基于風速的不同架構下混壓雙回直流線路合成電場研究

戚無限 荀道玉 沈忱

摘要：直流輸電線路的合成電場在自然環(huán)境中易受自然風干擾，因此在多風區(qū)域建設直流輸電線路需選擇合適的桿塔型式以及導線布置方式以減少自然風對合成電場的干擾。鑒于此，基于動態(tài)風速，采用Kaptzov假設的有限元解法對不同架構下合成電場的變化趨勢和峰值變化進行了研究，選擇具有優(yōu)異抗風性和穩(wěn)定性的架構方式，減弱直流輸電線路的電磁環(huán)境影響。

關鍵詞：直流輸電線路；合成電場；動態(tài)風速；架構方式

中圖分類號：TM726.1? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）12-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.001

0? ? 引言

特高壓直流輸電線路均架設于空曠地帶，易受外界自然環(huán)境的影響，其中自然風是對線路合成電場影響最大的環(huán)境因素[1]。直流輸電線路合成電場在風速下的變化趨勢受線路布置結構、正負極性布置方式以及橫風風向等因素所影響。文獻[2-3]總結得出在考慮風速影響時，雙極性單回線路的地面合成電場和離子流密度會隨風向發(fā)生偏移，其最大值不出現(xiàn)在導線投影正下方。文獻[4]以正負極性放電原理不同和空間電荷的不同密度分布解釋了雙極性單回線路的變化趨勢原因。

目前研究風速對合成電場的影響普遍基于雙極性單回直流線路，雙極性單回線路結構單一，合成電場在風速的影響下變化趨勢單一。暫無文獻以塔型架構和正負極性布置方式為基礎對風速下的直流線路合成電場進行研究。

為減少對輸電走廊的占用，未來建設的直流輸電工程主要以雙回線路為主，因此線路的塔型結構和極導線布置方式呈多樣化。在不同風速影響下，雙極性單回線路合成電場的變化規(guī)律不再完全適用于雙回直流輸電線路。因此，以動態(tài)風速為影響因素，基于不同塔型架構和正負極性布置方式，研究雙回直流輸電線路合成電場的變化具有重要的工程意義。

為此，本文采用上流有限元法，以雙回高壓直流線路常用的“干”式輸電桿塔為基礎構建線路布置方案，研究其在不同風速下合成電場的變化趨勢，并對電磁環(huán)境影響進行分析。

1? ? 線路布置方案

±500 kV和±800 kV是現(xiàn)階段已建成和在建直流輸電工程中廣泛應用的電壓等級，且分別為超高壓直流和特高壓直流的臨界電壓等級，研究其基于動態(tài)風速的電磁環(huán)境具有重要意義。“干”式桿塔是雙回直流線路最常用的桿塔型號之一，±500 kV和±800 kV同塔布置的具體桿塔型式以及導線布置方式如圖1所示，極導線型號、參數(shù)如表1所示。

2? ? 計算方法

文獻[5]使用了基于Deutsch假設的電力線解析法，可以將二維模型簡化為一維模型求解不同風速下合成電場的變化。由于泊松方程與電荷守恒方程具有強耦合關系，因此采用有限元法對合成電場進行數(shù)值計算。本文所用基于Kaptzov假設的有限元解法無須簡化線路模型，相比基于Deutsch假設的電力線解析法具有更高的嚴謹性和科學性。

高壓直流輸電線路普遍使用Peek公式計算線路起暈場強，其公式如下：

E0=29.8mδ1+? ? ? ? ? ? ? （1）

式中：E0為導線起暈場強；m為導線粗糙系數(shù)（一般取0.47～0.6）；δ為空氣相對密度；req為分裂導線等效半徑。

直流輸電線路的合成電場和離子流場可由麥克斯韋方程組表示：

？犖Es=? ? ? ? ? ? ?（2）

J=μρEs? ? （3）

？犖J=0? ? ? ? ? ? （4）

式中：Es為合成電場；ρ為離子電荷密度；ε0為介電常數(shù)；J為離子流密度；μ為離子遷移率。

文中采用Kaptzov假設計算離子流密度，需自行初定導線表面電荷密度ρ0，其表達式如下：

ρ0= （5）

式中：U為導線運行電壓；U0為起暈電壓；Eg為地面最大標稱場強；h為導線高度。

判斷是否滿足Kaptzov假設以及空間電荷密度是否收斂的判斷公式為：

＜0.05? ? （6）

＜0.1? （7）

式中：ρs（n）為第n次迭代的導線表面電荷密度；Emax為導線表面最大電場強度。

直流線路表面電荷密度迭代方程為：

ρs（n）=ρs（n-1）1+4? ? ? ? ? ? （8）

本文采用COMSOL軟件進行建模仿真，由于桿塔及周圍樹木會使合成電場在其表面發(fā)生畸變，但畸變電場分布不是文章研究的重點，因此假設直流輸電線路不受桿塔影響并將其轉化為二維模型考慮。本文在COMSOL中以靜電模塊和稀物質傳遞模塊構建耦合物理場對風速下的合成電場進行求解，在耦合物理場中設定橫向勻速風，分別沿X軸正負方向定風速w。基于有限元法求解風速影響下合成電場的流程如圖2所示。

