英语原文共 4 页

基于上流有限元法的同走廊两回路直流输电线路的地面合成场强的研究

杨扬，杨勇，陆家榆

高电压部

中国电力科学研究院

中国，北京

Wys370a@163.com

摘要：同走廊两回路直流输电线路的建立可以增加单位廊道输电能力的功率，然而世界上仍然还没有同走廊两回路直流输电线路建造的工程实例。向家坝—上海与锦屏—苏南的同走廊临近plusmn;800kV直流输电线路架设的情况将会在中国的一些地区出现。为了满足工程设计和环境保护的要求，研究有效计算它们的地面合成场强的方法十分有必要。在本文中所推荐的计算合成场强的方法基于上流有限元法，并且它的可靠性已经被测试结果所证实。计算和测试得到的结果如下所示。同走廊两回路直流输电线路的极导线的不同布置并不会明显影响最大地面合成场强，而是影响它的分布位置。同走廊两回路直流输电线路的最大地面合成场强的绝对值与一般使用的单回路并不是十分不同。

关键词：同走廊，两回路直流输电线路，上流有限元法，测试，合成电场

1. 简介

在中国的一些地区缺乏输电走廊。为了提高单位走廊输电能力，将会在一些区域同走廊临近架设向家坝—上海与锦屏—苏南的两回路plusmn;800kV直流输电线路。因为在世界上还没有工程范例，所以为了满足工业设计和环境保护的要求需要研究这种情况下的地面合成电场的计算方法和分布法则。

当各极导线表面电场强度大于电晕起始电场强度时会产生电晕放电，并且离子流浓度与合成电场非线性相关。这些上述因素会导致高压直流（HVDC）线的合成电场的边界值是非线性的且无法用线性方法解决。所以，当我们想要推测同走廊两回路直流输电线路的地面合成场强时，必须要考虑到两回路直流输电线路彼此之间的影响。

单回直流线路和同塔双回直流线路的地面合成电场的已经受到研究者的广泛关注，然而，几乎没有研究者发表过同走廊两回路直流输电合成场强的计算方法。文献【2】提出了一种基于Deutsch假设的同走廊两回路直流输电合成场强的计算方法；但是文章中没有证明该方法可靠性的测量结果。

由于极导线表面电晕放电产生的空间电荷不仅会影响直流输电电场强度的大小也会影响它的方向，这种基于Deutschrsquo;假设的计算方法不可避免的会产生错误。而基于上流有限元法的计算方法并没有采纳Deutsch假设，所以它可能相比于后者得到更精确的结果。在本文中提倡的是用基于上流有限元法的方法来计算同走廊两回路直流输电合成场强，并且利用同走廊两回直流模拟试验线段，对极导线按不同方式布置下的地面合成电场进行试验，对计算和试验结果进行对比分析，验证计算方法的有效性。

1. 极导线布置方案

对于同走廊两回直流输电线路而言有三种可能的极导线布置方案，如图1所示，其中D表示回直流线路的极间距，L为两回直流线路中心对地投影之间的距离。

_ _

(a)“- - ”布置方案

_ _

(b)“- -”布置方案

_ _

(c)“ -- ”布置方案

图1同走廊两回直流线路导线布置方案

1. 计算方法和验证
2. 等式与假设

将同走廊两回直流线路简化为二维结构，则其地面合成电场的约束方程如式(1)—(6)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

相应的边界条件如式（7）——（10）所示。

导线表面： (7)

地面： (8)

人工边界： (9)

导线表面： (10)

式(1)—(10)中:phi;为电位；，分别为正，负空间电荷密度；为空气介电常数；为合成电场强度；，分别为正，负离子电流密度；，分别为正，负离子迁移率；为风速；R为离子复合系数；e为电子电量；分别为正，负极导线运行电压；为人工边界处的标称电位；为正，负极导线的起晕场强。

在计算中，本文采用如下假设：

1. 极导线表面的电场在起晕后保持为起始电晕场强值，即Kaptzov假设。
2. 忽视粒子区域厚度
3. 电晕已经到达稳态，并且忽略暂态过程。
4. 粒子迁移率与复合系数保持不变，并且忽视离子的扩散效应和风对离子的影响。
5. 初始值的选择和计算过程

在计算前，同走廊两回路直流输电线路周围的待处理区域首先被细分为三角形元素。这种线路下的地面合成电场的计算过程就可以被归纳为一个重复的迭代：用空间电荷密度计算待处理电场强度并且用电场强度计算待处理空间电荷密度。

同走廊两回路直流输电线路某一剖分节点n处空间电荷密度初值的求解方法与单回直流线路不同，如下所示：对前者而言，存在四条极导线。如若每条极导线单独存在时在剖分节点n处产生的空间电荷密度分别为,,，，则所有正空间电荷之和即剖分节点n处正空间电荷密度初值，所有负空间电荷之和即剖分节点n处负空间电荷密度初值。每条极导线单独存在时，导线表面各节点空间电荷密度初值的求解方法可参考文献[11]。

