基于CDEGS的裸導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度分析

胡振興

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

發(fā)電站升壓站、變電站導(dǎo)體電暈校驗(yàn)一般基于DL/T 5222－2005《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》進(jìn)行，如式(1)。但按該規(guī)范對(duì)可不驗(yàn)算電暈的裸導(dǎo)體在最小外徑時(shí)計(jì)算出來(lái)的導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度水平不明。而國(guó)家電網(wǎng)公司Q/GDW 551－2010《變電站控制電暈噪聲技術(shù)導(dǎo)則(導(dǎo)體金具類)》及工程實(shí)踐中，要求海拔1 000 m及以下地區(qū)，變電站內(nèi)導(dǎo)體金具表面電暈按表面最大工作場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行控制。式(1)應(yīng)用在750 kV、1 000 kV導(dǎo)體電暈計(jì)算經(jīng)驗(yàn)也不多，適用性如何尚有一定的疑問(wèn)。因此，有必要對(duì)按DL/T 5222－2005規(guī)范得出的裸導(dǎo)體電暈控制最小外徑的導(dǎo)體表面場(chǎng)強(qiáng)水平進(jìn)行計(jì)算分析，評(píng)估其對(duì)于工程設(shè)計(jì)的適用性。

式中：U0為電暈臨界電壓(線電壓有效值，kV)；k為考慮中間導(dǎo)線電容比平均電容大的不均勻系數(shù)；k0為次導(dǎo)線電場(chǎng)強(qiáng)度附加影響系數(shù)；n為分裂導(dǎo)線根數(shù)；d為分裂間距(cm)；m1為導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)；m2為天氣系數(shù)；r0為導(dǎo)線半徑(cm)；rd為分裂導(dǎo)線等效半徑(cm)；ajj為導(dǎo)線相間幾何均距(cm)。

導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算方法需采用有限元法、有限差分法、模擬電荷法、矩量法等數(shù)值計(jì)算方法，計(jì)算過(guò)程若采用手工計(jì)算時(shí)比較復(fù)雜，可考慮采用軟件計(jì)算。CDEGS是電磁場(chǎng)仿真計(jì)算軟件，其TRALIN模塊能對(duì)架空線、電纜在環(huán)境中的電磁場(chǎng)數(shù)值、音頻噪聲、射頻干擾、電暈損耗等進(jìn)行計(jì)算。本文選擇該模塊作為分析工具。

1 CDEGS軟件計(jì)算準(zhǔn)確性評(píng)估

為驗(yàn)證CDEGS的TRALIN模塊計(jì)算的準(zhǔn)確性和可信度，對(duì)已有算例進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算，算例原始數(shù)據(jù)如下：

線路電壓765 kV；導(dǎo)體分裂數(shù)n=4，導(dǎo)體半徑r0=1.479 5 cm，分裂間距0.457 m，導(dǎo)體平均高度h=20.83 m，導(dǎo)體水平排列，相間距l(xiāng)=13.72 m；地線半徑rg=0.489 cm，間距l(xiāng)g=21.95 m，平均對(duì)地高度hg= 31.49 m。見(jiàn)圖1。

CDEGS建模過(guò)程見(jiàn)圖2，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整理后對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 導(dǎo)體表面場(chǎng)強(qiáng)結(jié)果對(duì)比(有效值，kV/cm)

表2中，前6項(xiàng)為不同研究單位采用各自編制的計(jì)算程序計(jì)算的結(jié)果[1]，計(jì)算方法均為逐步鏡像法；第7項(xiàng)為華中科技大學(xué)采用基于Markt-Megele法的計(jì)算程序計(jì)算的結(jié)果；第8項(xiàng)為華中科技大學(xué)采用基于逐步鏡像法的計(jì)算程序計(jì)算的結(jié)果。經(jīng)計(jì)算分析，CDEGS軟件計(jì)算結(jié)果與其他計(jì)算結(jié)果最大誤差為1.8%?？梢?jiàn)CDEGS軟件的計(jì)算結(jié)果有較好的可信度。因此，可采用CDEGS軟件作為裸導(dǎo)體的電暈仿真分析工具。

2 導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度控制標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)家電網(wǎng)公司Q/GDW 551—2010[2]及相關(guān)研究報(bào)告推薦，海拔1 000 m及以下地區(qū)時(shí)，變電站內(nèi)導(dǎo)體金具表面工作場(chǎng)強(qiáng)理論計(jì)算值宜按20 kV/cm (峰值)控制。按此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的變電站投運(yùn)后表明，站內(nèi)導(dǎo)體起暈和噪聲情況良好。

