500 kV 輸電線路四分裂導(dǎo)線間隔棒能耗分布研究

潛力群，吳芳芳，杜昭啟，謝聲益，葉 成，林 雪，李世民，張潮海

（1.浙江華電器材檢測(cè)研究院有限公司，杭州 311100；2.南京航空航天大學(xué)，南京 211106）

0 引言

國(guó)家電網(wǎng)于2021 年3 月1 日發(fā)布了“碳達(dá)峰，碳中和”行動(dòng)方案：“十四五”期間，國(guó)家電網(wǎng)新增跨區(qū)輸電通道以輸送清潔能源為主，規(guī)劃建成7回特高壓直流線路，新增輸電能力56 000 MW。電力金具作為特高壓輸電線路的重要組成部分，存在一定的輸電能量損耗[1]。

高壓架空輸電線路跨距遠(yuǎn)、容量大，為提高線路輸電能力，每相導(dǎo)線采用了2 根、4 根及以上的分裂導(dǎo)線。電力系統(tǒng)中，220 kV 及330 kV的輸電線路采用二分裂導(dǎo)線，500 kV 輸電線路常采用四分裂導(dǎo)線，高于500 kV 的超高壓輸電線路和特高壓輸電線路采用六分裂或八分裂導(dǎo)線[2]。架空線路在高空易受大風(fēng)干擾，電磁環(huán)境復(fù)雜，間隔棒常用于保證分裂導(dǎo)線間距不變以滿足電氣性能，在線路故障消除后使分裂導(dǎo)線恢復(fù)到正常狀態(tài)，并且一定程度上能減小輸電導(dǎo)線舞動(dòng)[3-6]。在交流高壓輸電線路中，間隔棒處于工頻交變電流產(chǎn)生的工頻交變電磁場(chǎng)中，會(huì)產(chǎn)生電磁損耗[7]。

分析間隔棒在工況下的能耗，對(duì)于衡量間隔棒是否為節(jié)能金具及評(píng)估其在電力系統(tǒng)中一定時(shí)間內(nèi)的總能耗十分關(guān)鍵。目前已有很多學(xué)者針對(duì)間隔棒能耗的組成部分、不同數(shù)值電流下間隔棒的能耗變化規(guī)律[8]、間隔棒能耗測(cè)試試驗(yàn)[9]、不同材質(zhì)間隔棒能耗的對(duì)比[10]、間隔棒異常發(fā)熱[11]等開(kāi)展了研究，對(duì)于間隔棒能耗產(chǎn)生的機(jī)理、引起間隔棒能耗變化的物理量、材質(zhì)對(duì)于間隔棒能耗的影響及衡量間隔棒是否為節(jié)能金具進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。然而，針對(duì)交流輸電線路上間隔棒能耗的具體分布趨勢(shì)以及影響感應(yīng)電流和能耗分布的原因未有進(jìn)一步的研究。

本文在闡述間隔棒能耗機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)間隔棒及適配導(dǎo)線進(jìn)行Solidworks 三維物理模型建模，利用有限元分析軟件ANSYS 對(duì)于渦流場(chǎng)環(huán)境下的間隔棒能耗進(jìn)行仿真，介紹工作狀態(tài)下間隔棒能耗分布及其原因。

1 間隔棒能耗機(jī)理

高壓交流架空輸電線路上的間隔棒處于工頻交變電流產(chǎn)生的工頻交變電磁場(chǎng)中，因磁滯效應(yīng)產(chǎn)生磁滯損耗，因渦流效應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電流且由于感應(yīng)電流回路電阻的存在進(jìn)而形成渦流損耗。磁滯損耗、渦流損耗、剩余損耗構(gòu)成了間隔棒在渦流場(chǎng)環(huán)境中的總能耗，其中剩余損耗成因復(fù)雜、難以測(cè)量且占總能耗比例十分微小。高壓架空輸電線路常采用質(zhì)量較輕的鋁合金材質(zhì)間隔棒，鋁合金的相對(duì)磁導(dǎo)率為1，與空氣一致，鋁合金間隔棒在工頻交變電磁場(chǎng)中無(wú)磁滯損耗。渦流損耗為鋁合金間隔棒能耗的主要組成部分，因此渦流損耗的分布趨勢(shì)可表征總能耗的分布趨勢(shì)。

2 間隔棒能耗仿真設(shè)計(jì)

采用有限元法求解工頻交變電磁場(chǎng)中鋁合金間隔棒的渦流損耗。選取適用于500 kV 電壓等級(jí)的四分裂導(dǎo)線間隔棒FJZ-400 及適配導(dǎo)線LGJ-400/50 進(jìn)行仿真分析，實(shí)物如圖1 所示。

