基于有限元方法對高壓架空輸電線路風偏電場的研究

董躍周

（中國南方電網超高壓輸電公司,廣東廣州,51000）

基于有限元方法對高壓架空輸電線路風偏電場的研究

董躍周

（中國南方電網超高壓輸電公司,廣東廣州,51000）

中國地域遼闊氣候復雜，架空輸電線路經常面臨風速大、颮線風多以及其它惡劣天氣因素的影響，導致頻繁出現(xiàn)輸電線路風偏故障，對電力系統(tǒng)安全運行構成嚴重威脅。導線周圍的電場能夠反映輸電線路風偏情況，對輸電線路風偏電場的研究有利于風偏故障的防治。本文基于有限元方法對西北電網330kV架空輸電線路風偏電場進行模擬，獲取了輸電線路周圍電場分布的仿真結果。根據(jù)不同風速下輸電線路的電場分布，采取相應的防風措施，可以大大降低風偏故障發(fā)生概率，這對電力系統(tǒng)的安全運行具有重要的工程意義和經濟價值。

風偏故障；風偏電場；有限元方法；防風措施

0 前言

近年來，由于氣候變化帶來的突發(fā)性惡劣天氣逐漸增多，導致大風所引起的輸電線路風偏故障經常發(fā)生，常常會引起線路跳閘、導線電弧燒傷、斷股、斷線等一系列問題。對于輸電線路風偏故障的成因，國內外相關領域的專家都做了大量的研究與分析，普遍認為是由內、外兩個因素造成的，內因就是輸電線路的機械強度不夠，外因則是強風強降雨天氣對輸電線路的影響。針對內外兩個因素，就可以采取相應的措施來提高輸電線路抵御風偏的能力。在國內，有關輸電線路風偏的計算方法還不夠充足，西南電力設計院曾對絕緣子串發(fā)生風偏進行了仿真，通過有限元仿真軟件ABAQUS，對輸電線路風偏電場進行模擬分析，得到風速對絕緣子串風偏的影響。中國電力科學研究院早在上世紀八十年代就對懸垂絕緣子串風偏角進行了測量。在國外對輸電線路風偏的研究多為風偏角的計算，其計算方法主要依據(jù)以下兩個方面，一是絕緣子串與桿塔之間的距離，二是輸電導線與建筑物之間的距離，當受到強風作用時上述兩個對象會發(fā)生改變，對最小距離進行分析計算就可得到絕緣子串風偏角的計算公式。John G.St.Clair在文獻[9]中研究了輸電導線受到強風作用后與建筑物之間的最小間距，并推導出了如何計算風偏角的方法。Rikh V. N.在文獻[10]中通過對輸電線路進行作圖分析，最后推導出一個風偏角的計算公式。本文針對高壓架空輸電線路，在大風強降雨等惡劣天氣因素的影響下，由于架空輸電線路受風的作用會經常發(fā)生風偏故障，風偏電場能夠刻畫架空輸電線路的風偏程度。因此，對架空輸電線路風偏電場進行研究，從而采取相應的防風偏措施，對風偏故障的防治有重要意義。

1 輸電線路風偏故障機理分析

1.1 導線有關風壓的計算

風壓值就是以某一恒定風速的風垂直吹到導線上，其單位面積受到的壓力，即具有一定動能的流體遇到物體時，由于受到阻力的作用速度會降低，當速度為零時，此時流體的動能將轉化為對物體表面單位面積上的壓力，其計算公式為：

自然條件下導線實際風壓與理論風壓不同，還要結合風速不均系數(shù)、導線體形系數(shù)以及風向與導線間角度等影響因素進行計算，其公式如下：

1.2 風速對風偏角的影響

風速對改變輸電導線風偏角大小起主導作用，風偏角隨著風速的增大而增大，因此，也使得在相同條件下輸電導線（或絕緣子串）的空氣間隙變小，以風速為變量，通過風偏角計算公式得到導線的風偏角與風速的關系如圖1所示：

