特高壓輸電線路分裂導(dǎo)線表面電場(chǎng)特性分析

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315010）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)電網(wǎng)已經(jīng)進(jìn)入了以超特高壓、遠(yuǎn)距離、大容量為標(biāo)志的“西電東送，南北互供，全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”的新階段[1]。但是，我國(guó)電力資源和負(fù)荷點(diǎn)的不均衡分布導(dǎo)致電力輸送要經(jīng)過(guò)農(nóng)業(yè)區(qū)而占據(jù)大量的土地面積。同時(shí)，我國(guó)人口眾多，農(nóng)業(yè)耕地十分有限，所以目前的輸電線路建設(shè)要以減小建設(shè)用地，盡可能壓縮輸電線路走廊寬度和提高單位走廊寬度輸送容量為原則。

線路的輸電能力大致正比于線路電壓的二次方，即1 000 kV 線路的輸電能力是500 kV 線路的4 倍左右[2]。隨著電力需求的不斷增長(zhǎng)，可供輸電線路走廊的用地日趨減小，提高單位走廊面積電能輸送容量和線路本身輸送能力，成為了電力發(fā)展的重要方向之一。為此，世界各國(guó)采取了一系列措施，包括提高輸電線路的電壓等級(jí)，增加輸電線路的回?cái)?shù)和采用緊湊型輸電線路等等。從超高壓輸電到特高壓輸電的發(fā)展，是一個(gè)質(zhì)的變化過(guò)程。特高壓輸電不僅在技術(shù)上難度大增，而且對(duì)輸電可靠性和電磁環(huán)境環(huán)保的要求也顯著提高。雖然我國(guó)的特高壓輸電研究起步較晚，但是發(fā)展較快[3-4]，目前中國(guó)電力科學(xué)研究院、武漢高壓研究所、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)和重慶大學(xué)等科研院所和高校均投入大量的人力、物力來(lái)研究特高壓輸電技術(shù)。我國(guó)第一條1 000 kV 級(jí)特高壓輸電研究線段于1996 年6 月在武漢高壓研究所戶外試驗(yàn)場(chǎng)建成，該線段現(xiàn)已用于開(kāi)展特高壓線路對(duì)環(huán)境影響的研究。我國(guó)晉東南—南陽(yáng)—荊門特高壓交流輸電示范工程于2009 年1 月9日成功投入商業(yè)運(yùn)行，目前運(yùn)行狀況良好。特高壓輸電可以降低輸電損耗，減少輸電走廊占地面積，提高單位走廊寬度的輸電能力，從而較好地緩解當(dāng)前輸電容量日益緊張的問(wèn)題。

特高壓輸電線路建設(shè)、運(yùn)行過(guò)程中，要充分考慮環(huán)保問(wèn)題。特高壓電暈效應(yīng)、特高壓絕緣及其要求、電磁場(chǎng)及其影響是特高壓輸電在高電壓技術(shù)方面的三大關(guān)鍵問(wèn)題。其中輸電線路電暈效應(yīng)包括了可聽(tīng)噪聲、無(wú)線電和電視干擾、電暈損耗等。這是由于特高壓導(dǎo)線在天氣條件不好時(shí)，表面電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)臨界值，形成的局部強(qiáng)場(chǎng)區(qū)氣體會(huì)不斷地發(fā)生游離、復(fù)合，并發(fā)出大量的光子，同時(shí)伴隨著咝咝聲的電暈放電現(xiàn)象造成的。在線路設(shè)計(jì)過(guò)程中，電暈特性是導(dǎo)線選型的參考依據(jù)，而導(dǎo)線表面電場(chǎng)是影響導(dǎo)線電暈放電的最主要因素，因而導(dǎo)線表面電場(chǎng)的計(jì)算就顯得尤為重要，其精確度直接影響導(dǎo)線的合理選型和布置。若計(jì)算值過(guò)大，會(huì)造成投資成本的增加和浪費(fèi)；若計(jì)算值偏小，則投運(yùn)后線路可能在電暈效應(yīng)方面超出控制指標(biāo)，引起一系列問(wèn)題?？梢?jiàn)，導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算關(guān)系著線路造價(jià)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和周圍環(huán)境，是線路設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要一環(huán)，研究意義重大。特電壓緊湊型交流輸電線路由于電壓等級(jí)高、相間距離短，其電磁環(huán)境一般不夠友好，研究輸電線路的導(dǎo)線表面電場(chǎng)改善措施是很有必要的。

