基于ANSYS的500kV分裂導(dǎo)線間隔棒電場特性分析

趙少鋒，汪旭旭，鄭武略，李昊，葉旭東

(1.湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢 430000；2.國家電網(wǎng)直流建設(shè)分公司宜昌工程建設(shè)部，湖北 宜昌 443000；3.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510000；4.中國南方電網(wǎng)廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510000；5.國家電網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610000)

基于ANSYS的500kV分裂導(dǎo)線間隔棒電場特性分析

趙少鋒1，汪旭旭2，鄭武略3，李昊4，葉旭東5

(1.湖北省電力裝備有限公司，湖北 武漢 430000；2.國家電網(wǎng)直流建設(shè)分公司宜昌工程建設(shè)部，湖北 宜昌 443000；3.中國南方電網(wǎng)超高壓輸電公司廣州局，廣東 廣州 510000；4.中國南方電網(wǎng)廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510000；5.國家電網(wǎng)四川省電力公司檢修公司，四川 成都 610000)

針對500kV輸電線路電磁環(huán)境顯著問題，選擇四分裂導(dǎo)線間隔棒為研究對象，利用ANSYS有限元軟件建立分裂導(dǎo)線間隔棒實體模型，結(jié)合ANSYS處理器分析了500kV輸電線路分裂導(dǎo)線間隔棒的電位及電場分布。分析的結(jié)果能夠為輸電線路金具的設(shè)計選型提供參考。

500kV；分裂導(dǎo)線間隔棒；ANSYS；電場分析

1 引言

隨著我國電力系統(tǒng)的發(fā)展，輸電網(wǎng)絡(luò)的電壓等級越來越高。電壓等級的升高，電場環(huán)境問題也就越發(fā)明顯[1]。目前針對電力系統(tǒng)的電場分析，主要集中于輸電線路整體、變電站及其站內(nèi)主要設(shè)備等方面，而針對輸電線路中單個組成部分的電場分析，卻少有研究或是未見論述。

輸電線路分裂導(dǎo)線間隔棒作為高壓線路中的一種常用金具，其主要作用為限制多分裂導(dǎo)線(二分裂、三分裂、四分裂、六分裂、八分裂等)子導(dǎo)線之間的相對運動，如風(fēng)致導(dǎo)線舞動引起的子導(dǎo)線間的碰撞[2]、纏繞等，此外間隔棒可以在正常運行工況下保持分裂導(dǎo)線的幾何形狀。間隔棒的出現(xiàn)卻破壞了分裂導(dǎo)線電場均勻分布特性，引起間隔棒處的電場分布異于兩端導(dǎo)線電場而發(fā)生畸變。因此研究輸電線路分裂導(dǎo)線間隔棒電場分布特性顯示十分必要。

ANSYS已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機械、水利土木建筑、電子、航空、核工業(yè)等眾多科研領(lǐng)域[3]。科研人員能夠利用ANSYS有限元分析軟件進行結(jié)構(gòu)、電磁場、熱場、耦合場等分析。一般在前處理器實現(xiàn)實體模型建立，利用求解處理器完成荷載、約束的施加及求解控制，利用通用處理器查看求解結(jié)果，瞬態(tài)、非線性分析可利用時間歷程后處理器處理[4-5]。

2 電場計算原理[6]

超高壓輸電線路的電場計算一般采用二維模型模擬電荷法。由于輸電線路導(dǎo)線半徑遠小于線路長度，可將其電場等效為軸對稱電場，且其半徑遠小于架設(shè)高度，可將計算得出的等效電荷置于導(dǎo)線幾何中心進行相關(guān)計算。已知導(dǎo)線表面電位時，根據(jù)電位公式、疊加原理，利用矩陣方程(1)可計算導(dǎo)線線電荷密度。

(1)

其中φ為線路各相對地電位瞬時值；τ為線電荷密度瞬時值；λ為多導(dǎo)線電位系數(shù)；n為導(dǎo)線數(shù)。

由式(1)計算得出線電荷密度后，利用疊加原理可計算出空間任意一點電場強度。空間無限長導(dǎo)線產(chǎn)生的電場強度及其分量可根據(jù)式(2)、(3)求得，圖1為求解示意圖。在圖1中，(x，y)點的電場強度的水平分量、垂直分量Ex和Ey由下式表示。

圖1 電場強度及其分量示意圖

(2)

(3)

(xi,yi)為導(dǎo)線i的坐標，ri和ri′分別為導(dǎo)體及導(dǎo)體鏡像與場點距離。

3 間隔棒電場仿真分析

3.1 間隔棒相關(guān)計算參數(shù)

