500 kV 輸電線路四分裂導線間隔棒能耗分布研究

潛力群，吳芳芳，杜昭啟，謝聲益，葉 成，林 雪，李世民，張潮海

（1.浙江華電器材檢測研究院有限公司，杭州 311100；2.南京航空航天大學，南京 211106）

0 引言

國家電網于2021 年3 月1 日發布了“碳達峰，碳中和”行動方案：“十四五”期間，國家電網新增跨區輸電通道以輸送清潔能源為主，規劃建成7回特高壓直流線路，新增輸電能力56 000 MW。電力金具作為特高壓輸電線路的重要組成部分，存在一定的輸電能量損耗[1]。

高壓架空輸電線路跨距遠、容量大，為提高線路輸電能力，每相導線采用了2 根、4 根及以上的分裂導線。電力系統中，220 kV 及330 kV的輸電線路采用二分裂導線，500 kV 輸電線路常采用四分裂導線，高于500 kV 的超高壓輸電線路和特高壓輸電線路采用六分裂或八分裂導線[2]。架空線路在高空易受大風干擾，電磁環境復雜，間隔棒常用于保證分裂導線間距不變以滿足電氣性能，在線路故障消除后使分裂導線恢復到正常狀態，并且一定程度上能減小輸電導線舞動[3-6]。在交流高壓輸電線路中，間隔棒處于工頻交變電流產生的工頻交變電磁場中，會產生電磁損耗[7]。

分析間隔棒在工況下的能耗，對于衡量間隔棒是否為節能金具及評估其在電力系統中一定時間內的總能耗十分關鍵。目前已有很多學者針對間隔棒能耗的組成部分、不同數值電流下間隔棒的能耗變化規律[8]、間隔棒能耗測試試驗[9]、不同材質間隔棒能耗的對比[10]、間隔棒異常發熱[11]等開展了研究，對于間隔棒能耗產生的機理、引起間隔棒能耗變化的物理量、材質對于間隔棒能耗的影響及衡量間隔棒是否為節能金具進行了詳細的介紹。然而，針對交流輸電線路上間隔棒能耗的具體分布趨勢以及影響感應電流和能耗分布的原因未有進一步的研究。

本文在闡述間隔棒能耗機理的基礎上，對間隔棒及適配導線進行Solidworks 三維物理模型建模，利用有限元分析軟件ANSYS 對于渦流場環境下的間隔棒能耗進行仿真，介紹工作狀態下間隔棒能耗分布及其原因。

1 間隔棒能耗機理

高壓交流架空輸電線路上的間隔棒處于工頻交變電流產生的工頻交變電磁場中，因磁滯效應產生磁滯損耗，因渦流效應產生感應電流且由于感應電流回路電阻的存在進而形成渦流損耗。磁滯損耗、渦流損耗、剩余損耗構成了間隔棒在渦流場環境中的總能耗，其中剩余損耗成因復雜、難以測量且占總能耗比例十分微小。高壓架空輸電線路常采用質量較輕的鋁合金材質間隔棒，鋁合金的相對磁導率為1，與空氣一致，鋁合金間隔棒在工頻交變電磁場中無磁滯損耗。渦流損耗為鋁合金間隔棒能耗的主要組成部分，因此渦流損耗的分布趨勢可表征總能耗的分布趨勢。

2 間隔棒能耗仿真設計

采用有限元法求解工頻交變電磁場中鋁合金間隔棒的渦流損耗。選取適用于500 kV 電壓等級的四分裂導線間隔棒FJZ-400 及適配導線LGJ-400/50 進行仿真分析，實物如圖1 所示。

圖1 間隔棒FJZ-400 及適配導線

2.1 仿真模型的建立

500 kV 超高壓架空輸電線路為四分裂導線，采用鋁合金間隔棒FJZ-400 來維持分裂導線線束間距穩定，而且架空輸電線路易受到大風影響導致導線舞動，阻尼型間隔棒能通過在線夾內安裝合成橡膠阻尼墊來減小導線的舞動。根據實際情況對間隔棒和適配的鋼芯鋁絞線LGJ-400/50 進行合理簡化的三維物理模型建模，并采用有限元分析方法，在渦流場環境進行求解。間隔棒和適配導線的三維物理模型如圖2 所示。間隔棒的框架連接4 個線夾，四分裂的鋼芯鋁絞線從線夾穿過。

圖2 間隔棒FJZ-400 及適配導線物理模型及導線與線夾部分參數

2.2 求解參數設置

在完成三維物理模型建模后，在有限元軟件ANSYS 中設置鋁合金間隔棒FJZ-400 和適配鋼芯鋁絞線LGJ-400/50 材料：間隔棒線夾為鋁合金材質，框架為鍍鋅鋼；鋼芯鋁絞線外部材質為鋁，內部材質為鍍鋅鋼。各材料的基本參數見表1。因四分裂導線為同相導線，對4 根LGJ-400/50導線模型分別施加有效值為1 000 A、750 A 和500 A 的同相工頻交變電流激勵，邊界條件設為自然邊界條件。以三棱錐為基本網格剖分單元，采用基于集膚效應透入深度的表面網格剖分方法，計算渦流場透入深度和層數，實現導線和間隔棒的高精度剖分[12-13]，剖分效果如圖3 所示。