本文基于有限元法，應(yīng)用COMSOL Multiphysics 軟件建立1 000 kV 特高壓交流輸電線路的二維靜電場(chǎng)仿真模型，并對(duì)分裂導(dǎo)線表面電場(chǎng)進(jìn)行仿真試驗(yàn)及計(jì)算，研究分析分裂導(dǎo)線在水平排列、同塔雙回、正三角對(duì)稱、倒三角緊湊型對(duì)稱布置方式下周圍空間電場(chǎng)的分布，以及地面是否水平、是否有桿塔等因素對(duì)電場(chǎng)分布的影響，以期為特高壓交流輸電線路的設(shè)計(jì)和發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 特高壓交流線路模型的建立及仿真分析

1.1 特高壓交流輸電線路的簡(jiǎn)化

高壓輸電線路經(jīng)常處于比較復(fù)雜的地理環(huán)境中，為了便于分析與計(jì)算，需要對(duì)實(shí)際線路進(jìn)行以下簡(jiǎn)化以建立計(jì)算模型。

（1）高壓輸電線路建立的電場(chǎng)是準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)

輸電線路在工頻50 Hz 條件下運(yùn)行，波長(zhǎng)λ=6 000 km，輸變電設(shè)備的尺寸滿足準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的條件：L=λ（L 為觀察點(diǎn)到場(chǎng)源的距離）[5-6]，電磁波傳播的推遲作用可以忽略不計(jì)，即在某一瞬間給場(chǎng)源一個(gè)電磁激勵(lì)，可以同時(shí)到達(dá)場(chǎng)點(diǎn)并引起響應(yīng)。因而，可采用麥克斯韋方程在靜態(tài)場(chǎng)的特殊形式來(lái)建立高壓輸電線路電場(chǎng)的數(shù)學(xué)計(jì)算模型。

（2）高壓輸電線路的電磁場(chǎng)是二維場(chǎng)

高壓輸電線路的截面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其輸送距離，為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略導(dǎo)線、避雷線的端部效應(yīng)和弧垂的影響，忽略桿塔、絕緣子、金具等鄰近物體的影響，將輸電線視為無(wú)限長(zhǎng)直、平行于大地的導(dǎo)線，將桿塔處導(dǎo)線高度減去2/3 導(dǎo)線的弧垂，此導(dǎo)線的對(duì)地平均高度作為導(dǎo)線計(jì)算高度[7-8]。輸電線路的計(jì)算模型為無(wú)限長(zhǎng)直平行導(dǎo)線，其產(chǎn)生的電場(chǎng)是平行平面場(chǎng)，計(jì)算平面取見(jiàn)圖1 的垂面。

圖1 特高壓輸電線路

（3）大地模型

實(shí)際輸電線路的桿塔必須是良好接地的，將大地視為良導(dǎo)體，在實(shí)際計(jì)算中取大地的電位為0。

（4）輸電線路上電壓為三相對(duì)稱正弦穩(wěn)態(tài)電壓

高壓輸電線路上的電壓是三相對(duì)稱正弦穩(wěn)態(tài)的電壓，因此在計(jì)算高壓輸電線路周圍的電場(chǎng)時(shí)，其電壓要用相量的形式來(lái)表示，設(shè)大地為電位參考點(diǎn)。

三相對(duì)稱高壓輸電線各相的電壓有效值相同。從實(shí)際運(yùn)行角度考慮，常以1.05 倍額定電壓作為計(jì)算電壓，計(jì)算公式為：

式中：φ 為額定線電壓。

（5）避雷線的影響

本文主要研究導(dǎo)線周圍的電場(chǎng)，避雷線對(duì)其分布有一定的影響。在計(jì)算過(guò)程中，假設(shè)避雷線接地良好，電位為0。

