T接塔橫擔(dān)間距對(duì)電場(chǎng)分布影響的仿真研究

楊文剛，徐鵬雷

T接塔橫擔(dān)間距對(duì)電場(chǎng)分布影響的仿真研究

楊文剛，徐鵬雷

（華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003）

由于沒有專門的設(shè)計(jì)規(guī)范，會(huì)造成T接塔在按照直線塔標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)塔頭橫擔(dān)間距過大，電氣安全余量過多，經(jīng)濟(jì)性不足。因此為T接塔的塔頭電氣安全余量，基于COMSOL Multiphysics 軟件，以實(shí)際工程中的某110 kV雙回T接塔為研究對(duì)象進(jìn)行建模。分析了T接塔兩側(cè)、帶電作業(yè)工作點(diǎn)以及地面上1.5 m處電場(chǎng)分布。研究結(jié)果表明，110 kV雙回T接塔在縮短橫擔(dān)間距后，T接塔的電場(chǎng)分布得到明顯改善且均滿足電氣安全要求。在相對(duì)主線路方向電場(chǎng)更強(qiáng)且分布不均勻的T接線路側(cè)，電場(chǎng)強(qiáng)度得到明顯改善。T接塔塔頭橫擔(dān)間距存在電氣安全余量，可進(jìn)一步優(yōu)化。

T接塔；橫擔(dān)間距；仿真；電場(chǎng)

0 引言

隨著城市化、現(xiàn)代化程度的提高，電能需求也在不斷增加[1]。桿塔設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣將影響線路運(yùn)行的安全性與經(jīng)濟(jì)性。

T接輸電線路作為電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的重要形式之一，具有供電可靠，投資較低，運(yùn)行維護(hù)較為簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)。T接塔在主回路相當(dāng)于耐張塔，在T接回路相當(dāng)于終端塔。T接橫擔(dān)作為最常用的T接方案[2]，具有以下優(yōu)點(diǎn)：占地面積小，節(jié)約土地資源，減少線路走廊的占用；塔型接線方式清晰，能夠保證足夠的電氣間隙；塔型安全可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠保證日常檢修巡視工作的進(jìn)行[3]。

由于T接塔沒有專門的設(shè)計(jì)規(guī)程，設(shè)計(jì)時(shí)通常將耐張塔與終端塔的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行合并，將兩種塔型不同工況下的載荷進(jìn)行疊加，以模擬T接塔的復(fù)雜載荷[4]，并按直線塔標(biāo)準(zhǔn)[5]設(shè)計(jì)橫擔(dān)間距，這使T接塔在塔頭設(shè)計(jì)時(shí)橫擔(dān)間距余量大，鐵塔高、重，且塔身受力較大，雖然能保證T接塔安全運(yùn)行卻不夠經(jīng)濟(jì)。

通過改進(jìn)T接塔塔頭橫擔(dān)間距可以有效減輕鐵塔重量，改善鐵塔受力特性，但同時(shí)也要保證鐵塔的電氣安全性能。現(xiàn)階段對(duì)輸電工程中電場(chǎng)分布的研究方法主要有實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值計(jì)算方法[6]。實(shí)地測(cè)量受環(huán)境、工作人員、儀器等諸多條件限制，不夠經(jīng)濟(jì)、高效。數(shù)值計(jì)算方法中的有限元法高效、經(jīng)濟(jì)，近年來在絕緣子[7]、線路[8]、鐵塔的電場(chǎng)仿真中應(yīng)用越來越廣泛。文獻(xiàn)[9]中通過對(duì)桿塔進(jìn)行電場(chǎng)分析，規(guī)劃了維護(hù)人員的最佳攀爬路線。文獻(xiàn)[10]對(duì)500 kV酒杯塔進(jìn)行建模和仿真，分析了帶電作業(yè)人員體表的電場(chǎng)分布。

綜上所述，T接塔具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于沒有專門的設(shè)計(jì)規(guī)范，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)T接塔時(shí)橫擔(dān)間距余量大，電氣安全余量大，經(jīng)濟(jì)性不足。因此，可通過調(diào)整T接塔的橫擔(dān)間距，基于仿真分析鐵塔的電氣安全性[11]，為T接塔的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 T接塔建模

本文選用工程中110 kV交流雙回十字橫擔(dān) T接輸電塔進(jìn)行有限元分析，其原始橫擔(dān)間距為 3.8 m，單線圖如圖1所示。

圖1 T接塔單線圖

建模是保證結(jié)果準(zhǔn)確的重要步驟[12]。對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，將導(dǎo)線、絕緣子、塔身簡(jiǎn)化為規(guī)則的結(jié)合體，不考慮導(dǎo)線因自重產(chǎn)生的弧垂與絕緣子風(fēng)偏等因素；按材料屬性定義模型參數(shù)，模型各部分材料參數(shù)在COMSOL Multiphysics自帶材料庫(kù)里進(jìn)行選擇，并補(bǔ)充介電常數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性

