基于APDL的特高壓直流輸電線路標(biāo)稱場強(qiáng)數(shù)值計(jì)算分析

徐東捷，馬愛清，張周勝，趙 璐，李 峰

(上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090)

目前，我國采用西電東送的政策來解決電力負(fù)荷需求與能源分布不平衡的問題.相比高壓交流輸電，特高壓直流輸電在長距離、大容量的電力傳輸方面具有一定的優(yōu)勢，因此在我國部分輸電工程中已經(jīng)逐步開始采用，且應(yīng)用前景廣闊.[1]由于標(biāo)稱電場是分析特高壓直流線路對環(huán)境影響的重要指標(biāo)之一，因此隨著±800 kV特高壓直流輸電工程的建設(shè)，輸電線路附近所產(chǎn)生的標(biāo)稱場強(qiáng)成為研究熱點(diǎn)之一.[2]目前有很多種用于計(jì)算特高壓直流輸電線路附近電場分布的方法，其中最常用的是有限元法.

由于在仿真特高壓直流輸電線路中需要建立計(jì)算模型，模型的參數(shù)包括對地高度H，分裂導(dǎo)線數(shù)目N，極間距 D，導(dǎo)線分裂半徑 R等，因此有限元軟件ANSYS的GUI在實(shí)際計(jì)算過程中對每一次相應(yīng)參數(shù)的改變，都需要重新建立輸電線路模型，并且需要進(jìn)行大量的重復(fù)性工作，這大大增加了工作量.為了簡化仿真過程，提高仿真效率，本文基于ANSYS軟件中的二次開發(fā)語言(ANSYS Parametric Design Language，APDL)對不同導(dǎo)線高度、不同極間距、不同分裂導(dǎo)線數(shù)和不同導(dǎo)線分裂半徑等運(yùn)行方式進(jìn)行仿真計(jì)算.

1 APDL及基于APDL的仿真

1.1 APDL

APDL是ANSYS的二次開發(fā)語言，可以適用于模型的建立和一些通用性強(qiáng)的任務(wù)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)網(wǎng)格劃分和優(yōu)化設(shè)計(jì)等ANSYS的經(jīng)典特性，這也為日常分析提供了便利.[3]運(yùn)用APDL能更簡單快捷地對不同參數(shù)進(jìn)行修改，從而更準(zhǔn)確地讀出標(biāo)稱場強(qiáng)的變化規(guī)律.運(yùn)用APDL程序能夠簡化仿真步驟，降低對使用者的要求，也可以提高結(jié)果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.

用APDL對工程仿真進(jìn)行處理的環(huán)節(jié)包括前處理、求解和后處理.[4-5]前處理環(huán)節(jié)主要包括數(shù)據(jù)的篩選、模型的建立、網(wǎng)格的劃分，以及對材料單元和材料屬性的定義等，這一步驟為仿真計(jì)算提供了模型建立的依據(jù)，并為下面的求解和后處理打下了基礎(chǔ).[6]求解環(huán)節(jié)主要是對輸電線路模型適用約束條件后，再用solution命令求解.后處理環(huán)節(jié)可以用來分析某一平面上的場強(qiáng)分布.

1.2 基于APDL的仿真

使用APDL對特高壓輸電線路進(jìn)行仿真.首先，在ANSYS的GUI下對一種初始值情況下的輸電線路地面標(biāo)稱場強(qiáng)的分布進(jìn)行仿真，對File.log文件中所記錄的命令流進(jìn)行篩選和整理，然后將其中代碼以TXT文件進(jìn)行保存.

然后通過READ INPUT FROM來讀取文件，通過修改參數(shù)來進(jìn)行仿真計(jì)算:

(1)在文件中修改輸電線路導(dǎo)線分裂數(shù)N，初值設(shè)置為4，步長設(shè)置為2，最大限值設(shè)置為8;

(2)在程序中修改輸電線路對地高度 H，初值設(shè)為17 m，步長設(shè)置為2 m，最大限值設(shè)置為25 m;

(3)在文件中修改輸電線路兩極間的極間距D，初值設(shè)置為18 m，步長設(shè)置為2 m，最大限值設(shè)置為26 m;

(4)在文件中修改輸電線路導(dǎo)線的分裂半徑R，初值設(shè)置為 0.4 m，步長設(shè)置為 0.05 m，最大限值設(shè)置為0.55 m.

具體流程如圖1所示.

圖1 APDL仿真流程示意

2 實(shí)例分析

以向家壩—上?！?00 kV特高壓直流輸電工程為例，其輸電線路選用6×720 mm2導(dǎo)線.導(dǎo)線對地高度H=21 m，導(dǎo)線分裂半徑R0=0.45 m，極間距 D=22 m，子導(dǎo)線半徑r=17.2 mm.[7]

首先，建立向家壩—上?！?00 kV特高壓直流輸電工程模型.通過仿真計(jì)算，在原始參數(shù)條件下，地面標(biāo)稱場強(qiáng)E在距兩極導(dǎo)線中心距離S處的分布情況如圖2所示.然后，從LIST工具欄下LOG FILE讀出語句，其中代碼以TXT文件形式讀出.最后，對語句中的參數(shù)進(jìn)行修改，保存在新建的TXT文件下，通過READ INPUT FROM即能通過改變參數(shù)得出不同的仿真結(jié)果.