（6）輸電線路導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算

對(duì)于三相交流線路，電壓隨著時(shí)間正弦變化，故計(jì)算時(shí)各相導(dǎo)線的電壓要用復(fù)數(shù)的形式來(lái)表示，即：

式中：Ui，R為電壓的實(shí)部分量；Ui，I為電壓的虛部分量；下標(biāo)“R，I”分別表示實(shí)部和虛部分量，下同。

由于線路可以簡(jiǎn)化為二維場(chǎng)，空間任一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度具有水平（x）和垂直（y）分量，且兩分量均為時(shí)間的變量，可以分別表示為：

則該點(diǎn)的合成電場(chǎng)強(qiáng)度

轉(zhuǎn)換為三角函數(shù)的表達(dá)形式為：

對(duì)于分裂導(dǎo)線表面的場(chǎng)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，電場(chǎng)強(qiáng)度的方向近似垂直于導(dǎo)線表面，即可以認(rèn)為電場(chǎng)強(qiáng)度始終沿著導(dǎo)線的徑向。因而，分裂導(dǎo)線附近場(chǎng)點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的水平分量和垂直分量的初始相位近似相等，其電場(chǎng)強(qiáng)度的大小為。

1.2 二維靜電場(chǎng)計(jì)算模型的建立及仿真分析

1.2.1 建立二維靜電場(chǎng)計(jì)算模型的方法

電場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算方法主要有模擬電荷法[9-10]、矩量法、邊界元法、有限差分法和有限元法[11]等，目前最為常用的電場(chǎng)數(shù)值算法是有限元法。

有限元法是把連續(xù)封閉的區(qū)域化為有限個(gè)數(shù)的離散點(diǎn)，求解區(qū)域是有界的，而輸電線的電場(chǎng)問(wèn)題是開(kāi)域的，因此在采用有限元法對(duì)導(dǎo)線表面的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算前需要對(duì)求解區(qū)域進(jìn)行處理。在遠(yuǎn)離求解區(qū)域人為地設(shè)定邊界，目的是將開(kāi)域轉(zhuǎn)變?yōu)橛邢抻?，同時(shí)認(rèn)為邊界外電場(chǎng)已經(jīng)衰減到足夠小，可以忽略不計(jì)。然而這樣處理會(huì)產(chǎn)生一個(gè)截?cái)嗾`差，但可以對(duì)剖分的求解區(qū)域進(jìn)行控制，并且將邊界取得很大，這樣就能把截?cái)嗾`差控制在工程應(yīng)用中允許的范圍內(nèi)。

建立平面直角坐標(biāo)系，各導(dǎo)線以及避雷線按其坐標(biāo)布置，地面上以（0，0）為圓心，作一個(gè)半徑足夠大的半圓弧作為邊界，邊界與地面所圍的空氣層在去除各導(dǎo)線、避雷線占據(jù)的面積后構(gòu)成了所需的求解區(qū)域。地面、避雷線表面和半圓弧邊界電位取0 值，導(dǎo)線線電壓采用1 050 kV，各相導(dǎo)線表面電位為對(duì)應(yīng)的相量值。計(jì)算仿真后得到電場(chǎng)強(qiáng)度的可視化圖形，在分裂導(dǎo)線每根子導(dǎo)線上圓周表面每隔5°取點(diǎn)，比較所取點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，找出最大值作為這根導(dǎo)線的表面電場(chǎng)強(qiáng)度，再對(duì)每相導(dǎo)線的子導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度取平均值，將其作為這一相導(dǎo)線的平均電場(chǎng)強(qiáng)度最大值。