選取自由四面體和自由三角形網(wǎng)格對(duì)模型不同部位進(jìn)行網(wǎng)格剖分，并針對(duì)特殊部位網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化，得到T接塔幾何模型與網(wǎng)格如圖2所示。

為研究縮短橫擔(dān)間距對(duì)T接塔電場(chǎng)的影響情況，對(duì)十字交錯(cuò)橫擔(dān)間距進(jìn)行調(diào)整，將橫擔(dān)間距分別縮短0.5 m、1 m，并建立對(duì)應(yīng)的幾何模型。

邊界條件上，在鐵塔周圍建立空氣場(chǎng)，以有限的空氣邊界模擬無窮邊界，桿塔、絕緣子、地線設(shè)置為接地邊界，在導(dǎo)線上施加電壓后進(jìn)行求解，電壓表達(dá)式如式（1）。

2 電場(chǎng)分析

縮短交錯(cuò)橫擔(dān)的間距可以減少鐵塔高度和重量，并改善鐵塔的力學(xué)性能，但同時(shí)要保證鐵塔的電氣安全性能。下面對(duì)各橫擔(dān)間距的鐵塔模型進(jìn)行建模并計(jì)算，提取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，與相應(yīng)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比。

2.1 有效性分析

為了驗(yàn)證COMSOL Multiphysics軟件計(jì)算T接塔電場(chǎng)分布的有效性與準(zhǔn)確性，本文與文獻(xiàn)[12]中分析的110 kV同塔雙回交流輸電線路進(jìn)行對(duì)比。其線路高度15 m，以距離地面1.5 m高，線路中心為原點(diǎn)，5 m為間隔測(cè)得電場(chǎng)強(qiáng)度值。對(duì)比計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

分析結(jié)果，由于在建立仿真模型時(shí)對(duì)實(shí)際工況進(jìn)行了簡(jiǎn)化，導(dǎo)致仿真計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)以及理論計(jì)算結(jié)果具有一定誤差，但其變化趨勢(shì)基本一致，表明基于COMSOL Multiphysics軟件計(jì)算所得電場(chǎng)仿真結(jié)果有效。

2.2 勢(shì)電場(chǎng)分布

分別提取各橫擔(dān)高度鐵塔模型的主回路側(cè)、T接側(cè)電勢(shì)以及電場(chǎng)強(qiáng)度分布，分析調(diào)整橫擔(dān)間距后的鐵塔電氣安全性能。提取電勢(shì)、電場(chǎng)分布如圖4、圖5所示。

圖4 3.8 m橫擔(dān)間距沿主線路方向電場(chǎng)分布

圖5 3.8 m橫擔(dān)間距沿T接線路方向電場(chǎng)分布

同理，分別提取3.3 m、2.8 m橫擔(dān)間距的鐵塔電勢(shì)與場(chǎng)強(qiáng)分布數(shù)據(jù)，整理后得到結(jié)果如圖6所示。

分析結(jié)果，主回路方向電勢(shì)線和電場(chǎng)線沿中心基本對(duì)稱，有長(zhǎng)跳線一側(cè)的電場(chǎng)及電勢(shì)分布更為密集。橫擔(dān)間距縮短后，主線路側(cè)電勢(shì)線更為密集，電場(chǎng)強(qiáng)度波動(dòng)不大，遠(yuǎn)未達(dá)到空氣擊穿強(qiáng)度3 000 kV/m。而在T接回路側(cè)電勢(shì)線和電場(chǎng)線分布規(guī)律不明顯，有導(dǎo)線一側(cè)電場(chǎng)及電勢(shì)分布更加密集。橫擔(dān)間距越大，電場(chǎng)線分布越密集，場(chǎng)強(qiáng)越大。T接橫擔(dān)間距縮短后，T接線路方向電場(chǎng)強(qiáng)度明顯縮小。

圖6 各橫擔(dān)間距鐵塔兩側(cè)場(chǎng)強(qiáng)最大值

得出結(jié)論：縮短橫擔(dān)間距后，主線路方向電場(chǎng)強(qiáng)度略有升高，但遠(yuǎn)未達(dá)到空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)3000 kV/m。在分布不規(guī)律，電場(chǎng)強(qiáng)度更大的T接回路方向，電場(chǎng)分布得到明顯改善。因此，縮短T接橫擔(dān)間距可以有效地改善T接塔的電場(chǎng)性能。

2.3 工作點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度分析

作業(yè)人員在進(jìn)入工作點(diǎn)進(jìn)行帶電作業(yè)時(shí)，要保證電場(chǎng)強(qiáng)度在安全限值內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度過高可能會(huì)造成局部放電現(xiàn)象，威脅帶電作業(yè)人員的人身安全和輸電線路的正常運(yùn)行[13,14]，因此需要關(guān)注線路運(yùn)行時(shí)工作點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)。提取模型中導(dǎo)線水平位置作業(yè)點(diǎn)1~3，橫擔(dān)帶電作業(yè)點(diǎn)4~12如圖7所示。

圖7 帶電作業(yè)工作位置

分別提取橫擔(dān)間距為3.8 m，以及調(diào)整后縮短橫擔(dān)間距為3.3 m、2.8 m鐵塔的工作點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，整理結(jié)果如表2、圖8所示。