圖1 導線風偏角與風速關系曲線

風偏角計算公式為：

2 有限元法計算風偏電場及仿真結果

有限元法計算工頻電場時，假設條件相對較少，因此，能夠較為詳細的考慮各種影響的因素，當網格的剖分達到一定精度時，其計算結果也就可以達到所要求精度，且計算結果較為準確。

對于交流輸電線路電磁場控制方程為：

式中，E為輸電導線周圍場強，B為磁感應強度，H為磁場強度，D為電位移矢量，為電荷密度，J為電流密度。

根據(jù)上述風偏電場的計算方法，針對強風引起絕緣子風偏現(xiàn)象，建立了三維大場域線路絕緣子的有限元計算模型，仿真計算了330kV架空輸電線路絕緣子的電位和電場分布，針對門形塔在風偏角分別為0°、30°、45°及60°進行了仿真，其中風偏角為60°的仿真示意圖2所示：

圖2 風偏角為30°時輸電線路整體及導線周圍電勢分布

圖3 不同極間距導線下方橫向電場分布

為了進一步分析導線周圍電場的變化趨勢，繪制出不同風偏下最大場強的變化曲線如圖3所示：

由仿真結果可以看出上述不同的極間距導線下方距地面3m處的電場強度可高達10kV/m，此處風偏電場的模擬值須控制在高壓電場限值（如表1所示）以內，使導線與導線之間、導線與桿塔之間保持足夠的距離，即使導線與桿塔之間的空氣間隙縮小到最小，也能保證輸電線路不發(fā)生風偏故障。

表1 國際非電離輻射防護委員會關于高壓電場限值表

并且圖3顯示隨著極間距的增大，電場強度的變化趨于平緩。為了降低高壓輸電線路周圍無線電干擾及合成磁場對人們生活的影響，須使導線周圍電場強度控制在安全限值以內，可以采取增大極間距以及加強導線的機械強度等措施，但改造費用也會相應的增加。因此，在防治輸電線路風偏故障，改變輸電桿塔結構時要綜合考慮工程投資，能量損耗，無線電干擾及地面合成場強等因素。

3 結論

本論文以330kV架空輸電線路高壓輸電線路為分析對象，基于有限元算法對實際線路進行模擬，并根據(jù)仿真結果分析了實際線路在不同風偏狀態(tài)下的電場分布，本文對架空輸電線路風偏電場分布進行研究，輸電線路在電場中受到電場力的作用，風偏電場的快速變化導致輸電線路劇烈運動。為了防治輸電線路風偏故障的發(fā)生，在實際線路建設過程中應避免輸電線路周圍場強超過安全場強，從而可以大大提高輸電線路的安全運行的可靠性。

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董躍周（1986--），男，本科，工程師，現(xiàn)工作于中國南方電網超高壓輸電公司，主要從事超高壓直流輸電運維及建設。

Research on the wind bias electric field of high voltage overhead transmission lines based on the finite element method

Dong Yuezhou
（Extra High Voltage Power Transmission Company of China Southern Power Grid,Guangzhou,Guangdong,51000）

China has a vast territory and complex climate，overhead transmission lines often face high wind speed,squall line wind and other weather factors influence, resulting in frequent transmission line windage yaw fault, which poses a serious threat to the safe operation of the power system. The electric field around the conductor can reflect the wind bias of the transmission line, which is conducive to the prevention and control of the wind bias fault. Based on the finite element method, the wind bias field of 330kV overhead transmission line in the northwest power grid is simulated, and the simulation results of the distribution of the electric field around the transmission line are obtained.According to the different wind speed transmission line of electric field distribution, take corresponding precautionary measures, can greatly reduce the wind leaning fault probability, the safe operation of power system has important engineering significance and economic value.

wind bias fault; wind bias electric field; finite element method;wind proof measures