以相導(dǎo)線水平布置簡(jiǎn)化計(jì)算為例，不考慮地勢(shì)及桿塔的影響。先在繪圖模式下畫(huà)出電場(chǎng)求解的區(qū)域，再在物理選項(xiàng)下對(duì)子區(qū)域進(jìn)行設(shè)定，去除子導(dǎo)線和架空地線占據(jù)的區(qū)域（即不在這些區(qū)域中設(shè)置場(chǎng)點(diǎn)）。接著對(duì)各邊界上的電位進(jìn)行賦值，A，B，C 三相的子導(dǎo)線表面電位分別設(shè)為三相電壓的相量值，避雷線表面、地面及遠(yuǎn)處的邊界上的電位值設(shè)為0。設(shè)定完成后，對(duì)求解區(qū)域進(jìn)行三角形初始化剖分，剖分形成的三角形頂點(diǎn)就是所需的計(jì)算場(chǎng)點(diǎn)，在距離導(dǎo)線較近的區(qū)域還可進(jìn)行精細(xì)化剖分（如圖2 所示），使表面電場(chǎng)的模擬精度更高。

圖2 求解區(qū)域的剖分

在各相的各子導(dǎo)線圓周表面從水平軸線開(kāi)始沿逆時(shí)針每5°取1 個(gè)點(diǎn)計(jì)算其電場(chǎng)強(qiáng)度Eθ，比較同一根子導(dǎo)線表面的電場(chǎng)強(qiáng)度，其中最大值記為Eθmax，再對(duì)同一相所有分裂子導(dǎo)線取平均值，該值就是該相導(dǎo)線電場(chǎng)強(qiáng)度的平均最大值Em，即該相導(dǎo)線的表面電場(chǎng)強(qiáng)度值。剖分區(qū)域的大小直接影響截?cái)嗾`差，在區(qū)域取不同半徑的條件下，計(jì)算得到表面電場(chǎng)強(qiáng)度值見(jiàn)表1。

表1 不同剖分區(qū)域的Em

實(shí)際空間中無(wú)窮遠(yuǎn)處的電位才為0。有限元法求解場(chǎng)強(qiáng)時(shí)人為地設(shè)定了求解邊界，在這些邊界上電位設(shè)為0，所以當(dāng)剖分區(qū)域的半徑取得越大，就越接近實(shí)際情況，得到的結(jié)果越準(zhǔn)確。由表1 可以知，當(dāng)剖分區(qū)域的半徑從160 m 增大至260 m 時(shí)，三相電場(chǎng)強(qiáng)度值與上一種半徑下的比較，最大變化率不大于0.88%。這說(shuō)明剖分區(qū)域的繼續(xù)擴(kuò)大對(duì)各相場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算值幾乎沒(méi)有影響，即可以認(rèn)為取半徑為200 m 時(shí)得到的值也足夠精確，因此后面計(jì)算時(shí)剖分區(qū)域均取半徑為200 m的半圓。

在高壓或超高壓輸電線路中，常見(jiàn)的相導(dǎo)線布置方式除了水平布置外，還有正三角布置和同塔雙回布置等，且已在國(guó)外特高壓輸電建設(shè)中得到了應(yīng)用。結(jié)合高壓和超高壓輸電線路的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，我國(guó)特高壓輸電工程中可以考慮相導(dǎo)線倒三角布置方式。

下面針對(duì)相導(dǎo)線不同的布置方式對(duì)1 000 kV特高壓輸電線路分裂導(dǎo)線表面電場(chǎng)進(jìn)行建模計(jì)算，為便于進(jìn)行比較分析，統(tǒng)一設(shè)置如下條件：線電壓取1 050 kV；保持4 種塔形相導(dǎo)線布置方式和相間距離不變；最低相導(dǎo)線平均高度均取27 m；按相同的相導(dǎo)線總截面的條件，每相采用8×LGJ-500/45 型導(dǎo)線，該型號(hào)導(dǎo)線的外徑為30 mm，大于前蘇聯(lián)所選導(dǎo)線AC-330/43 而小于日本和美國(guó)所選導(dǎo)線，這是考慮到滿足輸送容量和可聽(tīng)噪聲限值后所需的最小直徑。。

