110kV輸電線路電暈損失和地面場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算

110kV輸電線路電暈損失和地面場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算L1劉成立【摘要】隨著電力行業(yè)的改革，電企需要自負(fù)盈虧。如何降低線路損耗，提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性成為供電企業(yè)的重要工作。在輸電線路的設(shè)計(jì)運(yùn)行過(guò)程中，電暈損失及地面場(chǎng)強(qiáng)都是需要加以重視的問(wèn)題。在本文里，我們將對(duì)電暈損失和地面場(chǎng)強(qiáng)的相關(guān)概念進(jìn)行簡(jiǎn)單了解，并重點(diǎn)對(duì)110kV輸電線路電暈損失和地面場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算方法進(jìn)行探討?！酒诳Q】《低碳世界》【年(卷)，期】2015(000)013【總頁(yè)數(shù)】2頁(yè)(P47-48)【關(guān)鍵詞】110kV瀚電線路;電暈損失;地面場(chǎng)強(qiáng)【作者】劉成立【作者單位】中國(guó)電建集團(tuán)四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川成都610041【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TM726隨著城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，及電力行業(yè)的深化改革，電企在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中被要求自負(fù)盈虧，如何提高效益，降低損耗成為供電單位需要考慮的重要問(wèn)題。用電需求的增長(zhǎng)導(dǎo)致了電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，輸電線路也越來(lái)越長(zhǎng)，110kV輸電線路作為重要的配電網(wǎng)絡(luò)，其運(yùn)行質(zhì)量直接關(guān)系著供電企業(yè)的運(yùn)營(yíng)效益。在本文里，我們將針對(duì)110kV輸電線路運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的電暈損失及地面場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行分析，了解其基本概念，并對(duì)其計(jì)算方法進(jìn)行深入探討。電暈是不均勻電場(chǎng)中特有的電子崩。電暈損失指的是當(dāng)高壓輸電線路表面的電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)空氣擊穿強(qiáng)度時(shí)，靠近導(dǎo)線表面的空氣被擊穿，電能被轉(zhuǎn)化為熱、光、噪聲、無(wú)線干擾等形式釋放。簡(jiǎn)單的概況就是由于出現(xiàn)電暈而造成的能量損耗，電暈損耗對(duì)于電力運(yùn)行是一個(gè)不利的因素，會(huì)降低輸電的經(jīng)濟(jì)性。在目前，降低電暈損耗的主要辦法是加大導(dǎo)線半徑，提高電暈起始電壓。在110kV輸電線路運(yùn)行過(guò)程中，其電暈損耗主要是受電暈放電情況、輸電線路導(dǎo)線表面狀況、導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度、沿線地區(qū)氣候及海拔高度等多方面因素影響，這就導(dǎo)致電暈損耗的計(jì)算非常復(fù)雜。對(duì)于110kV輸電線路的電暈損耗我們一般是依據(jù)近似計(jì)算法進(jìn)行估算，在理想的正常天氣情況下，當(dāng)110kV輸電線路的截面積在70~185mm2之間，其年均電暈損耗占電阻損耗大約為4.7~0.3%。但在實(shí)際的估算過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，10kV輸電線路的電暈損耗隨著氣候情況的變化非常顯著，氣候惡劣時(shí)甚至能夠達(dá)到每公里幾百千瓦，雖然電暈損耗在整個(gè)電網(wǎng)損耗中比例較小，但是在惡劣氣候情況下的最大電暈損耗會(huì)影響用戶的用電需求和供電設(shè)備的備用容量。為了更好的研究電暈對(duì)于輸電線路的影響，就有必要對(duì)電暈損失進(jìn)行更加合理精確的計(jì)算。電暈損耗的計(jì)算涉及到導(dǎo)線幾何尺寸、電場(chǎng)強(qiáng)度、線路電壓、所處區(qū)域氣候情況等多個(gè)參數(shù)，復(fù)雜而且多變，在研究過(guò)程中確定年平均電暈損失和最大電暈損失這兩個(gè)參數(shù)有著重要的意義。其中年平均電暈損失是決定輸電線路運(yùn)行是否經(jīng)濟(jì)的重要指標(biāo)，通過(guò)對(duì)電暈損失的深入分析，能夠指導(dǎo)輸電線路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，進(jìn)而降低電暈損耗，節(jié)約能源。而最大電暈損失這一參數(shù)直接影響著發(fā)電單位是否需要增加機(jī)組容量，供電是否可靠等問(wèn)題的判斷。在對(duì)輸電線路電暈損失進(jìn)行估算時(shí)，要區(qū)分為良好氣候條件和惡劣氣候條件兩種情況。2.1在良好的氣候條件下，電暈損耗的估算方法為在1911年，皮克及其合作者研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于清潔干燥的導(dǎo)線，其穩(wěn)態(tài)工頻電暈損耗可用下面公式來(lái)表示：P=K（V-V0）2式中K為常數(shù)；P代表線路損耗（kW）；V代表導(dǎo)線對(duì)地電壓（kV）；V0代表導(dǎo)線的起暈電壓。1933年，美國(guó)電氣工程師彼得森提出了一個(gè)良好氣候條件下單相電暈的計(jì)算公式。這一公式延用至今，成為經(jīng)典的計(jì)算公式：式中：P代表每公里線路損耗（kW）；f代表工頻頻率；V代表相電壓（kV）；s代表導(dǎo)線間距離；d代表導(dