特高壓輸電新型碳纖維導(dǎo)線的電磁特性

劉洪正

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟南 250003）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟水平飛速發(fā)展，城市規(guī)模和現(xiàn)代化程度日益提高，用電負(fù)荷也與日俱增。針對該電力傳輸問題，越來越多的學(xué)者開始探索采用新型輸電導(dǎo)線代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼芯鋁絞線［1］，鋼芯鋁絞線導(dǎo)線結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼芯鋁絞線導(dǎo)線結(jié)構(gòu)

碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線因其強度高、密度低、導(dǎo)電性能好等優(yōu)點逐漸被關(guān)注和使用。自20世紀(jì)90年代，日本和美國相繼開發(fā)生產(chǎn)了碳纖維導(dǎo)線并嘗試商業(yè)運營，我國從2005年開始相關(guān)領(lǐng)域的研究工作并不斷在實際工程中應(yīng)用［2］，但其在特高壓輸電線路中還未被推廣。針對傳統(tǒng)碳纖維導(dǎo)線抗剪切力性能差以及金具工藝復(fù)雜等問題［3］，設(shè)計研發(fā)了一種采用鋁包覆技術(shù)生產(chǎn)的新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，以提高碳纖維徑向耐壓性能，進(jìn)一步提升新型導(dǎo)線的實際應(yīng)用能力［4］。

基于上述研究現(xiàn)狀，針對型號分別為JLRX1／F2A-800／70 和 JLRX1／F2A-400／40 的新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，建立二維物理模型，采用ANSYS MAXWELL軟件對該導(dǎo)線在特高壓輸電條件下的電場強度、磁感應(yīng)強度與可聽噪聲等特性開展數(shù)值模擬計算研究，驗證其是否滿足相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)要求。同時，為探究新型導(dǎo)線的優(yōu)勢，建立了型號為JL／G1A-400／50 和 JL／G1A-800／65 鋼芯鋁絞線的計算模型，并進(jìn)行對比分析，為新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在特高壓領(lǐng)域中的推廣和應(yīng)用提供參考。

1 導(dǎo)線模型的數(shù)值計算

1.1 各類導(dǎo)線結(jié)構(gòu)及參數(shù)

新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線結(jié)構(gòu)如圖2所示，由內(nèi)而外依次為碳纖維復(fù)合芯棒、鋁包覆結(jié)構(gòu)以及采用梯形截面的軟鋁絞線層。

根據(jù)新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線和鋼芯鋁絞線的結(jié)構(gòu)以及國家標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)尺寸等參數(shù)［5-6］，假設(shè)導(dǎo)線為無限長導(dǎo)線，建立二維單根導(dǎo)線計算模型，導(dǎo)線具體參數(shù)如表1和表2所示。

圖2 新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線結(jié)構(gòu)

表1 新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線參數(shù) mm

表2 鋼芯鋁絞線參數(shù) mm

1.2 模型建立與設(shè)置

基于上述參數(shù)建立單根導(dǎo)線的物理模型，JLRX1 ／F2A-800 ／70，JLRX1／F2A-400／40，JL／G1A-800／65與 JL／G1A-400／50共 4種型號的導(dǎo)線模型如圖3所示。其中，新型碳纖維導(dǎo)線采用型線形式，整體結(jié)構(gòu)自內(nèi)至外依次為碳纖維復(fù)合芯棒、鋁包覆結(jié)構(gòu)以及兩層鋁絞線；鋼芯鋁絞線的結(jié)構(gòu)由內(nèi)至外依次分別為由7根單線組成的鋼芯以及多層鋁絞線。

圖3 不同型號導(dǎo)線模型

因?qū)Ь€的實際周圍環(huán)境為開放性區(qū)域，為避免計算域選取而產(chǎn)生數(shù)值仿真的截斷誤差，建立以導(dǎo)線為中心、半徑為60 m的半圓計算域，底部邊界代表地面。通過上述設(shè)置形成所用的二維計算模型，其模型如圖4所示。

圖4 計算模型

在計算過程中，為考慮1 000 kV特高壓輸電電網(wǎng)運行中的情況，采用相電壓的有效值作為激勵條件施加在導(dǎo)線上，其數(shù)值為816.496 kV。同時，將半圓計算域下邊界和圓弧邊界的電勢均設(shè)置為0 kV。