1.2.2 模型1——輸電線路水平布置

在計(jì)算平面上，相導(dǎo)線和避雷線布置如圖3所示。每相采用8 根LGJ-500/45 型的分裂導(dǎo)線，導(dǎo)線分裂間距為0.4 m；架空地線采用2×AC70/72 型雙分裂鋼芯鋁絞線，分裂間距也是0.4 m，計(jì)算時(shí)將其等效為半徑為47 mm 的導(dǎo)線；計(jì)算電壓取1 050 kV。

圖3 模型1 布置

導(dǎo)線周圍電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖4 所示。圖4 中水平軸為場(chǎng)點(diǎn)的橫坐標(biāo)x，垂直軸為場(chǎng)點(diǎn)的縱坐標(biāo)y，下同。輸電線周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度呈對(duì)稱分布。在B 相導(dǎo)線附近取黑、白色箭頭處的兩場(chǎng)點(diǎn)1 和2，電場(chǎng)強(qiáng)度值分別為92.6 kV/m 和52.4 kV/m。點(diǎn)1 離導(dǎo)線表面距離比點(diǎn)2 近，電場(chǎng)強(qiáng)度反而較大，說(shuō)明導(dǎo)線周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度隨著距離的增加而減小。

圖4 模型1 電場(chǎng)強(qiáng)度分布

圖5 為A 相子導(dǎo)線周圍電場(chǎng)強(qiáng)度，B，C 相的分布大致與之相同。由圖5 可知，各相分裂導(dǎo)線周圍電場(chǎng)分布大致以各相中心為中心呈對(duì)稱分布。圖5 中取3 個(gè)點(diǎn)1，2，3，其中點(diǎn)1 和點(diǎn)2 到子導(dǎo)線中心距離相同。點(diǎn)1 電場(chǎng)強(qiáng)度（828 kV/m）小于點(diǎn)2 電場(chǎng)強(qiáng)度（1 107 kV/m），說(shuō)明距子導(dǎo)線中心相同距離處，導(dǎo)線圓周表面上靠中心側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度比背離中心側(cè)的??；點(diǎn)3 電場(chǎng)強(qiáng)度為1.3 kV/m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于子導(dǎo)線表面電場(chǎng)，說(shuō)明分裂導(dǎo)線外接圓內(nèi)部的電場(chǎng)比較小。

1.2.3 模型2——輸電線路同塔雙回布置

同桿雙回的特高壓交流輸電線路，每相導(dǎo)線采用8 分裂結(jié)構(gòu)，8 分裂導(dǎo)線的單根導(dǎo)線可以選用610 mm2，810 mm2，940 mm2和960 mm2鋼芯鋁絞線，避雷線為2 根OPGW 500 mm2的鋁包鋼線。為體現(xiàn)與其他布置方式的可比性，計(jì)算時(shí)導(dǎo)線規(guī)格取LGJ-500/45，導(dǎo)線分裂間距為0.4 m，避雷線半徑為12.6 mm。相導(dǎo)線和避雷線的分布如圖6 所示，計(jì)算電壓取1 050 kV。

圖7 為此模型輸電線周圍電場(chǎng)強(qiáng)度分布?？梢钥闯?，輸電線周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度呈對(duì)稱分布，導(dǎo)線附近電場(chǎng)強(qiáng)度值較大，隨著距離的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小。

圖5 模型1 的A 相分裂導(dǎo)線周圍電場(chǎng)強(qiáng)度分布

圖6 模型2 布置

圖8 為單相分裂導(dǎo)線附近等電位線的分布。可以看出，分裂導(dǎo)線周圍電場(chǎng)強(qiáng)度大致以相中心為中心對(duì)稱分布，從子導(dǎo)線表面到第一級(jí)等電位線，取兩線段1 和2，線段1 長(zhǎng)2 mm，線段2 長(zhǎng)5 mm，即線段2 比1 要長(zhǎng)，而線段兩端點(diǎn)的電位均相同，說(shuō)明2 所處區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度比1 的要小。所以，導(dǎo)線圓周表面上靠中心側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度比背離中心側(cè)的小，分裂圓內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度幾乎為0。