3? ? 合成電場變化趨勢分析

根據(jù)有限元理論，基于COMSOL靜電模塊和稀物質傳遞模塊，增添沿X軸正負方向定風速w為0、1、3、5、7、9 m/s，定義左風指向X軸正半軸，右風指向X軸負半軸。雙回直流輸電線路合成電場在風速下的變化趨勢如下所示。

3.1? ? 風速對塔型1架構下導線合成電場的影響分析

塔型1架構下雙回直流輸電線路由于極導線布置方式的不同，合成電場的變化趨勢在不同風向影響下發(fā)生了改變。1A布置（+-/-+）下極導線在風速為1～9 m/s，風向為左右風向的影響下，近風側合成電場隨風速增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，遠風側合成電場呈現(xiàn)減小趨勢。基于1A布置的輸電線路合成電場分布圖如圖3所示。

1B布置（--/++）下極導線在風速為1～9 m/s，方向為左右橫風影響下，近風側合成電場隨風速增大呈現(xiàn)減小趨勢，遠風側合成電場呈現(xiàn)增大趨勢。合成電場變化趨勢如圖4所示。

3.2? ? 風速對塔型2架構下導線合成電場的影響分析

2A布置（+-/-+）下線路合成電場在右風速為1～9 m/s影響下，近風側合成電場呈減小趨勢，遠風側合成電場呈現(xiàn)增大趨勢。但增加最大風速至11 m/s后，其遠風側合成電場在風速達10 m/s后呈減小趨勢。這是正負極導線電暈后產(chǎn)生離子的原理不同所造成的，負極性導線電暈產(chǎn)生排斥狀態(tài)的負離子，低風速會加劇負極性導線的電暈效應并減緩下降趨勢。2A布置（+-/-+）下線路合成電場變化如圖5所示。

在1～9 m/s的左風影響下，2A布置（+-/-+）下合成電場變化趨勢與1A布置（+-/-+）相反，近風側合成電場呈現(xiàn)減小趨勢，遠風側合成電場隨風速增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

2B布置（--/++）下線路合成電場在1～9 m/s右風和左風的分布影響下，近風側合成電場呈減小趨勢，遠風側合成電場呈現(xiàn)增大趨勢。不同風向下合成電場變化趨勢如圖6所示。

3.3? ? 仿真結果分析

基于塔型1架構和塔型2架構，在左右橫風作用下不同導線布置方式下合成電場的變化趨勢總結如表2所示。

由表2可見，1A布置（+-/-+）與1B布置（--/++）的塔型結構相同，但由于同側導線極性的改變，兩者合成電場在左右風速影響下的變化呈相反趨勢。與此同時，1A布置（+-/-+）與2A布置（+-/-+）下同側極導線極性相同，但由于塔型架構發(fā)生改變，前者近風側合成電場在左右風速影響下先增大后減小，后者遠風側合成電場在左右風速影響下先增大后減少。兩者合成電場在左右風速影響下的變化趨勢相反。由此可見，對于雙回直流輸電線路，塔型結構與同側極性不是作為單一性因素影響合成電場在風速下的變化趨勢。塔型結構與同側極性共同作用下的空間離子狀態(tài)分布是影響雙回直流線路合成電場在風速下變化趨勢的關鍵因素。

1A布置（+-/-+）與2A布置（+-/-+）的合成電場在變化趨勢上雖然有一側為先增大后減小，但合成電場近風側與遠風側的變化趨勢從整體上來看是呈現(xiàn)減少趨勢的。

3.4? ? 合成電場峰值動態(tài)變化

根據(jù)GB 50790—2013《±800 kV直流架空輸電線路設計規(guī)范》中對非居民區(qū)的電磁環(huán)境限值的規(guī)定，直流輸電線路合成電場的峰值是評估的重要指標[6]。基于橫風0～11 m/s的動態(tài)干擾，不同布置方式下合成電場峰值變化如表3所示。

由表3可知，1A布置（+-/-+）下的合成電場的最大峰值最小，為31.8 kV·m-1。在峰值變化率方面，1A布置（+-/-+）下合成電場的峰值變化率最低，表明1A布置（+-/-+）下直流輸電線路合成電場峰值受風速影響較小。

4? ? 結論

本文基于動態(tài)風速對不同架構下地面合成電場的變化趨勢以及峰值進行研究，通過對比不同布置方式下合成電場變化趨勢、原始峰值、最大峰值以及峰值變化率，評估出1A布置（+-/-+）的極導線布置方式和桿塔型式具有優(yōu)異的抗風性和穩(wěn)定性，可為多風區(qū)域的雙回混壓直流輸電工程提供技術方案參考。

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收稿日期：2024-03-04

作者簡介：戚無限（2000—），男，江蘇人，碩士研究生，研究方向：直流輸電線路電磁環(huán)境。