需說(shuō)明的是，根據(jù)工程實(shí)際和相關(guān)文獻(xiàn)計(jì)算實(shí)例來(lái)看，國(guó)網(wǎng)公司Q/GDW 551－2010導(dǎo)則內(nèi)要求場(chǎng)強(qiáng)控制水平按“峰值”(PEAK)應(yīng)是筆誤，正確提法應(yīng)是有效值的最大值。

Q/GDW 551－2010 要求導(dǎo)體金具表面最大工作場(chǎng)強(qiáng)宜按2 000 V/mm控制，金具表面工作場(chǎng)強(qiáng)不宜大于其表面起暈場(chǎng)強(qiáng)的85%。GB 50545－2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]條文說(shuō)明建議導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度E不宜大于全面電暈電場(chǎng)強(qiáng)度E0的80%～85% (基于標(biāo)稱電壓)。綜合以上要求，有工程保守考慮按導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度E不宜大于全面電暈電場(chǎng)強(qiáng)度E0的85%控制，即海拔1 000 m及以下E0取1 700 V/mm。

3 計(jì)算對(duì)比

按照《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》DL/T 5222－2005提供的電暈計(jì)算公式，可得到海拔不超過(guò)1 000 m時(shí)裸導(dǎo)體可不驗(yàn)算電暈的最小外徑，計(jì)算結(jié)果如表3的第2列。

計(jì)算參數(shù)取值為：K取0.96；m1導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)取值0.9；m2天氣系數(shù)按雨天進(jìn)行取值0.85；H取值1 000 m；P取值89 400 Pa (在海拔1 000 m時(shí)的大氣壓數(shù)值)；導(dǎo)體分裂間距330 kV取20 cm，500 kV～750 kV取40 cm，1 000 kV取60 cm；導(dǎo)體相間距離110 kV取2 m，220 kV取4m，330 kV取5m，500 kV取8 m，750 kV取 10.5m，1 000 kV取 14.2 m；導(dǎo)體高度110 kV取10.5 m，220 kV取15 m，330 kV取 18 m，500 kV取 26 m，750 kV取41.5 m，1 000 kV取45 m。

采用CDEGS軟件建模并作對(duì)比計(jì)算分析時(shí)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可見(jiàn)，當(dāng)采用DL/T 5222－2005《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》提供的電暈計(jì)算公式計(jì)算可不驗(yàn)算電暈的裸導(dǎo)體最小外徑時(shí)，500 kV及以下電壓等級(jí)導(dǎo)體表面場(chǎng)強(qiáng)與臨界電暈電場(chǎng)強(qiáng)度2 000 V/mm基本接近，且以往工程實(shí)踐中未反饋有問(wèn)題；750 kV及以上電壓等級(jí)導(dǎo)體表面場(chǎng)強(qiáng)小于2 000 V/mm。

表3 架空導(dǎo)體表面場(chǎng)強(qiáng)E(有效值，kV/cm)

4 結(jié)論和建議

1) 采用DL/T 5222－2005《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》提供的電暈計(jì)算公式進(jìn)行導(dǎo)體外徑選擇時(shí)，750 kV及以上電壓等級(jí)導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度低于500 kV及以下導(dǎo)體水平，可應(yīng)用于750 kV及以上電壓等級(jí)導(dǎo)體電暈校驗(yàn)。

2) 采用DL/T 5222－2005《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》提供的電暈計(jì)算公式進(jìn)行導(dǎo)體外徑選擇時(shí)，導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度均大于1 700 V/mm。考慮500 kV及以下電壓等級(jí)工程按DL/T 5222－2005進(jìn)行導(dǎo)線電暈校驗(yàn)執(zhí)行多年未反饋問(wèn)題，可基于海拔1 000 m及以下全面電暈電場(chǎng)強(qiáng)度E0可按2 000 V/mm進(jìn)行不同海拔時(shí)修正。

3) 采用CDEGS作為導(dǎo)體電暈計(jì)算工具建模及計(jì)算方便、結(jié)果準(zhǔn)確可靠，滿足工程使用。且該軟件能對(duì)導(dǎo)體音頻噪聲、射頻干擾、電暈損耗等進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算項(xiàng)目更全面。推薦直接采用此類軟件進(jìn)行配電裝置裸導(dǎo)體外徑的電暈校驗(yàn)計(jì)算。