圖7 模型2 電場(chǎng)強(qiáng)度分布

圖8 模型2 的A 相分裂導(dǎo)線周圍等電位線分布

1.2.4 模型3——輸電線路正三角布置

三相輸電線路呈正三角對(duì)稱布置，分裂導(dǎo)線外徑為41 mm，避雷線取2 根鍍鋅強(qiáng)度鋼線，導(dǎo)線分裂間距0.4 m。相導(dǎo)線和避雷線的分布如圖9所示。導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-500/45；避雷線型號(hào)取GJ-120，外徑為14 mm；分裂間距0.4 m；計(jì)算電壓取1 050 kV。

圖9 模型3 布置

圖10 為此模型輸電線周圍電場(chǎng)強(qiáng)度分布?？梢钥闯?，輸電線周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度呈對(duì)稱分布，導(dǎo)線附近電場(chǎng)強(qiáng)度值較大，隨著距離的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小。

圖10 模型3 電場(chǎng)強(qiáng)度分布

圖11 是單相分裂導(dǎo)線周圍電場(chǎng)強(qiáng)度分布?？梢钥闯?，分裂導(dǎo)線周圍電場(chǎng)強(qiáng)度大致以相中心為中心對(duì)稱分布，導(dǎo)線圓周表面上靠中心側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度比背離中心側(cè)的小。因輸電線路采用正三角形布置，相導(dǎo)線間距減小，使得電場(chǎng)的分布相對(duì)較為集中，有利于節(jié)約線路走廊。

圖11 模型3 的A 相分裂導(dǎo)線周圍電場(chǎng)強(qiáng)度分布

1.2.5 模型4——輸電線路倒三角布置

相導(dǎo)線和避雷線分布如圖12 所示，其中小圖為分裂子導(dǎo)線的布置方式。導(dǎo)線規(guī)格為8×LGJ-500/45，子導(dǎo)線直徑為30 mm；避雷線型號(hào)為GJ-120，外徑為14 mm[12-14]；導(dǎo)線分裂間距為0.4 m；計(jì)算電壓取1 050 kV。

圖12 模型4 布置

圖13 為此模型輸電線周圍電場(chǎng)分布。可以看出，輸電線周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度呈對(duì)稱分布，導(dǎo)線附近電場(chǎng)強(qiáng)度較大，隨著距離的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小。

圖13 模型4 電場(chǎng)強(qiáng)度分布

圖14 為單相分裂導(dǎo)線周圍電場(chǎng)強(qiáng)度分布?？梢钥闯?，分裂導(dǎo)線周圍電場(chǎng)強(qiáng)度大致以相中心為中心對(duì)稱分布，導(dǎo)線圓周表面上靠中心側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度比背離中心側(cè)的小，由于輸電線路采用了壓縮相間距的緊湊型布置，導(dǎo)線周圍電場(chǎng)的分布更為集中，對(duì)于節(jié)約輸電線路的走廊十分有利。

1.2.6 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)以上各算例可以看出：輸電線路布置形式不同，導(dǎo)線周圍電場(chǎng)分布有所不同，分裂導(dǎo)線表面的電場(chǎng)強(qiáng)度也不同。不同布置方式下的輸電線路各相導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算值如表2 所示。

圖14 模型4 的A 相分裂導(dǎo)線周圍電場(chǎng)強(qiáng)度分布

表2 不同布置方式下的Em

三相水平排列時(shí)，中相導(dǎo)線的表面電場(chǎng)強(qiáng)度比邊相高4.5%；正三角形排列時(shí)，中相導(dǎo)線的表面電場(chǎng)強(qiáng)度低于邊相約0.3%；在所給定的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，倒三角緊湊型排列的導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度比水平排列時(shí)大8.8%。因此，需要選擇適當(dāng)?shù)木€路結(jié)構(gòu)參數(shù)以降低表面電場(chǎng)強(qiáng)度，盡量避免發(fā)生電暈。

