图2可知，两种方法计算结果基本一致，解析法计算的地面合成场强最大值略大于数值法1.1kV/m,这主要是由于解析法假设的线路下方空间正、负电荷密度相同、空间电荷只影响场强大小不影响场强方向等原因致使计算结果偏小。2对地面合成场强的影响因素分析根据准东一华东±1100kV的实际参数，计算的基本参数为：额定电压±1100kV，系统最高运行电压±1122kV，系统输送功率12000MW，操作过电压倍数1.6pu，导线为8分裂儿/G3A-1250/70。在正、负极导线极间距离、导线分裂半径等参数确定的前提下，从起晕的Peek公式及合成场强求解的公式出发，重点研究导线对地距离、晴雨天及海拔高度对地面合成场强的影响。2.1导线对地距离对地面合成场强影响电场线从正、负极导线发出，终止于地面。导线对地距离的增加，到达地面的电场线越加发散，地面合成场强必然减小［11］。在海拔1000m,晴天时计算了地面合成场强，如图3所示。由图3可知，导线对地面合成场强的影响明显，导线高度每增加1m，地面合成场强减小约6%。图3导线对地距离对合成场强的影响2.2雨天对地面合成场强影响与晴好天气不同，雨天时首先水滴附着在导线的表面，其次雨天使空间的湿度大大增加。从本文研究的对象来看，雨天的影响主要有：雨天使空气湿度增加，空气湿度接近甚至达到饱和，改变了离子迁移率；雨滴改变导线表面状态，降低导线起晕场强；雨滴使空间局部电场发生畸变，进一步影响空间场强。根据国内夕卜学者的理论研究和工程设计经验［12］，晴、雨天气时，导线粗糙系数分别可取为0.44、0.38。在海拔1000m,分别计算不同对地距离下、晴雨天时的地面合成场强，如图4所示。图4晴天雨天对地面合成场强的影响由图4可知，晴雨天气对地面合成场强的影响明显，雨天时地面合成场强比晴天时增大约36.4%。2.3海拔对地面合成场强的影响根据《建筑结构荷载规范》，空气密度可根据所在地的海拔高度按式(3)近似估算。式中：h为海拔高度。将海拔0m的空气密度设为1，海拔高度h与海拔0m的空气密度的比值称为相对空气密度。不同海拔下的空气密度不同，致使导线起晕场强不同。分别计算1000m、2000m及3000m海拔下的空气密度和起晕场强，如表1所示，并计算了对地距离25m，晴天时各海拔下的地面合成场强，如图5所示。表1起晕场强计算海拔/m相对空气密度起晕场强/(kV-m-1)16.0910000.908520000.824014.7230000.745013.43图5海拔高度对地面合成场强的影响由图5可知，海拔对地面合成场强影响明显，海拔每增加1000m,地面合成场强增加约12%。3地面合成场强计算与对地距离取值因导线对地距离、晴雨天气及海拔高度对地面合成场强的影响非常明显，本文综合考虑以上因素，计算了±1100kV直流线路的电场效应特性，计算结果如表2所示。按照〃一般非居民区的合成场强不应超过30kV/m，离子流密度不应超过100nA/m2;居民区地面合成场强不应25kV/m,离子流密度不应超过80nA/m2”的要求，由表2可知，雨天时地面合成场强是对地距离取值的决定因素。根据合成电场及地面离子流密度的限值［12］要求，通过细化计算，制定了不同地区的对地距离，如表3所示。表2±1100kV直流线路电场效应计算海拔/m对地距离/m地面合成场强/(kV-m-1)晴天31.96地面离子流密度/(nA-m-2)晴天雨天21.5雨天107.2322.030.8623.028.8138.7639.1484.2141.2146.5698.7424.027.0036.5733.1472.2724.526.1535.5530.5767.08100025.025.3534.5728.2462.3426.023.8532.7324.1954.0427.022.5031.0720.8447.0627.521.8630.2819.3944.0228.021.2529.5218.0641.2222.533.9642.5260.94105.3023.032.8841.2756.1497.4525.029.1236.9041.0572.4325.528.2835.9138.0967.46200026.027.4834.9835.3862.9027.026.0133.2330.6554.8828.024.6431.6126.7148.1529.023.4030.1423.3842.4029.522.8229.4421.9039.8423.535.2942.2866.48107.7524.034.2741.1261.9094.4926.030.6036.9646.0971.1426.529.7936.0366.4527.029.0135.1440.0765.16300028.027.5333.4635.0354.6129.026.2031.9830.7548.1430.024.9630.4927.0942.5930.524.3729.8125.4640.1231.023.8129.1724.9637.84表3±1100kV特高压直流输电线路对地距离m海拔居民区非居民区(农业耕作区)23.0100027.624.2026.2200029.025.4300026.530.34结语导线对地距离、晴天雨天及海拔对地面合成场强的影响很明显。导线高度每增加1m，地面合成场强减小约6%，雨天时地面合成场强比晴天时增大约36.4%，海拔每增加1000m,地面合成场强增加约12%。经计算，雨天时地面合成场强是对地距离取值的决定因素。根据合成电场及地面离子流密度的限值要求，制定了不同地区的对地距离。在海拔1000m、2000m及3000m时，居民区的对地距离分别为27.6m、29.0m及30.3m，非居民区的对地距离分别为24.2m、25.4m及26.5m。参考文献【相关文献】[1]黄道春，魏远航，钟连宏，等.我国发展特高压直流输电中一些问题的探讨[J].电网技术,2007,31(8):6-12.[2]国家标准化管理委员会.中国电力企业联合会.800kV直流架空输电线路设计规范：GB50790—2013[S].北京：中国计划出版社，2013.[3]赵畹君，谢国恩，曾南超，等.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2011.[4]柏晓路，李健，陈媛，等.±1100kV特高压直流输电线路电磁环境研究[J].中国电力，2014,47(10):24-29.杨勇，鞠勇，陆家榆，等.极导线垂直和水平排列±500kV直流输电线路的电磁环境比较分析[J].电网技术，2008,32(6):71-75.田冀焕，邹军，刘杰，等.高压直流双回输电线路合成电场与离子流的计算[J].电网技术,2008,32(2)：61-65,70.牛林.特高压交流输电线路电磁环境参数预测研究[D].济南：山东大学，2008.[8]吴桂芳，余军，郭贤珊，等.±800kV直流和1000kV交流线路同走廊时的最小接近距离研究[J].中国电力，2007,40(12)：22-26.[