圖1 間隔棒FJZ-400 及適配導(dǎo)線

2.1 仿真模型的建立

500 kV 超高壓架空輸電線路為四分裂導(dǎo)線，采用鋁合金間隔棒FJZ-400 來(lái)維持分裂導(dǎo)線線束間距穩(wěn)定，而且架空輸電線路易受到大風(fēng)影響導(dǎo)致導(dǎo)線舞動(dòng)，阻尼型間隔棒能通過(guò)在線夾內(nèi)安裝合成橡膠阻尼墊來(lái)減小導(dǎo)線的舞動(dòng)。根據(jù)實(shí)際情況對(duì)間隔棒和適配的鋼芯鋁絞線LGJ-400/50 進(jìn)行合理簡(jiǎn)化的三維物理模型建模，并采用有限元分析方法，在渦流場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行求解。間隔棒和適配導(dǎo)線的三維物理模型如圖2 所示。間隔棒的框架連接4 個(gè)線夾，四分裂的鋼芯鋁絞線從線夾穿過(guò)。

圖2 間隔棒FJZ-400 及適配導(dǎo)線物理模型及導(dǎo)線與線夾部分參數(shù)

2.2 求解參數(shù)設(shè)置

在完成三維物理模型建模后，在有限元軟件ANSYS 中設(shè)置鋁合金間隔棒FJZ-400 和適配鋼芯鋁絞線LGJ-400/50 材料：間隔棒線夾為鋁合金材質(zhì)，框架為鍍鋅鋼；鋼芯鋁絞線外部材質(zhì)為鋁，內(nèi)部材質(zhì)為鍍鋅鋼。各材料的基本參數(shù)見(jiàn)表1。因四分裂導(dǎo)線為同相導(dǎo)線，對(duì)4 根LGJ-400/50導(dǎo)線模型分別施加有效值為1 000 A、750 A 和500 A 的同相工頻交變電流激勵(lì)，邊界條件設(shè)為自然邊界條件。以三棱錐為基本網(wǎng)格剖分單元，采用基于集膚效應(yīng)透入深度的表面網(wǎng)格剖分方法，計(jì)算渦流場(chǎng)透入深度和層數(shù)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)線和間隔棒的高精度剖分[12-13]，剖分效果如圖3 所示。

表1 間隔棒和適配導(dǎo)線各材料主要參數(shù)

圖3 間隔棒FJZ-400 及適配導(dǎo)線網(wǎng)格剖分效果

3 結(jié)果分析

3.1 電流密度分布

圖4 反映了500 kV 輸電線路四分裂導(dǎo)線間隔棒在通流為1 000 A、750 A 和500 A 工頻電流有效值情況下電流密度J 的分布情況。從圖4 可以看出：由于集膚效應(yīng)，在適配導(dǎo)線的鋁絞線部分電流密度較大；同時(shí)由于鄰近效應(yīng)，鋁絞線的外環(huán)區(qū)域電流密度較大，且隨著電流有效值增大而表現(xiàn)更明顯。

圖4 工頻電流有效值1 000 A、750 A 和500 A 通流下間隔棒FJZ-400 導(dǎo)線與線夾部分電流密度分布

沿單根導(dǎo)線徑向路徑（圖4（a）中虛線）的電流密度分布如圖5 所示。電流密度的路徑分布驗(yàn)證了集膚效應(yīng)，以工頻電流有效值1 000 A 通流情況為例：電流密度在適配導(dǎo)線的外絞線鋁線部分從1.6×106A/m2升高至2.1×106A/m2，而在內(nèi)絞線鍍鋅鋼部分最大值僅為0.8×105A/m2。而在線夾部分，電流密度的最大值為8.5×105A/m2左右，且沿著徑向路徑向外下降至0.5×105A/m2。

圖5 工頻電流有效值1 000 A、750 A 和500 A 通流下間隔棒FJZ-400 導(dǎo)線與線夾部分徑向電流密度分布

表2 統(tǒng)計(jì)了工頻電流有效值1 000 A、750 A和500 A 通流下間隔棒FJZ-400 導(dǎo)線與線夾部分徑向路徑電流密度?？梢钥闯鲭娏髅芏仍谶m配導(dǎo)線外絞線以106A/m2量級(jí)分布，在內(nèi)絞線則降低一個(gè)數(shù)量級(jí)至105A/m2，符合集膚效應(yīng)。線夾部分感應(yīng)生成的渦流電流密度也降低一個(gè)數(shù)量級(jí)至105A/m2。渦流是輸電線路間隔棒能耗的主要組成部分，減小線夾部分渦流損耗是降低輸電線路間隔棒能耗的關(guān)鍵。

表2 工頻電流有效值1 000 A、750 A 和500 A 通流下間隔棒FJZ-400 導(dǎo)線與線夾部分徑向路徑電流密度統(tǒng)計(jì)