(1)間隔棒

500kV線路用間隔棒模型圖，如圖2所示。導(dǎo)線分裂間距450mm，中間支撐架厚度25mm，線夾直徑67mm，線夾厚度85mm。

圖2 間隔棒模型圖

(2)導(dǎo)線

500kV線路使用四分裂導(dǎo)線，分裂間距450mm，子導(dǎo)線型號為LGJ-500/45，直徑為30mm。

3.2 間隔棒計算模型

采用檔距中央三相四分裂導(dǎo)線和兩根地線以及外包空氣作為整體模型，整體外包半圓柱體空氣，空氣厚度為20m，外包空氣半徑R為240m如圖3(a)所示。三相導(dǎo)線及其子導(dǎo)線，以及地線分別外包圓周空氣層，如圖3(b)所示。子模型建立一相四分裂導(dǎo)線及間隔棒、外包空氣。

圖3 輸電線路500kV分裂導(dǎo)線間隔棒電場計算模型圖

3.3 間隔棒計算結(jié)果

從間隔棒表面場強分布圖中，可以看出：

(1)從圖4、圖5可以看出，四分裂導(dǎo)線間隔棒表面場強最大值在線夾外邊緣處；

圖4 邊相間隔棒電位分布圖(左)、邊相間隔棒電場分布圖(右)

圖5 中相間隔棒電位分布圖(左)、中相間隔棒電場分布圖(右)

(2)從圖6可以看出，邊相四分裂導(dǎo)線間隔棒表面最大場強值為16.80kV/cm(有效值為11.88kV/cm)；中相四分裂導(dǎo)線間隔棒表面最大場強值為17.90kV/cm(有效值為12.66kV/cm)。

(3)中相導(dǎo)線間隔棒要比邊相導(dǎo)線間隔棒表面場強值稍大，約為6.55%，因此，中相導(dǎo)線的間隔棒表面場強應(yīng)作為優(yōu)化的對象，如表面場強滿足了指標要求，其他相導(dǎo)線也滿足場強限值要求。

4 結(jié)論

(1)采用二維模型模擬電荷法介紹了輸電線路空間電場及其分量的求解方法；

(2)利用ANSYS有限元分析軟件實現(xiàn)了500kV輸電線路四分裂導(dǎo)線間隔棒的實體建模，并在ANSYS處理器平臺，分析了邊相、中相四分裂導(dǎo)線間隔棒電位、電場分布，分析結(jié)果能夠為線路金具的設(shè)計選型提供一定的參考；

圖6 邊相間隔棒表面電場分布(左)、中相間隔棒表面電場分布(右)

(3)本文只進行了500kV間隔棒的電位、電場分布特性分析，其他電壓等級線路所用間隔棒仍需另作分析。

[1] 王曉燕，趙建國，鄔雄，等.交流輸電線路交叉跨越空間電場計算方法[J].高電壓技術(shù)，2011，37(02)：411-416.

[2] 余虹云，葉成，李瑞，等.分裂導(dǎo)線用間隔棒能耗[J].高電壓技術(shù)，2013，39(12)：3052-3058.

[3] 高潔.基于ANSYS的鋁電解槽電場分布計算與電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].長沙：中南大學(xué)，2010.

[4] 李紅云，趙社戊，孫雁，等.ANSYS10.0基礎(chǔ)及工程應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[5] 閻照文.ANSYS10.0工程電磁分析與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[6] 王澤忠，全玉生，盧斌先，等.高等院校電氣工程系列教材-工程電磁場[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

The Electric Field Analysis of 500kV Transmission Line Conductors Split Spacer Based on ANSYS Finite Element Software

ZHAOShao-feng1,WANGXu-xu2,ZHENGWu-lve3,LIHao4,YEXu-dong5

(1.Hubei Electric Power Equipment Co.,Ltd.,Wuhan 430000，China; 2.College of Electrical Engineering ﹠Renewable Energy,China Three Gorges Univ.,Yichang 443000,China; 3.China Southern Power Grid EHV Transmission Companies Guangzhou Branch,Guangzhou 510000,China; 4.China Southern Power Grid Guangzhou Power Supply Bureau Co.,Ltd,Guangzhou 510000,China; 5.State Grid Maintenance Branch of Sichuan Electric Power Company,Chengdu 610000,China)

For the existence of the significant problem of electromagnetic environment on 500kV transmission line,the paper selects the four split wire spacer to study,uses ANSYS finite element software to build a solid model bundled conductors spaced rods and analyses the 500kV transmission line processor bundled conductors Spacer potential and electric field distribution.The results of the analysis can provide a reference for the design of transmission line fittings selection.

500kV；split wire spacer；ANSYS；electric field analysis

1004-289X(2016)03-0065-03

TM71

B

2015-04-08

趙少鋒(1979-)，男，湖北蘄春人，碩士學(xué)歷，助理工程師，從事線路及變電站設(shè)備設(shè)計工作; 汪旭旭(1988-)，男，湖北遠安人，碩士研究生，主要研究方向為輸電線路工程技術(shù)研究與應(yīng)用; 鄭武略(1987-)，男，湖北五峰人，本科學(xué)歷，主要從事輸電線路運行維護工作。