表1 間隔棒和適配導線各材料主要參數

圖3 間隔棒FJZ-400 及適配導線網格剖分效果

3 結果分析

3.1 電流密度分布

圖4 反映了500 kV 輸電線路四分裂導線間隔棒在通流為1 000 A、750 A 和500 A 工頻電流有效值情況下電流密度J 的分布情況。從圖4 可以看出：由于集膚效應，在適配導線的鋁絞線部分電流密度較大；同時由于鄰近效應，鋁絞線的外環區域電流密度較大，且隨著電流有效值增大而表現更明顯。

圖4 工頻電流有效值1 000 A、750 A 和500 A 通流下間隔棒FJZ-400 導線與線夾部分電流密度分布

沿單根導線徑向路徑（圖4（a）中虛線）的電流密度分布如圖5 所示。電流密度的路徑分布驗證了集膚效應，以工頻電流有效值1 000 A 通流情況為例：電流密度在適配導線的外絞線鋁線部分從1.6×106A/m2升高至2.1×106A/m2，而在內絞線鍍鋅鋼部分最大值僅為0.8×105A/m2。而在線夾部分，電流密度的最大值為8.5×105A/m2左右，且沿著徑向路徑向外下降至0.5×105A/m2。

圖5 工頻電流有效值1 000 A、750 A 和500 A 通流下間隔棒FJZ-400 導線與線夾部分徑向電流密度分布

表2 統計了工頻電流有效值1 000 A、750 A和500 A 通流下間隔棒FJZ-400 導線與線夾部分徑向路徑電流密度。可以看出電流密度在適配導線外絞線以106A/m2量級分布，在內絞線則降低一個數量級至105A/m2，符合集膚效應。線夾部分感應生成的渦流電流密度也降低一個數量級至105A/m2。渦流是輸電線路間隔棒能耗的主要組成部分，減小線夾部分渦流損耗是降低輸電線路間隔棒能耗的關鍵。

表2 工頻電流有效值1 000 A、750 A 和500 A 通流下間隔棒FJZ-400 導線與線夾部分徑向路徑電流密度統計

3.2 磁場強度和磁感應強度分布

渦流的產生是由于變化的磁場感應，因此了解適配導線周圍的磁場強度和磁感應強度分布，對于線夾部分電流密度的研究具有重要意義。

工頻電流有效值1 000 A、750 A 和500 A 通流下導線與線夾部分磁場強度H 的分布如圖6所示。從圖6 可以看出：磁場強度的分布與適配導線外絞線鋁線中的電流密度分布相對應；隨著通流工頻電流有效值的降低，對應磁場強度呈現正相關下降。

圖6 工頻電流有效值1 000 A、750 A 和500 A 通流下間隔棒FJZ-400 導線與線夾部分磁場強度分布

該間隔棒為鋁合金材質，相對磁導率等于空氣的磁導率，由磁感應強度B 與磁場強度H 的物理關系式B=μ0μrH（μ0為真空磁導率，μr為相對磁導率）可知，鋁合金間隔棒磁感應強度分布趨勢與磁場強度一致。

4 分析與討論

由于500 kV 高電壓等級交流輸電能力要求，需要采用四分裂導線提高傳輸電流有效值。隨著傳輸工頻交流電流幅值的升高，交變電流會在線夾部分產生交變磁場，進而產生交變感應電場。感應電場在線夾中以渦流的形式存在，并導致能耗的產生。可以通過降低線夾中磁感應強度和改變線夾內側結構這兩種方式來減小能耗。

1）降低線夾中磁感應強度。傳導電流附近的磁場強度與線夾材料無關，但是其磁感應強度與線夾材料的磁導率相關。因此，可以在適配導線附近線夾采用低磁導率材料，降低磁感應強度，進而降低渦流電流密度，達到降低電力金具間隔棒能耗的目的。

雙層不同磁導率線夾的結構如圖7 所示，其中線夾內側磁導率μ1小于外側磁導率μ2。由圖6可知，線夾部分的磁場強度密集分布在內側。因此，降低線夾內側磁導率μ1，可以降低對應的磁感應強度，從而減小感應電場強度，達到降低間隔棒能耗的效果。

圖7 雙層不同磁導率線夾結構

2）改變線夾內側結構。在線夾材料確定的情況下，通過改善線夾內側結構，增長渦流電流流通路徑，減小渦流流通橫截面積，可提高回路電阻。在感應電動勢不變的前提下，渦流回路電阻的增大會導致渦流功率的降低，減小間隔棒能耗。

增長渦流電流流通路徑的示意如圖8 所示，通過在靠近導線的線夾內側切削形成徑向空腔的結構，將一定程度延長渦流電流流通路徑，增大回路電阻。減小渦流流通橫截面積的示意如圖9所示，通過在靠近導線的線夾內側形成軸向空腔，減小渦流電流的流通面積，增大回路電阻。

圖8 增長渦流電流流通路徑

圖9 減小渦流流通橫截面積

5 結語

本文通過物理建模與有限元分析相結合，在麥克斯韋方程組的理論基礎上研究了工頻電流有效值1 000 A、750 A 和500 A 通流情況下的500 kV 輸電線路四分裂導線間隔棒的渦流分布規律，得出以下結論：

1）由于集膚效應和鄰近效應，傳導電流主要分布在適配導線外絞線的外側區域，電流密度可以達到106A/m2量級。

2）間隔棒線夾渦流電流密度在104～105A/m2范圍，隨著通流工頻電流有效值的升高而增大，且隨著與外絞線距離增大急劇減小。

本文針對間隔棒線夾渦流的分布規律，提出了兩種降低間隔棒能耗的方法——降低線夾材料磁導率以降低磁感應強度和改善線夾內側結構以增大渦流流通回路電阻。