采用ANSYS MAXWELL軟件對上述二維模型進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，并將導(dǎo)線的材料設(shè)置為鋁合金，計算域的材料選擇為空氣，具體材料的物理參數(shù)如表3所示。

通過以上操作和設(shè)置開展相關(guān)數(shù)值模擬，計算結(jié)束后讀取數(shù)據(jù)并對比分析不同模型的結(jié)果。

表3 各部分材料的物理參數(shù) S·m－1

2 新型碳纖維導(dǎo)線與鋼芯鋁絞線特性的對比分析

為驗證新型碳纖維導(dǎo)線在特高壓條件下電磁及可聽噪聲特性能否滿足相關(guān)要求，除按國家相關(guān)電磁環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)［7］的數(shù)據(jù)判斷外，進(jìn)一步與相應(yīng)鋼芯鋁絞線的計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

2.1 JLRX1／F2A-800／70 導(dǎo)線與 JL／G1A-800／65導(dǎo)線的結(jié)果分析

2.1.1 電場強度分析

選取兩種導(dǎo)線計算域內(nèi)電場強度的云圖結(jié)果，觀察其分布特點，并根據(jù)DL／T 1187—2012《中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)）中關(guān)于1 000 kV架空輸電線路電磁環(huán)境控制值的標(biāo)準(zhǔn)，將電場強度分布圖的標(biāo)尺上限選擇為10 kV／m，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 JLRX1／F2A-800／70導(dǎo)線電場強度分布云圖

圖6 JL／G1A-800／65導(dǎo)線電場強度分布云圖

從分布云圖中可以看出，兩種導(dǎo)線的結(jié)果相似，環(huán)境中的電場強度自導(dǎo)線逐漸向四周擴散，數(shù)值逐漸降低，且呈現(xiàn)出近似左右對稱的分布狀態(tài)。而在遠(yuǎn)離導(dǎo)線的空間位置上，兩者電場強度低于電磁環(huán)境控制值的標(biāo)準(zhǔn)，說明新型碳纖維導(dǎo)線與傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線的電學(xué)性能相差不多。為進(jìn)一步觀察電場強度的變化，選取兩個計算模型中心軸線（x=0）上不同高度處的數(shù)值繪制曲線圖，結(jié)果如圖7所示。

曲線中橫坐標(biāo)為高度方向的距離（y軸方向），縱坐標(biāo)為電場強度E。通過對比曲線圖可知，兩種導(dǎo)線沿y軸方向的電場強度呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的最大值約為1.77×103kV／m，而鋼芯鋁絞線的最大值約為1.80×103kV／m，且均出現(xiàn)在導(dǎo)線表面附近，說明新型導(dǎo)線的電場強度略小于傳統(tǒng)導(dǎo)線，具有較好的電學(xué)性能。

圖7 兩種導(dǎo)線電場強度沿y軸方向分布

同時，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于電磁環(huán)境的要求，計算兩種導(dǎo)線距離地面高度為1.5 m處的電場強度大小，型號為JLRX1／F2A-800／70的新型碳纖維導(dǎo)線計算值約為5.347 kV／m，其數(shù)值小于標(biāo)準(zhǔn)，而型號為JL／G1A-800／65的鋼芯鋁絞線計算值約為5.429 kV／m，表明在此相同位置上，傳統(tǒng)導(dǎo)線的電場強度略高于新型碳纖維導(dǎo)線，體現(xiàn)了新型導(dǎo)線不僅能夠滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且相較于同尺寸的鋼芯鋁絞線，在一定程度上其電學(xué)性能更優(yōu)越。

2.1.2 磁感應(yīng)強度分析

除電場特性外，磁場特性也是導(dǎo)線的重要參數(shù)指標(biāo)，故基于上述計算模型，使用ANSYS MAXWELL軟件的磁場求解器，對導(dǎo)線激發(fā)的磁場環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬計算。在磁場計算過程中，由于激勵條件為電流，故選擇80℃下導(dǎo)線的載流量作為激勵條件，具體數(shù)值如表4所示。同時，計算域的邊界條件調(diào)整為無漏磁條件。

計算后查看計算域內(nèi)磁感應(yīng)強度的分布情況，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于1 000 kV架空輸電線路電磁環(huán)境控制值的規(guī)定，磁感應(yīng)強度分布云圖的標(biāo)尺上限選擇為100 μT，結(jié)果如圖8和圖9所示。

