特高壓輸電線路垂直排列八分裂鋁包覆碳纖維芯導(dǎo)線電場(chǎng)特性研究

劉洪正，Ailin JIA

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司山東電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.天津市新玻特種線纜制造有限公司，天津 300350）

0 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平的日益提高，社會(huì)的用電需求不斷增加。提升輸電容量主要有增加輸電電壓和增大輸電電流兩種方法［1-3］。近年來(lái)，在輸變電工程中碳纖維導(dǎo)線因?qū)щ娐矢摺⒈戎匦∫约翱估瓘?qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)逐漸被廣泛應(yīng)用［4-5］。

黃禮平等人［6］對(duì)碳纖維導(dǎo)線的機(jī)械性能開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)工作，并對(duì)導(dǎo)線的運(yùn)行特性進(jìn)行了分析，證明了碳纖維導(dǎo)線耐高溫和通容大電流等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，為解決傳統(tǒng)碳纖維導(dǎo)線抗剪切力性能差等問(wèn)題［7］，董罡［8］介紹了鋁包覆新型碳纖維導(dǎo)線，該導(dǎo)線采用無(wú)縫鋁包覆結(jié)構(gòu)包裹碳纖維復(fù)合芯棒，外層使用梯形鋁絞線，以達(dá)到提高導(dǎo)線徑向耐壓性能以及輸送能力的目標(biāo)。此外，導(dǎo)線分裂數(shù)以及三相導(dǎo)線的排列方式對(duì)電學(xué)特性的影響也是輸電線路建設(shè)中的重要課題。楊熙等人［9］針對(duì)鋼芯鋁絞線表面的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算分析，討論了跳線表面場(chǎng)強(qiáng)的影響因素。蘭生等人［10］探究了傳統(tǒng)導(dǎo)線不同分裂數(shù)和不同對(duì)地高度等條件下導(dǎo)線的起暈場(chǎng)強(qiáng)，得到了采用分裂導(dǎo)線可以有效抑制電暈放電的結(jié)論。鄭海濤等人［11］通過(guò)有限元方法研究了750 kV 條件下不同導(dǎo)線布置形式的電場(chǎng)分布情況，分析了導(dǎo)線分裂數(shù)目以及間距對(duì)導(dǎo)線周?chē)妶?chǎng)強(qiáng)度的影響，提供了較為有效的數(shù)值模擬計(jì)算方法。然而，關(guān)于1 000 kV 特高壓輸電領(lǐng)域中八分裂鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的研究相對(duì)較少，同時(shí)，對(duì)新型碳纖維導(dǎo)線在三相布置方式下的電場(chǎng)特性研究尚不完善。

基于鋁包覆碳纖維導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)與尺寸，依據(jù)某垂直排列方式的鐵塔結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)，建立三相八分裂導(dǎo)線電場(chǎng)計(jì)算模型，對(duì)其電場(chǎng)特征進(jìn)行數(shù)值模擬研究。同時(shí)，為了對(duì)比探究新型導(dǎo)線的電學(xué)特征，建立相似截面積鋼芯鋁絞線的計(jì)算模型。針對(duì)兩類(lèi)導(dǎo)線，采用有限元分析方法開(kāi)展數(shù)值模擬，對(duì)比分析同種排列方式下兩類(lèi)三相八分裂導(dǎo)線的電學(xué)特性，進(jìn)而為新型鋁包覆碳纖維導(dǎo)線在特高壓輸電線路中的應(yīng)用提供一定的依據(jù)和參考。

1 數(shù)值模擬計(jì)算

1.1 數(shù)值計(jì)算方法

以有限元方法（Finite Element Method，F(xiàn)EM）作為數(shù)值模擬的基礎(chǔ)。FEM 是基于近代計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種近似數(shù)值方法，可以用來(lái)求解帶有特定邊界條件的偏微分方程。而相關(guān)的電磁場(chǎng)問(wèn)題可以視作由Maxwell 方程組推導(dǎo)得到的由偏微分方程和邊界條件所描述的邊值問(wèn)題。FEM 的基本求解思想是將計(jì)算域劃分為有限多個(gè)互不重疊的單元，在每個(gè)單元內(nèi)，選擇一些合適節(jié)點(diǎn)作為求解函數(shù)的插值點(diǎn)，借助變分原理或加權(quán)余量法，將微分方程離散并進(jìn)行求解計(jì)算［12-13］。

1.2 模型建立與相關(guān)設(shè)置

基于JLRX1／F2A-800／70 新型鋁包覆碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線以及JL／G1A-800／65 鋼芯鋁絞線，依據(jù)八分裂導(dǎo)線的布置方法，并假設(shè)導(dǎo)線為無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)線，建立兩種導(dǎo)線八分裂的二維物理模型，導(dǎo)線的具體參數(shù)如表1 和表2 所示，單相八分裂導(dǎo)線模型如圖1和圖2 所示。

表1 新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 鋼芯鋁絞線的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 JLRX1／F2A-800／70 導(dǎo)線模型

