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摘要：中国的能源分布与电力负荷需求分布存在极不平衡现象，随着负荷中心电力需求的增加，同时满足清洁能源外送需求，发展远距离输送的特高压直流工程已成为必然趋势。在500千伏超高压输电线路的设计和运行中，电晕损失及地面场强是需要重视的问题。它们均属于输电线路的静电场效应，可以按同一原理进行计算。此外，电晕损失还与温度、气压、湿度等气象条件有关。基于此，本文主要对500千伏输电线路电晕损失和地面场强的计算进行分析探讨。
关键词：500千伏；输电线路；电晕损失；地面场强；计算
1、前言
超/特高压输电问题是当今的热点问题，其中可听噪声、无线电干扰、电晕损失等电磁环境问题备受关注。由于导线表面电场强度(以下简称场强)较高，高压直流输电线路在运行中通常会产生电晕放电，从而引起电晕损失、地面合成电场、离子流密度等一系列电磁环境问题。电晕损失是直流输电线路设计的一个重要经济技术指标，研究高压直流输电线路电晕损失的计算方法具有十分重要的意义。
2、电晕损失的计算方法
2.1交直流电晕活动间的相互作用关系
当交流线路与直流线路邻近时，随着交流电压的上升，直流线路电晕损失会缓慢增加。但是，当交流电压上升至起晕电压以上时，直流线路电晕损失的增速会大幅加快。其原因是直流线路电晕产生的带电离子会在直流电场的作用下运动到交流线路附近，而交流电晕所产生的空间带电离子会与其附近的异性带电离子发生复合，进而导致电晕损失远大于单极输电线路的情况。因此，如果要准确地计算交流线路影响下的直流线路的电晕损失，必须对交直流线路电晕所产生的带电离子的产生、运动和复合的过程进行仿真，而基于Deustch假设进行求解的方法是难以进行时域仿真的。
2.2混合离子流场的仿真
可以在用于直流离子流场的混合有限元与有限体积法的基础上，将交流线路表面的时变电位边界条件引入计算，并在每一个时间步上进行迭代求取电荷密度分布，使线路的表面场强满足Kaptzov条件，从而完成混合离子流场的仿真。对于泊松方程的求解，提出的包含了边界电场约束方程的有限元法，该方法对第1类边界上的场强计算精度较高。对于电流连续性方程的求解，采用基于迎风差分格式的有限体积法。该方法能够采用隐式时间差分技术，不受Corant定性条件的限制，所以可以采用较大的时间步长进行仿真。对于实际的交直流邻近线路，其导线半径相对于计算空间而言非常小，因而剖分量较大，采用隐式差分技术能够显著地加快计算速度。
2.3计算流程
本文算法的计算流程如图1所示。图中为当前时间的步序号。
式中：P为单位长度直流导线电晕损失；为直流电压；为一个工频周期；E为场强；沿直流导线外表面的积分路径。直流导线电晕损失是通过直流电压乘以电晕电流平均值的方式得到的，因此，只要能够测量电晕的电流平均值，就可以确定直流导线的电晕损失。在电晕损失计算中，为了使导线表面的场强满足Kaptzov条件，需要在每一个时间步上通过迭代的方法准确地寻找导线表面的电荷密度分布。
3、地面场强的计算
场强是评价高压直流输电工程电磁环境影响的最主要因子，目前针对单回或双回并行高压、特高压直流输电线路地面合成场强的计算较多，但由于条件限制，针对上述型式运行线路开展的现场测试鲜为报道，同时也较少针对并行特高压直流输电线路高度的变化对地面合成场强变化情况开展详细分析。因此，文中以Deutsch假设的解析法为基础，结合在运线路实测结果，针对单回和并行双回特高压直流输电线路地面合成场强分布开展详细研究，同时，探讨不同排列方式下，并行双回特高压直流输电线路地面合成场强随两回线路之间距离和线路高度的变化趋势。
