1 000 kV特高壓交流線路帶毛刺導(dǎo)線的電場分析

潘榮超，徐元超

（國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟南 250118）

1 000 kV特高壓交流線路帶毛刺導(dǎo)線的電場分析

潘榮超，徐元超

（國網(wǎng)山東省電力公司檢修公司，濟南 250118）

針對1 000 kV輸電線路導(dǎo)線帶毛刺時可能導(dǎo)致電暈放電的現(xiàn)象，研究1 000 kV輸電線路導(dǎo)線帶毛刺時的電場分布。介紹有限元法方程，建立1 000 kV輸電線路導(dǎo)線在正常情況下和存在毛刺下的二維有限元數(shù)學(xué)模型，利用有限元分析軟件對八分裂導(dǎo)線進行電場仿真。電場仿真結(jié)果表明在分裂導(dǎo)線毛刺部位電場增強，明顯超過氣隙的擊穿場強而產(chǎn)生局部放電。

1 000 kV特高壓線路；八分裂導(dǎo)線；毛刺；有限元；電場分布

0 引言

當輸電線路導(dǎo)線表面的電場強度超過空氣的擊穿強度時（當金具表面電場超過電暈起始場強2.0～2.2 kV／mm［1-2］），就會發(fā)生電暈放電。電暈放電與導(dǎo)線表面均勻度有關(guān)，曲率半徑越大，越容易發(fā)生電暈放電，因而，新導(dǎo)線的毛刺、斷股導(dǎo)線以及其他金屬突出物將會成為電暈源點。電暈放電將產(chǎn)生可聽噪聲、無線電干擾和電暈損失等，是環(huán)境保護和電磁兼容技術(shù)領(lǐng)域中的重要研究課題［3-4］。

可聽噪聲、無線電干擾水平和電暈損失與導(dǎo)線表面場強大小密切相關(guān)，而且導(dǎo)線表面場強大小與線路電壓等級有關(guān)。隨著電壓等級的提高，特別是特高壓的迅速發(fā)展，可聽噪聲、無線電干擾水平和電暈損失成為特高壓架空線路設(shè)計中不得不考慮的問題。為減小特高壓架空輸電線路的電暈，一般采取增加導(dǎo)線分裂數(shù)和采用截面積更大的導(dǎo)線的方法，通常采用八分裂導(dǎo)線［5］。導(dǎo)線表面的電暈與電場強度大小有關(guān)［6］，因此，求解1 000 kV特高壓交流線路分裂導(dǎo)線帶毛刺的電場分布成為主要研究內(nèi)容。研究電暈放電主要是通過有限元優(yōu)化分析，或者利用檢測手段，主要是紫外檢測，或者采用二者相結(jié)合的方法［7］。本文采用有限元法研究八分裂導(dǎo)線的電暈放電。

介紹有限元法的控制方程，建立1 000 kV特高壓線路八分裂導(dǎo)線的有限元數(shù)學(xué)模型，利用有限元軟件對八分裂導(dǎo)線存在毛刺情況下進行電場仿真，對不帶毛刺和帶毛刺兩種情況下的電場分布對比分析。分析結(jié)果表明分裂導(dǎo)線毛刺部位電場出現(xiàn)電場畸變，超過氣隙的擊穿場強就會產(chǎn)生局部放電，即發(fā)生電暈放電。

1 有限元法的控制方程

八分裂導(dǎo)線滿足的邊值方程

式中：φ為標量電位；Γ1為第一類邊界；u0為第一類邊界上電位給定值；Γ2為第二類邊界［8］。

該方程組可以轉(zhuǎn)化為變分問題，即轉(zhuǎn)化為

式中：J［φ］為電位φ的二次泛函［9］。

利用有限元仿真軟件建立八分裂導(dǎo)線二維模型，根據(jù)有限元法的計算步驟即可求出分裂導(dǎo)線的電場分布。

2 模型

根據(jù)1 000 kV錫盟—山東特高壓交流輸變電工程設(shè)計選取參數(shù)，導(dǎo)線采用8×JL1／G1A-630／45鋼芯鋁絞線，分裂間距為400 mm，如圖1所示。通過查表及對實際導(dǎo)線測量［10］，可以知道該分裂導(dǎo)線的外徑為33.60 mm?？紤]到分析方便，利用ANSYS軟件建立1 000 kV線路八分裂導(dǎo)線不帶毛刺和帶毛刺的二維模型，如圖2所示。其中圖2（a）為不帶毛刺的模型，圖2（b）為含有毛刺的模型。

圖1 八分裂導(dǎo)線結(jié)構(gòu)

模型建立后，對模型進行參數(shù)設(shè)置，然后進行網(wǎng)格剖分。網(wǎng)格剖分完畢，設(shè)置邊界條件，對分裂導(dǎo)線加高電位，即，同時對空氣邊界加0電位。

