特高壓輸電線路垂直排列八分裂鋁包覆碳纖維芯導線電場特性研究

劉洪正，Ailin JIA

（1.國網山東省電力公司山東電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.天津市新玻特種線纜制造有限公司，天津 300350）

0 引言

隨著國家經濟水平的日益提高，社會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，在輸變電工程中碳纖維導線因導電率高、比重小以及抗拉強度大等優點逐漸被廣泛應用［4-5］。

黃禮平等人［6］對碳纖維導線的機械性能開展了相關試驗工作，并對導線的運行特性進行了分析，證明了碳纖維導線耐高溫和通容大電流等優點。近年來，為解決傳統碳纖維導線抗剪切力性能差等問題［7］，董罡［8］介紹了鋁包覆新型碳纖維導線，該導線采用無縫鋁包覆結構包裹碳纖維復合芯棒，外層使用梯形鋁絞線，以達到提高導線徑向耐壓性能以及輸送能力的目標。此外，導線分裂數以及三相導線的排列方式對電學特性的影響也是輸電線路建設中的重要課題。楊熙等人［9］針對鋼芯鋁絞線表面的電場強度進行了計算分析，討論了跳線表面場強的影響因素。蘭生等人［10］探究了傳統導線不同分裂數和不同對地高度等條件下導線的起暈場強，得到了采用分裂導線可以有效抑制電暈放電的結論。鄭海濤等人［11］通過有限元方法研究了750 kV 條件下不同導線布置形式的電場分布情況，分析了導線分裂數目以及間距對導線周圍電場強度的影響，提供了較為有效的數值模擬計算方法。然而，關于1 000 kV 特高壓輸電領域中八分裂鋁包覆碳纖維復合芯導線的研究相對較少，同時，對新型碳纖維導線在三相布置方式下的電場特性研究尚不完善。

基于鋁包覆碳纖維導線的結構與尺寸，依據某垂直排列方式的鐵塔結構尺寸數據，建立三相八分裂導線電場計算模型，對其電場特征進行數值模擬研究。同時，為了對比探究新型導線的電學特征，建立相似截面積鋼芯鋁絞線的計算模型。針對兩類導線，采用有限元分析方法開展數值模擬，對比分析同種排列方式下兩類三相八分裂導線的電學特性，進而為新型鋁包覆碳纖維導線在特高壓輸電線路中的應用提供一定的依據和參考。

1 數值模擬計算

1.1 數值計算方法

以有限元方法（Finite Element Method，FEM）作為數值模擬的基礎。FEM 是基于近代計算機技術發展起來的一種近似數值方法，可以用來求解帶有特定邊界條件的偏微分方程。而相關的電磁場問題可以視作由Maxwell 方程組推導得到的由偏微分方程和邊界條件所描述的邊值問題。FEM 的基本求解思想是將計算域劃分為有限多個互不重疊的單元，在每個單元內，選擇一些合適節點作為求解函數的插值點，借助變分原理或加權余量法，將微分方程離散并進行求解計算［12-13］。

1.2 模型建立與相關設置

基于JLRX1／F2A-800／70 新型鋁包覆碳纖維復合芯導線以及JL／G1A-800／65 鋼芯鋁絞線，依據八分裂導線的布置方法，并假設導線為無限長導線，建立兩種導線八分裂的二維物理模型，導線的具體參數如表1 和表2 所示，單相八分裂導線模型如圖1和圖2 所示。

表1 新型碳纖維復合芯導線的結構參數

表2 鋼芯鋁絞線的結構參數

圖1 JLRX1／F2A-800／70 導線模型

圖2 JL／G1A-800／65 導線模型

為模擬周圍環境，建立半徑為115 m 的半圓計算域，并依據如圖3 所示的垂直排列方式鐵塔的結構尺寸，建立地線以及兩類三相八分裂導線的計算模型，所采用的電場計算模型如圖4 所示，地線的物理參數如表3 所示。同時，模型各部分的材料參數如表4 所示，其中鋁包覆結構及鋁絞線等采用鋁合金材料，電導率為3.8×107S／m，鋼芯材料設定為鋼材，電導率為0.2×107S／m，整體計算域中采用空氣作為介質。

圖3 特高壓輸電線路鐵塔的結構

表3 地線的結構參數

圖4 計算模型

所研究特高壓線電壓為1 000 kV，相電壓有效值約為816.496 kV。在計算過程中，為了考慮正常運行時最嚴重的工況，即中間相電壓與邊相電壓相差最大時的情況，將三相電壓自上而下分別設置為-408.248 kV、816.496 kV、-408.248 kV。同時，將地線電壓設置為0，半圓計算域下邊界和圓弧邊界的電勢均設置為0。使用相關電磁學計算方法開展數值模擬，并對比分析不同計算模型的結果。

表4 模型的材料參數

2 結果分析

選取兩種導線計算域內電場強度的云圖結果，觀察分布特點，并根據電力行業標準中關于1 000 kV架空輸電線路電磁環境的控制值［14］，將分布云圖的標尺上限選取為10 kV／m，結果如圖5 和圖6 所示。

圖5 八分裂JLRX1／F2A-800／70 電場強度分布

圖6 八分裂JL／G1A-800／65 電場強度分布

由圖5 和圖6 可知，兩種型號導線環境中的電場強度均是自三相導線逐漸向四周擴散，數值逐漸降低，除地線附近的其他區域呈現出近似左右對稱的分布狀態。而在導線正下方接近地面以及遠離導線的空間位置上，電場強度低于電磁環境控制值的標準，體現了新型碳纖維導線具有良好的性能，并且與傳統導線的電學特性區別較小，可以作為傳統導線的有效替代品。

為了更好地觀察電場強度的變化，根據電力行業對于1 000 kV 架空輸電線路電磁環境的標準，統計距離地面1.5 m 高度沿水平方向上不同位置的數值計算結果，并繪制兩類導線的電場強度分布曲線，結果如圖7 所示。

圖7 距地面1.5 m 處沿水平方向電場強度分布

圖7 中橫坐標為距離計算模型左邊界的水平方向長度，縱坐標為電場強度。由曲線圖可知，在該工況下，兩類導線的電場強度結果基本一致，沿水平方向的電場強度呈現中心對稱的變化規律，且均在三相導線正下方達到最大值，其中區域A 局部放大后如圖7（b）所示，可知新型碳纖維導線環境中的電場強度約為2.627 kV／m，而鋼芯鋁絞線的結果約為2.656 kV／m。綜合考慮以上現象及數據，說明新型碳纖維導線在該種排列方式以及工況下不僅能夠滿足行業標準的要求，而且其電學性能優于傳統導線，具有可靠性與適用性。

3 結語

基于某新型碳纖維導線與鋼芯鋁絞線，依據特高壓鐵塔結構圖的排布方式，建立了兩類八分裂三相導線的電場計算模型，通過有限元方法開展了數值模擬研究，對比探究了在1 000 kV 特高壓輸電條件下兩種八分裂導線的電場強度特性。

在一定特高壓條件下，鋁包覆新型碳纖維復合芯導線的電學性能滿足電力行業相關的標準要求，說明新型碳纖維復合芯導線可以應用于特高壓電網。

在一定范圍內，鋁包覆新型碳纖維復合芯導線周圍環境的電場強度小于鋼芯鋁絞線的結果，說明在垂直排列方式下，特高壓電網中新型碳纖維復合芯導線具有較好的電學性能，體現出該新型導線的適用性。