3.1 Deutsch假设法
目前高压直流输电线路合成场强计算方法有基于Deutsch假设的解析法、半经验公式法和有限元法。有限元法精度最高，但输电线路及周围空间属于半开放空间，场域的精细剖分对系统配置要求很高，导致计算效率下降；半经验公式法程序编制较为简单，计算速度最快，但算法通用性差，计算精度最低；Deutsch解析法则在计算精度与计算速度之间取得了平衡。因此文中采用Deutsch假设解析方法进行建模计算。
3.2现场试验测试
为了验证Deutsch假设解析法的工程实用性，分别选取国内在运特高压直流线路，和在运并行架设特高压直流线路，开展其地面合成场强现场实测。现场测试方法参照标准《直流换流站与线路合成场强、离子流密度测量方法》(DL/T1089—2008)规定执行。
4、结果与讨论
4.1单回特高压直流线路
选取国内某在运单回特高压直流输电线路，依据其线路实际参数，采取Deutsch假设方法进行理论计算，并与现场实测对比分析，结果见图2。
其中，计算时，考虑到新建投运导线与运行较长时间导线表面粗糙程度的差异性，粗糙系数分别取m＝0.381和m＝0.47两种情况。现场测量结果统计地面合成场强95%值和80%值2种情况。现场试验测试时，该线路运行电压为±500kV，此外该线路导线高度31m，导线型号采用6×ACSR720/50导线，分裂间距45cm，子导线半径1.81cm，极间距22m。现场试验环境参数为：温度16.9℃，湿度64%，风速1.5m/s，风向南。
由图2可知，现场实测结果与基于Deutsch假设解析法计算结果较吻合，外界环境虽有影响，但监测值基本落于2种取不同粗糙系数的计算曲线之间，即表明Deutsch假设解析法适用于单回特高压直流输电线路地面合成场强的预测。
4.2双回并行特高压直流线路
与前节相同，选取国内某在运双回并行特高压直流输电线路，依据其线路实际参数，采取Deutsch假设方法进行理论计算，并与现场实测对比分析，结果见图3。
图3 并行双回特高压直流线路下方地面合成场强的理论计算与实测分布曲线
同样，在理论计算时，考虑到新建投运导线与运行较长时间导线表面粗糙程度的差异性，粗糙系数分别取m＝0.381和m＝0.47两种情况。现场测量结果统计地面合成场强95%值和80%值2种情况，考虑到现场场地尺度限制，只测量了两回线路之间的区域范围。
由图3可知，现场实测结果与基于Deutsch假设解析法计算结果较吻合，监测值均落于2种取不同粗糙系数的计算曲线之间，即表明Deutsch假设解析法同样适用于双回并行特高压直流输电线路地面合成场强的预测。此外，考虑到线路运行长久的影响，建议在工程建设前，开展合成场强的理论预测时粗糙系数取0.381。
5、结语
超高压输电线路中虽采用了分裂导线，但某些气候条件下电晕损失数值仍较高，应予以校验。但目前我国尚缺少必要的数据资料，建议有关部门给以重视。双回路同杆并架情况下，输电线路的电晕损失、地面场强以及绝缘地线上的感应电压均与导线排列方式有较大关系，在设计中应综合几方面的要求选择最佳排列方式。
参考文献：
[1]舒印彪，胡毅.交流特高压输电线路关键技术的研究及应用[J].中国电机工程学报.2007，27(36):1-7
[2]刘振亚.特高压直流输电技术[M].中国电力出版社，2009
[3]刘振亚.特高压电网[M].中国经济出版社，2005
论文作者:史永涛,辛崇,于江
论文发表刊物:《电力设备》2017年第26期
论文发表时间:2017/12/21
标签：电晕论文; 场强论文; 线路论文; 导线论文; 损失论文; 地面论文; 特高压论文; 《电力设备》2017年第26期论文;