高壓直流輸電線路電磁環(huán)境預(yù)測方法的研究

0地下流密度及地面合成場強的限制在設(shè)計、施工和運營永通電路時，應(yīng)考慮永通電路對磁體環(huán)境的影響，而永通電路的最小爐效應(yīng)，即地下垂直線的強度和離子電流密度，是影響磁體環(huán)境的重要因素。高壓直流(highvoltagedirectcurrent,HVDC)輸電線下的電場效應(yīng)與交流輸電線下的電場效應(yīng)有很大不同,因此不能用同一標(biāo)準(zhǔn)來衡量二者對電磁環(huán)境的影響。各國對于直流輸電線下地面合成電場和離子電流密度的限值并沒有統(tǒng)一的規(guī)定。我國出版的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)——高壓直流架空送電線路技術(shù)導(dǎo)則于2006年6月1日開始實施。文獻(xiàn)中規(guī)定,直流線路下地面最大合成場強不應(yīng)超過30kV/m,最大離子電流密度不應(yīng)超過100nA/m2。因此選擇合適的線路結(jié)構(gòu),將線路周圍的電場效應(yīng)控制在限值之內(nèi),是設(shè)計直流輸電線路時需要考慮的問題。預(yù)測和評估線下地面合成場強和離子電流是設(shè)計直流線路的前期研究工作之一。多年來,為找到一種既簡便、又較為準(zhǔn)確地預(yù)測地面電場的方法,國內(nèi)外科研工作者作了大量有效的工作。20世紀(jì)60年代以來,相關(guān)專家和學(xué)者提出了一些能夠應(yīng)用于實際的地面合成場強和離子電流的計算方法[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17],其中工程中常用的是在Deustch假設(shè)情況下的一維計算方法,但是這種方法的應(yīng)用條件較理想,不能考慮風(fēng)速的影響。本文采用上流有限元法(upstreamfiniteelementmethod,UFEM)計算HVDC輸電線路下的合成電場和離子流密度,認(rèn)為導(dǎo)線起暈后表面場強保持不變(Kaptzov假設(shè)),并用開發(fā)的計算軟件分析影響合成電場的因素,同軸圓柱結(jié)構(gòu)的解析解和實驗線路測量數(shù)據(jù)的比較結(jié)果驗證了該計算方法的有效性。1ufm用于求解合成能耗和離子流密度1.1正負(fù)離子流密度的計算采用相關(guān)假設(shè)后,HVDC輸電線路離子流場可由以下方程描述:式中:?為空間任一點的電位;Es為合成場強;J+和J-分別為正負(fù)離子流密度;ρ+和ρ-分別為正負(fù)空間電荷密度;K+和K-分別是正負(fù)離子遷移率;R為離子的復(fù)合系數(shù);w為風(fēng)速矢量;ε0為真空介電常數(shù);e是基本電子電量。導(dǎo)線表面的邊界條件為式中:U為導(dǎo)線運行電壓;E0+和E0-分別為正負(fù)極起暈場強。地面的邊界條件為?=0。設(shè)置的人工邊界條件為?=Unominal,其中Unominal為標(biāo)稱場電位。1.2導(dǎo)電表面電荷密度的修正上述方程中電位和電荷密度相互耦合,因此應(yīng)采用迭代法求解。假定空間各點的電荷密度為某一初值,采用有限元法由泊松方程計算出各點的電位和場強,根據(jù)各點場強,由電流連續(xù)性方程利用上流有限元法計算各點的空間電荷密度,再根據(jù)新的空間電荷密度分布求各點新的電位和場強,直到所有空間各點電荷密度和場強的計算結(jié)果在一定誤差范圍內(nèi)同時滿足原微分方程和邊界條件為止,此時的計算結(jié)果即為所求數(shù)值解。計算結(jié)束的判據(jù)為式中:Emax為導(dǎo)體表面最大場強;ρn-1(i)和ρn(i)分別為第i個節(jié)點第n-1次和第n次迭代求出的電荷密度;N為節(jié)點總數(shù);δE和δρ分別為導(dǎo)體表面場強和節(jié)點電荷密度的相對誤差,一般δE<1%,δρ<0.5%。當(dāng)空間各點電荷密度和場強的計算結(jié)果不滿足上述判據(jù)時,對導(dǎo)體表面的電荷密度進(jìn)行修正,即式中:ρn-1(i)和ρn(i)分別為第n-1次和第n次迭代時導(dǎo)體表面的空間電荷密度;修正因子μ>0。計算合成電場的流程如圖1所示?；谠摿鞒?本文編寫了相應(yīng)的分析預(yù)測軟件。2同軸區(qū)域強、荷密度高的測量為驗證上述計算方法和軟件的正確性和有效性,本文分別對同軸圓柱和雙極試驗線路進(jìn)行了計算,并將計算結(jié)果與相應(yīng)的解析解或測量值進(jìn)行對比。(1)同軸圓柱模型。