表4 80℃下不同導(dǎo)線的載流量 A

圖8 JLRX1／F2A-800／70導(dǎo)線磁感應(yīng)強度分布云圖

圖9 JL／G1A-800／65導(dǎo)線磁感應(yīng)強度分布云圖

從磁感應(yīng)強度分布中可以看出，兩種環(huán)境中的磁感應(yīng)強度均是自導(dǎo)線逐漸向四周擴散，數(shù)值逐漸降低，且呈現(xiàn)出近似左右對稱的分布狀態(tài)，說明新型碳纖維導(dǎo)線在磁場特性上與鋼芯鋁絞線相差不多。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中對于電磁環(huán)境的要求，新型碳纖維導(dǎo)線模型中距離地面高度1.5 m處的磁感應(yīng)強度約為11.338 μT，小于 100 μT 的控制值，而在遠(yuǎn)離導(dǎo)線的空間位置上，磁感應(yīng)強度均低于電磁環(huán)境控制值的標(biāo)準(zhǔn)，說明新型碳纖維導(dǎo)線能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

2.1.3 可聽噪聲分析

輸電線路導(dǎo)線表面的電暈現(xiàn)象會產(chǎn)生可聽噪聲，隨著電壓等級的升高，可聽噪聲已經(jīng)成為設(shè)計高壓輸電線路的重要參數(shù)。目前，各國對輸電線路產(chǎn)生可聽噪聲的限制尚無明確標(biāo)準(zhǔn)，我國GB 3096—2008《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》中環(huán)境噪聲規(guī)定如表5所示。

表5 城市區(qū)域環(huán)境噪聲分類標(biāo)準(zhǔn) dB

由于我國特高壓輸電線路建設(shè)的路徑主要是荒山、林地或農(nóng)業(yè)耕作地區(qū)等非居住環(huán)境地區(qū)，參考我國環(huán)境噪聲的限制標(biāo)準(zhǔn)，則特高壓交流輸電線路的可聽噪聲不宜超過55 dB。

目前，可聽噪聲可以利用經(jīng)驗公式進(jìn)行計算，其中較有代表性的是美國邦納維爾電力局（BPA）總結(jié)的公式，該預(yù)測公式根據(jù)實際試驗線段上的長期實測數(shù)據(jù)推導(dǎo)得出，其計算公式為［8］

式中：S為A計權(quán)聲級，dB；Z為相數(shù)；E為導(dǎo)線的表面電位梯度，kV／cm；Ri為測點至被測i相導(dǎo)的距離，m；deq為導(dǎo)線等效直徑，mm。計算公式為

式中：n為導(dǎo)線分裂數(shù)；d為子導(dǎo)線直徑，mm。

根據(jù)上述原理及公式計算得到新型碳纖維導(dǎo)線和鋼芯鋁絞線在該工況下不同位置處可聽噪聲的結(jié)果，如表6所示。

由理論計算的結(jié)果可知，新型碳纖維導(dǎo)線的可聽噪聲低于55 dB，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，且小于鋼芯鋁絞線的可聽噪聲結(jié)果。結(jié)合與鋼芯鋁絞線電磁性能的對比結(jié)果，說明JLRX1／F2A-800／70新型碳纖維導(dǎo)線不僅能滿足電磁環(huán)境及可聽噪聲的國家標(biāo)準(zhǔn)，其周圍環(huán)境的電場強度和可聽噪聲性能均優(yōu)于鋼芯鋁絞線，是傳統(tǒng)導(dǎo)線良好的替代品。