輸電線路在相導(dǎo)線對(duì)稱布置、地面水平的情況下，其周圍電場(chǎng)對(duì)稱分布；導(dǎo)線附近電場(chǎng)強(qiáng)度較大，隨著距離的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小。

對(duì)于每一種布置形式的輸電線路，雖然分裂導(dǎo)線表面的電場(chǎng)強(qiáng)度不同，但單相的8 根子導(dǎo)線周圍電場(chǎng)分布情況相似，即分裂圓內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)于導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度很小。電場(chǎng)分布關(guān)于相中心對(duì)稱，導(dǎo)線靠中心側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度隨距離減小得較快。

2 改變幾種簡(jiǎn)化條件的表面電場(chǎng)特性

上文在分析導(dǎo)線表面電場(chǎng)時(shí)采用的是簡(jiǎn)化條件，然而我國(guó)特高壓線路輸電距離遠(yuǎn)，經(jīng)過(guò)區(qū)域的地理、氣象等條件錯(cuò)綜復(fù)雜，所以本節(jié)在上一節(jié)基礎(chǔ)上，對(duì)導(dǎo)線所處地面條件發(fā)生改變及靠近桿塔處的情況進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

2.1 地面不完全水平

我國(guó)特高壓線路輸電距離遠(yuǎn)，勢(shì)必經(jīng)過(guò)各種復(fù)雜地理?xiàng)l件的地區(qū)，地面不是絕對(duì)水平的。以相導(dǎo)線水平布置方式的線路為例，若地面有一個(gè)小坡，則建立線路模型5 如圖15 所示。導(dǎo)線規(guī)格為8×LGJ-500/45，避雷線型號(hào)為GJ-120，在A相下方凸起部分是一小山坡，山坡表面電位與地面相同，設(shè)為0，各相導(dǎo)線電位設(shè)置同前面模型。

圖15 模型5 布置

仿真得到導(dǎo)線周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖16所示，水平地面與有小坡地面下導(dǎo)線的表面電場(chǎng)強(qiáng)度比較見(jiàn)表3?？梢钥闯?，A 相導(dǎo)線下方地面上出現(xiàn)小坡凸起，A 相導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度增大約2.3%，B，C 相表面電場(chǎng)強(qiáng)度減小約0.5%。這是由于A 相下方的小坡凸起相當(dāng)于在一定程度降低了A 相導(dǎo)線對(duì)地的高度，故而引起表面電場(chǎng)強(qiáng)度的增大；而對(duì)于B，C 相，由于離凸起處較遠(yuǎn)，小坡凸起帶來(lái)的影響較小。

2.2 計(jì)算平面取桿塔處平面

前文在考慮分裂導(dǎo)線表面電場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)線高度取的是平均對(duì)地高度，由于該計(jì)算平面離桿塔較遠(yuǎn)，沒(méi)有將桿塔列入考慮范圍。然而對(duì)于離桿塔較近的那段導(dǎo)線，桿塔對(duì)導(dǎo)線表面電場(chǎng)分布會(huì)產(chǎn)生一些影響。

為了研究桿塔帶來(lái)的影響，建立線路模型6如圖17 所示，線路的相導(dǎo)線水平布置，桿塔處相導(dǎo)線最低對(duì)地高度為27 m。導(dǎo)線規(guī)格為8×LGJ-500/45，避雷線型號(hào)為GJ-120，特高壓線路鐵塔采用ZBS1 酒杯型直線塔，呼稱高度45 m。仿真得到導(dǎo)線周圍的電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖18 所示，通過(guò)編程讀取各相導(dǎo)線的表面電場(chǎng)強(qiáng)度。為了使模型間具有可比性，采用模型1，取相導(dǎo)線最低高度為27 m，重新計(jì)算各相導(dǎo)線的表面電場(chǎng)強(qiáng)度，將2 種情況下的結(jié)果記錄于表4。