圖2 JL／G1A-800／65 導(dǎo)線模型

為模擬周?chē)h(huán)境，建立半徑為115 m 的半圓計(jì)算域，并依據(jù)如圖3 所示的垂直排列方式鐵塔的結(jié)構(gòu)尺寸，建立地線以及兩類(lèi)三相八分裂導(dǎo)線的計(jì)算模型，所采用的電場(chǎng)計(jì)算模型如圖4 所示，地線的物理參數(shù)如表3 所示。同時(shí)，模型各部分的材料參數(shù)如表4 所示，其中鋁包覆結(jié)構(gòu)及鋁絞線等采用鋁合金材料，電導(dǎo)率為3.8×107S／m，鋼芯材料設(shè)定為鋼材，電導(dǎo)率為0.2×107S／m，整體計(jì)算域中采用空氣作為介質(zhì)。

圖3 特高壓輸電線路鐵塔的結(jié)構(gòu)

表3 地線的結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4 計(jì)算模型

所研究特高壓線電壓為1 000 kV，相電壓有效值約為816.496 kV。在計(jì)算過(guò)程中，為了考慮正常運(yùn)行時(shí)最嚴(yán)重的工況，即中間相電壓與邊相電壓相差最大時(shí)的情況，將三相電壓自上而下分別設(shè)置為-408.248 kV、816.496 kV、-408.248 kV。同時(shí)，將地線電壓設(shè)置為0，半圓計(jì)算域下邊界和圓弧邊界的電勢(shì)均設(shè)置為0。使用相關(guān)電磁學(xué)計(jì)算方法開(kāi)展數(shù)值模擬，并對(duì)比分析不同計(jì)算模型的結(jié)果。

表4 模型的材料參數(shù)

2 結(jié)果分析

選取兩種導(dǎo)線計(jì)算域內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度的云圖結(jié)果，觀察分布特點(diǎn)，并根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于1 000 kV架空輸電線路電磁環(huán)境的控制值［14］，將分布云圖的標(biāo)尺上限選取為10 kV／m，結(jié)果如圖5 和圖6 所示。

圖5 八分裂JLRX1／F2A-800／70 電場(chǎng)強(qiáng)度分布

圖6 八分裂JL／G1A-800／65 電場(chǎng)強(qiáng)度分布

由圖5 和圖6 可知，兩種型號(hào)導(dǎo)線環(huán)境中的電場(chǎng)強(qiáng)度均是自三相導(dǎo)線逐漸向四周擴(kuò)散，數(shù)值逐漸降低，除地線附近的其他區(qū)域呈現(xiàn)出近似左右對(duì)稱(chēng)的分布狀態(tài)。而在導(dǎo)線正下方接近地面以及遠(yuǎn)離導(dǎo)線的空間位置上，電場(chǎng)強(qiáng)度低于電磁環(huán)境控制值的標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)了新型碳纖維導(dǎo)線具有良好的性能，并且與傳統(tǒng)導(dǎo)線的電學(xué)特性區(qū)別較小，可以作為傳統(tǒng)導(dǎo)線的有效替代品。

為了更好地觀察電場(chǎng)強(qiáng)度的變化，根據(jù)電力行業(yè)對(duì)于1 000 kV 架空輸電線路電磁環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)距離地面1.5 m 高度沿水平方向上不同位置的數(shù)值計(jì)算結(jié)果，并繪制兩類(lèi)導(dǎo)線的電場(chǎng)強(qiáng)度分布曲線，結(jié)果如圖7 所示。

圖7 距地面1.5 m 處沿水平方向電場(chǎng)強(qiáng)度分布

圖7 中橫坐標(biāo)為距離計(jì)算模型左邊界的水平方向長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)為電場(chǎng)強(qiáng)度。由曲線圖可知，在該工況下，兩類(lèi)導(dǎo)線的電場(chǎng)強(qiáng)度結(jié)果基本一致，沿水平方向的電場(chǎng)強(qiáng)度呈現(xiàn)中心對(duì)稱(chēng)的變化規(guī)律，且均在三相導(dǎo)線正下方達(dá)到最大值，其中區(qū)域A 局部放大后如圖7（b）所示，可知新型碳纖維導(dǎo)線環(huán)境中的電場(chǎng)強(qiáng)度約為2.627 kV／m，而鋼芯鋁絞線的結(jié)果約為2.656 kV／m。綜合考慮以上現(xiàn)象及數(shù)據(jù)，說(shuō)明新型碳纖維導(dǎo)線在該種排列方式以及工況下不僅能夠滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且其電學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)導(dǎo)線，具有可靠性與適用性。

3 結(jié)語(yǔ)

基于某新型碳纖維導(dǎo)線與鋼芯鋁絞線，依據(jù)特高壓鐵塔結(jié)構(gòu)圖的排布方式，建立了兩類(lèi)八分裂三相導(dǎo)線的電場(chǎng)計(jì)算模型，通過(guò)有限元方法開(kāi)展了數(shù)值模擬研究，對(duì)比探究了在1 000 kV 特高壓輸電條件下兩種八分裂導(dǎo)線的電場(chǎng)強(qiáng)度特性。

在一定特高壓條件下，鋁包覆新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的電學(xué)性能滿足電力行業(yè)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求，說(shuō)明新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線可以應(yīng)用于特高壓電網(wǎng)。

在一定范圍內(nèi)，鋁包覆新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線周?chē)h(huán)境的電場(chǎng)強(qiáng)度小于鋼芯鋁絞線的結(jié)果，說(shuō)明在垂直排列方式下，特高壓電網(wǎng)中新型碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有較好的電學(xué)性能，體現(xiàn)出該新型導(dǎo)線的適用性。