表6 兩種導(dǎo)線不同位置可聽噪聲計算結(jié)果

2.2 JLRX1／F2A-400／40 導(dǎo)線與 JL／G1A-400／50導(dǎo)線的結(jié)果分析

2.2.1 電場強度分析

在計算過程中，激勵條件與2.1節(jié)中相同。同時，將半圓計算域下邊界和圓弧邊界的電勢均設(shè)置為0 kV。通過分析該型號導(dǎo)線的計算結(jié)果可知，其分布特征與2.1節(jié)相似，兩種導(dǎo)線環(huán)境中的電場強度分布均是自導(dǎo)線逐漸向四周擴散，數(shù)值逐漸降低，且呈現(xiàn)出近似左右對稱的分布狀態(tài)，其最大值均約為1.71×103kV／m，出現(xiàn)在導(dǎo)線表面附近。而在導(dǎo)線正下方靠近地面處以及遠(yuǎn)離導(dǎo)線的空間位置上，電場強度低于電磁環(huán)境控制值的標(biāo)準(zhǔn)。進(jìn)一步根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中對于電磁環(huán)境的要求，計算距離地面高度為1.5 m處的電場強度大小，型號為JLRX1／F2A-400／40的新型碳纖維導(dǎo)線電場強度約為5.116 kV／m，數(shù)值小于標(biāo)準(zhǔn)要求，而型號為JL／G1A-400／50的鋼芯鋁絞線電場強度約為5.201 kV／m，說明在相同位置上，傳統(tǒng)導(dǎo)線的電場強度略高一些，體現(xiàn)出采用型線結(jié)構(gòu)的該型號新型碳纖維導(dǎo)線不僅能夠很好地滿足標(biāo)準(zhǔn)，而且優(yōu)于同尺寸的鋼芯鋁絞線。

2.2.2 磁感應(yīng)強度分析

計算方法同2.1中相關(guān)計算，采用電流作為激勵條件進(jìn)行磁場的數(shù)值模擬，對比分析兩種導(dǎo)線的計算結(jié)果可知，截面積較小的兩種導(dǎo)線激發(fā)的磁感應(yīng)強度均是自導(dǎo)線表面逐漸向四周擴散，數(shù)值逐漸降低，且呈現(xiàn)出近似左右對稱的分布狀態(tài)，說明該型號的新型碳纖維導(dǎo)線在磁場特性上與鋼芯鋁絞線相差不多。同時，新型碳纖維導(dǎo)線模型中距離地面高度1.5 m處的磁感應(yīng)強度約為7.009 μT，該數(shù)值小于控制值，而在遠(yuǎn)離導(dǎo)線的空間位置上，磁感應(yīng)強度均低于電磁環(huán)境控制值，充分說明新型碳纖維導(dǎo)線能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。

2.2.3 可聽噪聲分析

根據(jù)上述關(guān)于可聽噪聲的原理及公式，計算得到 JLRX1／F2A-400／40 新型碳纖維導(dǎo)線和 JL／G1A-400／50導(dǎo)線在該工況下可聽噪聲的結(jié)果，如表7所示。

表7 兩種導(dǎo)線不同位置可聽噪聲計算結(jié)果

由計算結(jié)果可知，JLRX1／F2A-400／40 新型碳纖維導(dǎo)線的可聽噪聲低于55 dB，滿足相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)。

綜上，根據(jù)上述對于新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線和鋼芯鋁絞線電磁性能以及可聽噪聲等方面的研究結(jié)果，對比分析可知，新型碳纖維導(dǎo)線在電磁等特性上與傳統(tǒng)鋼芯鋁絞線相差不多。同時，在可聽噪聲方面優(yōu)于傳統(tǒng)產(chǎn)品，說明新型碳纖維導(dǎo)線不僅滿足相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，還具有較好的電場性能與可聽噪聲特性，具有較高的適用性。

3 結(jié)語

針對不同型號的新型碳纖維導(dǎo)線建立二維計算模型，基于有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬研究，探究新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線在特高壓輸電領(lǐng)域中的電磁以及可聽噪聲等特性，并在此基礎(chǔ)上與鋼芯鋁絞線進(jìn)行對比分析。

型號為 JLRX1／F2A-800／70 與 JLRX1／F2A-400／40的新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線符合相關(guān)電磁環(huán)境以及可聽噪聲的國家標(biāo)準(zhǔn)。

在特高壓輸電線路中，新型碳纖維導(dǎo)線與鋼芯鋁絞線的電磁特性相差不大，而前者很大程度上因鋁絞線采用型線排列方式，使其在電場強度特性上具有一定的優(yōu)勢，說明新型碳纖維導(dǎo)線可以成為傳統(tǒng)導(dǎo)線良好的替代產(chǎn)品。

關(guān)于單根導(dǎo)線的數(shù)值模擬計算結(jié)果，不僅驗證了產(chǎn)品的適用性，同時將對后續(xù)新型碳纖維導(dǎo)線應(yīng)用于分裂式導(dǎo)線布置提供研究基礎(chǔ)。