由圖2可知，在兩極導(dǎo)線的中心處標(biāo)稱場強(qiáng)的值為零，這是因?yàn)閮蓸O導(dǎo)線的線電荷大小相等但符號相反，在相互作用下相互抵消.地面標(biāo)稱場強(qiáng)先隨著距離的增大而增大，在距離輸電線路中心點(diǎn)大約18 m處達(dá)到最大值11.045 kV/m，然后隨著距離的增大慢慢變小，最后趨于零.

圖2 地面標(biāo)稱場強(qiáng)分布

2.1 不同分裂導(dǎo)線數(shù)下標(biāo)稱場強(qiáng)最大值的變化

保存的文件中其他參數(shù)不變，分裂導(dǎo)線數(shù)目N取4時(shí)進(jìn)行仿真計(jì)算.然后改變 N，N=N+2，通過READ INPUT FROM來讀取文件再進(jìn)行仿真.仿真結(jié)果如表1所示.

表1 不同分裂導(dǎo)線下標(biāo)稱場強(qiáng)峰值

在建模和網(wǎng)格劃分上，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，建立在不同參數(shù)下6分裂導(dǎo)線模型的網(wǎng)格數(shù)比4分裂模型的網(wǎng)格數(shù)要密.由表1可以看出，相比于6分裂的導(dǎo)線，4分裂的導(dǎo)線，周圍場強(qiáng)較大，而這也是直流輸電線路中采用6分裂而不用3分裂和4分裂的原因.采用較多的分裂數(shù)可以抑制峰值場強(qiáng)的大小.因此，采用6分裂的輸電線路可以減少地面標(biāo)稱場強(qiáng).由于采用8分裂導(dǎo)線成本過高，而且會使工程建設(shè)周期加長.在考慮到經(jīng)濟(jì)性的條件下，工程中一般采用6分裂導(dǎo)線來減少標(biāo)稱場強(qiáng)和線下人員所受電場強(qiáng)度，以提高運(yùn)行的安全性，減少對環(huán)境的影響.

2.2 不同對地高度下標(biāo)稱場強(qiáng)最大值的變化

保存的文件中其他參數(shù)不變，將導(dǎo)線對地高度H取為17 m進(jìn)行仿真計(jì)算.[8]然后改變 H，H=H+2，通過READ INPUT FROM來讀取文件再進(jìn)行仿真.最后直至H取到25 m時(shí)結(jié)束仿真.在相同22 m極間距，6分裂導(dǎo)線數(shù)下標(biāo)稱場強(qiáng)最大值Emax的變化情況和仿真結(jié)果如圖3所示.

圖3 不同對地高度下標(biāo)稱場強(qiáng)最大值的變化曲線

由圖3可知，在分裂導(dǎo)線數(shù)相同且極間距相同的情況下，對地高度為17 m，19 m，21 m，25 m處標(biāo)稱場強(qiáng)最大值分別為15.573 kV/m，12.023 kV/m，8.34 kV/m，6.975 kV/m.由此可以看出，隨著高度的上升，標(biāo)稱場強(qiáng)最大值分別減小了3.550 kV/m，3.683 kV/m，1.365 kV/m，由此表明標(biāo)稱場強(qiáng)的最大值是隨著對地高度的增大而減小的.這是因?yàn)榈孛娓叨鹊脑黾訒箤?dǎo)體與大地這兩極之間的距離也隨之增大，這樣導(dǎo)線與大地間所形成的電容即對地電容就會變小，從而使得標(biāo)稱場強(qiáng)也隨之變小.

2.3 不同極間距下標(biāo)稱場強(qiáng)最大值的變化

保存的文件中其他參數(shù)不變，將導(dǎo)線的極間距D取為18 m，進(jìn)行仿真計(jì)算.[9]然后改變 D，D=D+2，通過READ INPUT FROM 來讀取文件再進(jìn)行仿真.最后直至D取到26 m時(shí)結(jié)束仿真.6分裂導(dǎo)線數(shù)下標(biāo)稱場強(qiáng)的變化情況和仿真結(jié)果如圖4所示.