当同走廊两回路直流输电线路每条极导线表面电场强度等于起晕时电场强度时，计算就完成了。因此我们可以得到同走廊两回路直流输电线路周围任意一点的空间电荷密度和合成场强。完整计算过程如图2所示。

1. 测试验证

为了证明计算方法的可靠性，架设同走廊两回直流模拟试验线段并测试地面合成场强。所有极导线的型号是LGJ-95。所有正极导线施加90kV电压并且负极导线施加-90kV电压。各极导线对地高度均为 2.1 m，每回直流线路的极间距均为 2.2 m，两回直流线路的接近距离为 6.5 m。

本文使用了图1中所示的3种不同极导线布置来计算同走廊两回直流模拟试验线段地面合成场强。并且当左侧单回线路正常作用时也计算地面合成场强。对于走廊两回直流模拟试验线段而言，当左侧单回线路或右侧单回线路分别正常工作时，由于它们的地面合成场强的计算结果基本相似，本文中仅给出了左侧单回线段单独带电时的计算结果。

图3和图4分别为计算时忽略和考虑正负极导线起晕场强差别的情况下同走廊两回直流试验线段的地面合成电场强度实测和计算结果的对比曲线。

合成电场(kV/m)

两回路测试结果

两回路计算

左侧单回计算

20

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

合成电场(kV/m)

-15 -10 -5 0 5 10 15

导线线段中心距离(m)

(a) “- - ”布置方案

两回路测试结果

两回路计算

左侧单回计算

20

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

合成电场(kV/m)

合成电场(kV/m)

-15 -10 -5 0 5 10 15

导线线段中心距离(m)

(b)“- -”布置方案

两回路测试结果

两回路计算

左侧单回计算

20

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

-15 -10 -5 0 5 10 15

合成电场(kV/m)

导线线段中心距离(m)

(c)“ -- ”布置方案

图3：当忽视正，负极导线起晕时电场强度时，两回路plusmn;90KV直流模拟测试导线线段的地面合成场强的测试和计算比较曲线。

两回路测试结果

两回路计算

左侧单回计算

20

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

-15 -10 -5 0 5 10 15

导线线段中心距离(m)

(a) “- - ”布置方案

两回路测试结果

两回路计算

左侧单回计算

20

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

合成电场(kV/m)

-15 -10 -5 0 5 10 15

导线线段中心距离(m)

(b)“- -”布置方案

两回路测试结果

两回路计算

左侧单回计算

20

15

10

5

0

-5

-10

-15

-20

-15 -10 -5 0 5 10 15

导线线段中心距离(m)

(c)“ -- ”布置方案

图4：当考虑正，负极导线起晕时电场强度时，两回路plusmn;90KV直流模拟测试导线线段的地面合成场强的测试和计算比较曲线。

从图3和图4中，我们可以得到以下结论

1. 两回路直流模拟测试导线线段的地面合成场强计算与测试结果的分布规律基本彼此相一致，并且这种方法可以用来推测这种形式导线的地面合成场强。
2. 对于“- - ”的极导线布置，最大地面合成电场位于左侧负极导线下方。对于“- -”的极导线布置，最大地面合成电场位于右侧负极导线下方。对于“ -- ”的极导线布置，最大地面合成电场位于两回路直流模拟测试导线线段中心周围。
3. 两回路直流模拟测试导线线段的不同极导线布置不会明显影响最大地面合成场强的大小，而影响的是它的分布位置。两回路直流模拟测试导线线段的最大地面合成场强与单回线段差异并不明显。
4. 当忽略正，负极导线不同的起晕电场强度时，正极导线下的地面合成电场强度的计算结果大于测试结果。考虑起晕电场强度差异时，两回路直流模拟测试导线线段的地面合成场强的计算结果的分布规律和最大值与测试结果更加接近。
5. 有许多会影响到直流输电线路地面合成场强的因素，比如正，负极导线放电特性之间的差异，温度，湿度等。如果我们想要更好地推测两回路直流输电线路的地面合成场强，必须要进行针对这些问题的研究。
6. 结论
7. 本文提倡了一个基于上流有限元法的两回路直流输电线路的地面合成场强计算方法并用测试结果证实了它的可靠性。
8. 与忽略正，负极导线的起晕电场强度的差异时相比，考虑它们的差异可以使两回路直流模拟测试导线线段的地面合成场强的计算和测试结果的分布规律彼此之间更加相符。
9. 有许多会影响到直流输电线路地面合成电场的因素，并且只考虑到正，负极导线的起晕电场强度差异不能完全描述地面合成电场的正，负极导线产生的离子数量差异的影响。正，负极导线的电晕放电特性需要被进一步研究。

参考文献

1. Shi Yan, Wang Qing, Nie Dingzhen, et al, “Comprehensive study on technology of two bipolar lines on the same tower for plusmn;500kV HVDC project,” Power System Technology. Beijing, vol. 30, pp. 1–6, November 2006.
2. Yang Yong, Lu Jiayu, Lei Yinzhao, “Calculation of Total Electric Field at Ground Level underneath Double-Circuit HVDC Transmission Lines in the Same Corridor,” Power System Technology. Beijing, vol. 33, pp. 181–1

   资料编号：[5030]