圖16 模型5 電場(chǎng)強(qiáng)度分布

表3 不同地面條件下的Em

圖17 模型6 布置

由表4 可知，考慮桿塔時(shí)的計(jì)算結(jié)果明顯大于忽略桿塔的計(jì)算結(jié)果。與不考慮桿塔影響時(shí)相比，以桿塔處平面作為計(jì)算平面時(shí)的A 相表面電場(chǎng)強(qiáng)度增大9.87%，B 相表面電場(chǎng)強(qiáng)度增大23.2%，C 相表面電場(chǎng)強(qiáng)度增大9.54%。

桿塔對(duì)于輸電線周圍電場(chǎng)分布帶來(lái)了重大的影響，尤其是中相導(dǎo)線。這是因?yàn)樘馗邏壕€路的桿塔都是鐵塔，桿塔處必須良好接地，建模時(shí)認(rèn)為桿塔處電位為0，圖19 為無(wú)桿塔時(shí)三相導(dǎo)線周圍等電位線分布。

圖18 模型6 電場(chǎng)強(qiáng)度分布

表4 有無(wú)桿塔時(shí)的Em比較

圖19 無(wú)桿塔時(shí)三相導(dǎo)線周圍等電位線分布

圖20 為有桿塔時(shí)三相導(dǎo)線周圍等電位線分布。圖20 中，由于中相導(dǎo)線四周為桿塔所圍，導(dǎo)線表面的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，是因?yàn)槭艿礁浇鼦U塔零電位的影響，使電場(chǎng)分布發(fā)生了畸變，表現(xiàn)為等電位線在桿塔附近密集分布。同理，A，C 相導(dǎo)線周圍分布的等電位線在靠近桿塔部分都受到桿塔零電位的影響，此時(shí)的表面電場(chǎng)強(qiáng)度也較大。

圖20 有桿塔時(shí)三相導(dǎo)線周圍等電位線分布

桿塔對(duì)于輸電線表面電場(chǎng)有很大的影響，設(shè)計(jì)時(shí)要給予充分的重視。對(duì)于桿塔附近的輸電線，必須適當(dāng)選擇線路結(jié)構(gòu)參數(shù)以降低表面電場(chǎng)強(qiáng)度，減少電暈。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究的是特高壓線路分裂導(dǎo)線表面電場(chǎng)的特性，輸電線路導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度直接影響著線路的電暈特性。詳細(xì)分析導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度隨線路各結(jié)構(gòu)參數(shù)間變化的規(guī)律，如水平排列、同塔雙回、正三角對(duì)稱、倒三角緊湊型對(duì)稱布置方式下周圍空間電場(chǎng)的分布，以及地面是否水平、是否有桿塔等因素對(duì)電場(chǎng)分布的影響，為改善特高壓線路導(dǎo)線表面電場(chǎng)提供了理論依據(jù)。

本文得出主要結(jié)論如下：

（1）相導(dǎo)線水平排列、同塔雙回、正三角對(duì)稱、倒三角緊湊型對(duì)稱布置下，導(dǎo)線為8 分裂、地面水平時(shí)，輸電線路周圍電場(chǎng)均對(duì)稱分布。導(dǎo)線附近電場(chǎng)強(qiáng)度較大，隨著距離的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小。分裂圓內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)于導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度很小。

（2）對(duì)于每一種布置形式的輸電線路，雖然分裂導(dǎo)線表面的電場(chǎng)值不同，但是單相的8 根子導(dǎo)線周圍電場(chǎng)分布情況相似，即分裂圓內(nèi)部的電場(chǎng)值幾乎為0，電場(chǎng)分布關(guān)于相中心對(duì)稱，導(dǎo)線靠中心側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度隨距離減小得較快。

（3）地面不完全水平時(shí)，地面小坡凸起相當(dāng)于降低導(dǎo)線對(duì)地的高度，故而會(huì)增大表面電場(chǎng)強(qiáng)度。有桿塔情況下，導(dǎo)線表面的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，是因?yàn)槭艿礁浇鼦U塔零電位的影響，使電場(chǎng)分布發(fā)生了畸變，表現(xiàn)為等電位線在桿塔附近密集分布。