表2 各橫擔(dān)間距工作位置場(chǎng)強(qiáng)

圖8 各橫擔(dān)間距工作位置場(chǎng)強(qiáng)

分析各工作點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)，在橫擔(dān)間距為3.8m，調(diào)整后縮短間距為3.3 m以及2.8 m的3種模型中，位置7即橫擔(dān)1遠(yuǎn)離T接回路長(zhǎng)跳線一側(cè)處的電場(chǎng)強(qiáng)度均最大，為58.60 kV/m、58.81 kV/m、60.45 kV/m，均小于規(guī)范中的240 kV/m，符合要求。

2.4 地面1.5 m處電場(chǎng)強(qiáng)度分析

我國(guó)電力行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范[15]中指出：輸電線路跨越的非長(zhǎng)期住人建筑和鄰近民房，地面1.5 m處最大場(chǎng)強(qiáng)值不超過4 kV/m。因此在仿真分析中分別提取各模型中地面上1.5 m電場(chǎng)強(qiáng)度如圖9所示。

整理匯總后，得到結(jié)果如圖10所示。在橫擔(dān)間距為3.8 m時(shí)地面1.5 m處的場(chǎng)強(qiáng)最大為0.83 kV/m，經(jīng)調(diào)整后場(chǎng)強(qiáng)減小，均小于規(guī)范要求的4 kV/m，說明調(diào)整橫擔(dān)距離后仍滿足要求。

圖10 地面上1.5 m處場(chǎng)強(qiáng)最大值

3 結(jié)論

本文對(duì)T接塔橫擔(dān)間距調(diào)整后，基于有限元方法，對(duì)T接塔進(jìn)行仿真分析，得到電場(chǎng)、電勢(shì)分布，與規(guī)范進(jìn)行對(duì)比后得出結(jié)論：

（1）縮短橫擔(dān)間距后，帶電作業(yè)工作點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)有所升高，但仍滿足電氣安全要求。

（2）不同的橫擔(dān)間距對(duì)地面上1.5 m處的電場(chǎng)影響較小，縮短橫擔(dān)間距后仍符合規(guī)范要求。

（3）縮短橫擔(dān)間距后，主線路方向電場(chǎng)強(qiáng)度略有升高，但遠(yuǎn)未達(dá)到空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)3 000 kV/m，在電場(chǎng)強(qiáng)度更大的T接回路方向電場(chǎng)分布得到改善。因此，縮短T接橫擔(dān)間距可以有效地改善T接塔的電場(chǎng)性能。

T接塔主線路方向電場(chǎng)分布基本對(duì)稱，縮短橫擔(dān)間距后，主線路方向電場(chǎng)強(qiáng)度變化幅值不大，且最大值遠(yuǎn)未達(dá)到空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)3 000 kV/m。T接線路方向電場(chǎng)分布不規(guī)律，且相對(duì)主線路方向電場(chǎng)強(qiáng)度更大。在縮短橫擔(dān)間距后，T接線路方向電場(chǎng)分布得到明顯改善。研究表明：110 kV雙回十字橫擔(dān)T接塔在縮短橫擔(dān)間距后，仍然滿足電氣安全條件。且縮短橫擔(dān)間距可以有效地改善T接塔T接線路側(cè)的電場(chǎng)性能。證明T接塔在設(shè)計(jì)塔頭橫擔(dān)間距時(shí)存在電氣安全余量，可進(jìn)一步優(yōu)化。

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Simulation Study on Influence of Cross Arm Spacing of T-connection Tower on Electric Field Distribution

YANG Wengang, XU Penglei

(School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

Since there is no special design specification, it will cause too large cross arm spacing, too much electrical safety margin, and insufficient economy at the tower head when designing the T-connection tower according to the linear tower standard. In order to determine the electrical safety margin of the tower head of the T-connection tower, this paper takes a 110 kV double-circuit T-connection tower in the actual project as the research object for modeling, which is based on COMSOL multiphysics software. The electric field distribution on both sides of the T-connection tower, live working point and 1.5 m above the ground is analyzed. The research results show that after the 110 kV double-circuit, T-connection tower shortens the cross arm spacing, the electric field distribution of the T-connection tower is improved and all meet the electrical safety requirements. Moreover, the electric field intensity of T-connection lines with stronger electric field and uneven distribution relative to the main line direction is obviously improved. Research shows that there is an electrical safety margin for the cross arm spacing at the T-connection tower head, which can be further optimized.

T-connection tower; cross arm spacing; simulation; electric field

TM753

A

1672-0792(2021)03-0072-07

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2021.03.010

2020-11-18

國(guó)家自然科學(xué)基金（51608195）；河北省自然科學(xué)基金（E2016502102）

楊文剛（1982—），男，副教授，主要研究方向?yàn)檩旊娋€路結(jié)構(gòu)與安全運(yùn)行技術(shù)；

徐鵬雷（1997—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)檩旊娋€路。

徐鵬雷