圖4 不同極間距下標(biāo)稱場強(qiáng)最大值的變化曲線

由圖 4可知，極間距為 18 m，22 m，24 m，26 m時(shí)標(biāo)稱場強(qiáng)最大值分別為 8.167 kV/m，8.341 kV/m，9.157 kV/m，9.656 kV/m.隨著極間距的增加，最大值分別增加了 0.174 kV/m，0.816 kV/m，0.499 kV/m.由此可以看出，標(biāo)稱場強(qiáng)的最大值是隨著極間距的增大而增大的.這是因?yàn)閷?dǎo)線下方的標(biāo)稱場強(qiáng)是由兩極導(dǎo)線的疊加作用產(chǎn)生的，由于輸電導(dǎo)線極性相反時(shí)會產(chǎn)生場強(qiáng)相互抵消的效應(yīng)，但極間距的增加會使這種效應(yīng)減弱，從而導(dǎo)致標(biāo)稱場強(qiáng)的增加.

2.4 不同導(dǎo)線分裂半徑對標(biāo)稱場強(qiáng)的影響

保存的文件中其他參數(shù)不變，將導(dǎo)線的分裂半徑R取為0.4 m進(jìn)行仿真計(jì)算.然后改變R，R=R+0.05，通過 READ INPUT FROM 來讀取文件再進(jìn)行仿真.最后直至R取到0.55 m時(shí)結(jié)束仿真.仿真結(jié)果如圖5所示.

從圖 5可以看出，分裂半徑為 0.4 m，0.45 m，0.5 m，0.55 m 時(shí)標(biāo)稱場強(qiáng)最大值為 8.93 kV/m，9.233 kV/m，9.49 kV/m，9.642 kV/m，分別減少了 0.303 kV/m，0.257 kV/m，0.152 kV/m.由此表明，標(biāo)稱場強(qiáng)的最大值是隨著導(dǎo)線分裂半徑的增大而增大的.這是因?yàn)榉至验g距的增大會導(dǎo)致等效半徑增大，而導(dǎo)線的等效截面面積的增大會使導(dǎo)線的對地電容也隨之增加，從而使得導(dǎo)線下方所產(chǎn)生的地面標(biāo)稱電場增大.

2.5 避雷線對標(biāo)稱場強(qiáng)的影響

在向家壩—上海的輸電線路上加裝避雷線，分析其對標(biāo)稱場強(qiáng)的變化影響.仿真過程中其他參數(shù)設(shè)置與原先數(shù)據(jù)不變，在輸電線路上方架設(shè)25 m高的避雷線，取避雷線半徑為0.008 75 m，避雷線上施加電位為0 kV.[10]

采用ANSYS進(jìn)行仿真計(jì)算，取22 m高度的曲線進(jìn)行比對.對是否加裝避雷線時(shí)標(biāo)稱場強(qiáng)的數(shù)值進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示.由表2可知，未加裝避雷線的最大值為9.994 kV/m，而加裝避雷線的峰值是由避雷線和兩極輸電導(dǎo)線共同作用產(chǎn)生的，其仿真數(shù)值為10.264 kV/m，兩者的差值為0.27 kV/m.由此可以看出，加裝避雷線后，能增加輸電線路下方的標(biāo)稱場強(qiáng)，但增加的幅度不大.

3 結(jié)論

(1)標(biāo)稱場強(qiáng)的最大值會隨著對地高度的增加而減少，而且從計(jì)算結(jié)果可以看出，導(dǎo)線的對地高度是對標(biāo)稱場強(qiáng)最大值影響最大的因素;

(2)標(biāo)稱場強(qiáng)的最大值會隨著兩極導(dǎo)線之間極間距的增大而增大，隨著輸電線路分裂半徑的增大而增大;

(3)避雷線的使用會增大地面的標(biāo)稱場強(qiáng)最大值，但影響幅度很小.

[1]劉振亞.特高壓電網(wǎng)(工程)的前期論證[M].北京:中國電力出版社，2008:10-22.

[2]吳桂芳，陸家榆，邵方殷.特高壓等級輸電的電磁環(huán)境研究[J].中國電力，2005，36(5):24-27.

[3]張樂樂，譚南林，焦風(fēng)川.ANSYS輔助分析應(yīng)用基礎(chǔ)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社，2006:4-24.

[4]劉國慶，楊慶東.ANSYS工程應(yīng)用教程[M].北京:中國鐵道出版社，2003:35-40.

[5]博弈創(chuàng)作室.APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例[M].北京:中國水利水電出版社，2004:28-32.

[6]郝光生.ANSYS可視化建模在FLAC3D前期處理中的應(yīng)用[J].煤炭工程，2011(9):90-92.

[7]柴賢東.特高壓直流輸電線下電場和電暈損耗分析[D].重慶:重慶大學(xué)，2012.

[8]王勤.西北750 kV輸電線路工頻電場模擬試驗(yàn)研究[J].高電壓技術(shù)，2005，31(5):34-36.

[9]楊勇.極導(dǎo)線垂直排列直流線路地面合成電場的一種計(jì)算方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，21(27):13-18.

[10]劉華娟.±800 kV特高壓直流輸電線路周圍電場強(qiáng)度的研究[D].南寧:廣西大學(xué)，2012.