同軸圓柱結(jié)構(gòu)是具有合成電場和電荷密度分布解析解的計算模型,設(shè)同軸圓柱的內(nèi)、外半徑分別為0.05和1m,內(nèi)極電壓為+700kV,外極接地。同軸圓柱合成場強和電荷密度的計算結(jié)果及其與解析解的比較情況如圖2所示。(2)雙極試驗線路。美國達(dá)拉斯超高壓直流試驗中心曾對雙極試驗線路進(jìn)行了測量,其線路參數(shù)如下:2分裂導(dǎo)線,子導(dǎo)線半徑為2.289cm,分裂間距為45.72cm,極間距為12.2m。采用上述線路參數(shù),為比較本文的計算結(jié)果與測量最大值,計算時取壞天氣起暈場強為14kV/cm(相當(dāng)于導(dǎo)線粗糙系數(shù)m=0.4),正極遷移率K+=1.5×10-4m2/(V·s),負(fù)極遷移率K-=1.7×10-4m2/(V·s)。不同線路結(jié)構(gòu)的計算值與測量值的比較結(jié)果見表1。表中:U為電壓;h為高度。3影響地面電場效應(yīng)的因素本文以一條雙極線路為例進(jìn)行分析。線路采用6分裂,子導(dǎo)線半徑為1.538cm,分裂間距為0.45m,極間距為22m,高度為18m,K+=1.5×10-4m2/(V·s),K-=1.7×10-4m2/(V·s)。(1)導(dǎo)線高度對電場效應(yīng)的影響。導(dǎo)線架設(shè)高度不同,地面合成場強和離子流密度也隨之不同。導(dǎo)線高度變化時的地面合成電場和離子流密度最大值見圖3。在該算例中,當(dāng)導(dǎo)線從16m增高到22m時,地面電場效應(yīng)明顯改善。從圖3可以看到,線下場強和離子流密度最大值幾乎隨高度增加成比例下降。(2)極間距變化對電場效應(yīng)的影響。極間距變化時的地面電場強度和離子流密度分布見圖4,其中D為極間距。當(dāng)極間距從23m減小到19m時,極間距對離子流場的影響不是很明顯,離子流密度增大,而場強最大值稍有增加。其原因可能是,極間距減小,標(biāo)稱場強降低,但另一方面,正負(fù)導(dǎo)線表面放電現(xiàn)象更加嚴(yán)重,兩極中間區(qū)域充斥的離子更多,離子流密度增大,也使線下場強有增大的趨勢,所以僅靠小距離地縮短極間距來削弱地面電場不是很有效。(3)起暈場強對電場效應(yīng)的影響。當(dāng)導(dǎo)線運行電壓不變時,地面合成場強和離子流密度會隨起暈場強改變而變化,因此設(shè)計輸電線路時應(yīng)充分考慮這些因素。由Peek公式可知,起暈場強與導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)m成正比。為形象表示導(dǎo)線狀況對合成電場的影響,本文對污穢、潮濕和干燥3種表面進(jìn)行分析。按照經(jīng)驗,好天氣時干燥的導(dǎo)線對應(yīng)的m=0.47,潮濕甚至更嚴(yán)重的污穢情況對應(yīng)的m分別為0.35和0.29。圖5給出了導(dǎo)線狀況不同時的地面電場強度和離子流密度。同時,圖5也更清楚地顯示了導(dǎo)線下方電場強度和離子流密度最大值隨m的變化趨勢。電場強度和離子流密度的最大值幾乎是隨m或起暈場強的增加而成比例減小?？梢?若要控制地面的電場效應(yīng),須注意導(dǎo)線表面的狀況,避免在運輸或施工過程中導(dǎo)線受損。若線路途經(jīng)區(qū)域氣候復(fù)雜,設(shè)計時要充分考慮到這些影響,因為在霧氣、雨滴和寒冷的天氣條件下,導(dǎo)線表面的冰尖會使起暈場強不同程度地降低。(4)風(fēng)速對電場效應(yīng)的影響。風(fēng)速是影響地面電場效應(yīng)的重要因素,為此本文對單極運行的線路進(jìn)行分析。設(shè)風(fēng)向沿X軸正向,風(fēng)速分別為0、1、3和6m/s,線路運行電壓U=+500kV,子導(dǎo)線半徑為1.185cm,導(dǎo)線為4分裂形式,分裂間距為0.45m,高度為12.5m,起暈場強為16kV/cm,遷移率K=1.5×10-4m2/(V·s)。不同風(fēng)速下地面電場和離子流密度變化趨勢如圖6所示,其中w為風(fēng)速。由圖6可知,風(fēng)速對離子流的影響明顯。電場和離子流密度曲線均隨風(fēng)向偏移,逆風(fēng)側(cè)減小,順風(fēng)側(cè)增大。離子流密度對風(fēng)速的反應(yīng)更靈敏,且該曲線在順風(fēng)側(cè)更加平緩,高值區(qū)域更廣,隨著風(fēng)速的增大,這種現(xiàn)象也更明顯。但當(dāng)風(fēng)速達(dá)到6m/s時,電場強度幾乎和風(fēng)速為3m/s時的變化不大。這種現(xiàn)象和實際也相符,這是因為有風(fēng)時,離子朝順風(fēng)側(cè)遷移,順風(fēng)側(cè)電場增大,而風(fēng)速增大到一定程度后,離子幾