設(shè)置好邊界條件，然后求解，通過后處理就可以得到帶電導(dǎo)線的電位分布和電場分布。

圖2 八分裂導(dǎo)線的二維模型

3 電場仿真結(jié)果與分析

3.1 沒有毛刺的導(dǎo)線電場分布

通過對模型圖2（a）進行仿真，得到?jīng)]有毛刺的導(dǎo)線電場分布如圖3所示，圖4所示為放大后的局部圖形。

圖3 不帶毛刺的導(dǎo)線電場分布

圖4 不帶毛刺的導(dǎo)線電場分布（放大）

由圖3、圖4可見，無毛刺的導(dǎo)線電場分布均勻，電場最大值在分裂導(dǎo)線表面，電場最大值為2 327 kV／m，即2.327 kV／mm。根據(jù)高壓端金具表面電場超過電暈起始場強2.0～2.2 kV／mm，可知在導(dǎo)線沒有毛刺時，特高壓線路也會發(fā)生電暈。

3.2 有毛刺的導(dǎo)線電場分布

通過對模型2（b）仿真，得到含有毛刺的導(dǎo)線電場分布如圖5所示，圖6所示為放大后的局部圖形。

圖5 帶毛刺的導(dǎo)線電場分布

圖6 帶毛刺的導(dǎo)線電場分布（放大）

圖5、圖6可見，分裂導(dǎo)線的電場最大值出現(xiàn)在分裂導(dǎo)線毛刺處，該處電場出現(xiàn)畸變，場強達到2 746 kV／m，即2.746 kV／mm。根據(jù)高壓端金具表面電場超過電暈起始場強2.0～2.2 kV／mm，可知在導(dǎo)線有毛刺時，特高壓線路毛刺處電場大大超過電暈起始場強，電暈放電將更加明顯。

3.3 無毛刺導(dǎo)線與有毛刺導(dǎo)線電場分布比較

將有毛刺導(dǎo)線和無毛刺的導(dǎo)線電場分布最大場強進行比較。無毛刺導(dǎo)線最大場強為2.327 kV／mm；有毛刺導(dǎo)線最大場強：2.746 kV／mm。

可知，當導(dǎo)線表面有毛刺時，毛刺處電場會發(fā)現(xiàn)畸變，最高場強可提高1.18倍，遠超過空氣的擊穿場強會產(chǎn)生電暈。因此，在線路投運前，應(yīng)對導(dǎo)線加強驗收，防止因毛刺或斷股導(dǎo)致電暈放電的發(fā)生。

4 結(jié)語

特高壓線路導(dǎo)線出現(xiàn)毛刺時，會發(fā)生電場畸變，超過空氣的擊穿場強時，會產(chǎn)生電暈。在線路投運前應(yīng)加強線路的驗收，將毛刺應(yīng)磨平，對斷股的導(dǎo)線應(yīng)及時修復(fù)。在雷電過后，應(yīng)加強線路的巡視，及時發(fā)現(xiàn)和修復(fù)斷股導(dǎo)線。

［1］鄧桃，趙志剛，李鵬，等.基于有限元方法的1 000 kV級特高壓交流線路耐張串均壓環(huán)優(yōu)化設(shè)計［J］.中國電力，2007，40（12）. 43-47.

［2］司馬文霞，楊慶，孫才新，等.基于有限元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對超高壓合成絕緣子均壓環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2005，25（17）：115-120.

［3］劉振亞.特高壓電網(wǎng)［M］.北京：中國經(jīng)濟出版社，2005.

［4］張啟春，阮江軍，喻劍輝.高壓架空線下空間場強的數(shù)學(xué)模型［J］.高電壓技術(shù)，2000，26（1）：19-21.

［5］趙智大.高電壓技術(shù)（第二版）［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［6］潘榮超，劉念，甘德剛，等.500 kV絕緣子串含零值絕緣子時的電暈放電分析［J］.電測與儀表，2014，51（6）：50-54.

［7］黃道春，阮江軍，張宇，等.緊湊型輸電線異型分裂導(dǎo)線周圍工頻電場研究［J］.高電壓技術(shù)，2006，32（4）：55-57.

［8］潘榮超，劉念，周凱，等.振蕩電壓波作用下電纜局部放電的仿真分析［J］.電測與儀表，2013，50（8）：10-13.

［9］顏威利，楊慶新，汪友華，等.電氣工程電磁場數(shù)值分析［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［10］韓崇，吳安官，韓志軍.架空輸電線路施工實用手冊［M］.北京：中國電力出版社，2008.

Electric Field Analysis of 1 000 kV UHV AC Line with Burrs

PAN Rongchao，XU Yuanchao
（State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China）

Aimed at the situation that the 1 000 kV UHV AC line with burrs can lead corona discharge，the electric field distribution of 1 000 kV UHV AC line with burr is studied.The finite element method is introduced，and the two dimensional finite element mathematical model of 1 000 kV UHV AC 8-bundled conductor are built，in which the line with burr and no burr are taken into account.The electric field distribution of the 8-bundled conductor is calculated by using the finite software. Simulation results show that the electric field of the line with burrs，which is more easily to partial discharge，is larger than the line with no burr.

1 000 kV UHV AC line；8-bundled conductor；burr；finite；electric field distribution

TM851

A

1007－9904（2017）02－0043－03

2016-10-22

潘榮超（1987），男，工程師，從事超、特高壓輸電線路運行與檢修工作；

徐元超（1975），男，從事超、特高壓輸電線路運行與檢修工作。