3.2 磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度分布

渦流的產(chǎn)生是由于變化的磁場(chǎng)感應(yīng)，因此了解適配導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，對(duì)于線夾部分電流密度的研究具有重要意義。

工頻電流有效值1 000 A、750 A 和500 A 通流下導(dǎo)線與線夾部分磁場(chǎng)強(qiáng)度H 的分布如圖6所示。從圖6 可以看出：磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布與適配導(dǎo)線外絞線鋁線中的電流密度分布相對(duì)應(yīng)；隨著通流工頻電流有效值的降低，對(duì)應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)下降。

圖6 工頻電流有效值1 000 A、750 A 和500 A 通流下間隔棒FJZ-400 導(dǎo)線與線夾部分磁場(chǎng)強(qiáng)度分布

該間隔棒為鋁合金材質(zhì)，相對(duì)磁導(dǎo)率等于空氣的磁導(dǎo)率，由磁感應(yīng)強(qiáng)度B 與磁場(chǎng)強(qiáng)度H 的物理關(guān)系式B=μ0μrH（μ0為真空磁導(dǎo)率，μr為相對(duì)磁導(dǎo)率）可知，鋁合金間隔棒磁感應(yīng)強(qiáng)度分布趨勢(shì)與磁場(chǎng)強(qiáng)度一致。

4 分析與討論

由于500 kV 高電壓等級(jí)交流輸電能力要求，需要采用四分裂導(dǎo)線提高傳輸電流有效值。隨著傳輸工頻交流電流幅值的升高，交變電流會(huì)在線夾部分產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生交變感應(yīng)電場(chǎng)。感應(yīng)電場(chǎng)在線夾中以渦流的形式存在，并導(dǎo)致能耗的產(chǎn)生?？梢酝ㄟ^(guò)降低線夾中磁感應(yīng)強(qiáng)度和改變線夾內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)這兩種方式來(lái)減小能耗。

1）降低線夾中磁感應(yīng)強(qiáng)度。傳導(dǎo)電流附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度與線夾材料無(wú)關(guān)，但是其磁感應(yīng)強(qiáng)度與線夾材料的磁導(dǎo)率相關(guān)。因此，可以在適配導(dǎo)線附近線夾采用低磁導(dǎo)率材料，降低磁感應(yīng)強(qiáng)度，進(jìn)而降低渦流電流密度，達(dá)到降低電力金具間隔棒能耗的目的。

雙層不同磁導(dǎo)率線夾的結(jié)構(gòu)如圖7 所示，其中線夾內(nèi)側(cè)磁導(dǎo)率μ1小于外側(cè)磁導(dǎo)率μ2。由圖6可知，線夾部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度密集分布在內(nèi)側(cè)。因此，降低線夾內(nèi)側(cè)磁導(dǎo)率μ1，可以降低對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，從而減小感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度，達(dá)到降低間隔棒能耗的效果。

圖7 雙層不同磁導(dǎo)率線夾結(jié)構(gòu)

2）改變線夾內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)。在線夾材料確定的情況下，通過(guò)改善線夾內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)，增長(zhǎng)渦流電流流通路徑，減小渦流流通橫截面積，可提高回路電阻。在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不變的前提下，渦流回路電阻的增大會(huì)導(dǎo)致渦流功率的降低，減小間隔棒能耗。

增長(zhǎng)渦流電流流通路徑的示意如圖8 所示，通過(guò)在靠近導(dǎo)線的線夾內(nèi)側(cè)切削形成徑向空腔的結(jié)構(gòu)，將一定程度延長(zhǎng)渦流電流流通路徑，增大回路電阻。減小渦流流通橫截面積的示意如圖9所示，通過(guò)在靠近導(dǎo)線的線夾內(nèi)側(cè)形成軸向空腔，減小渦流電流的流通面積，增大回路電阻。

圖8 增長(zhǎng)渦流電流流通路徑

圖9 減小渦流流通橫截面積

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)物理建模與有限元分析相結(jié)合，在麥克斯韋方程組的理論基礎(chǔ)上研究了工頻電流有效值1 000 A、750 A 和500 A 通流情況下的500 kV 輸電線路四分裂導(dǎo)線間隔棒的渦流分布規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1）由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，傳導(dǎo)電流主要分布在適配導(dǎo)線外絞線的外側(cè)區(qū)域，電流密度可以達(dá)到106A/m2量級(jí)。

2）間隔棒線夾渦流電流密度在104～105A/m2范圍，隨著通流工頻電流有效值的升高而增大，且隨著與外絞線距離增大急劇減小。

本文針對(duì)間隔棒線夾渦流的分布規(guī)律，提出了兩種降低間隔棒能耗的方法——降低線夾材料磁導(dǎo)率以降低磁感應(yīng)強(qiáng)度和改善線夾內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)以增大渦流流通回路電阻。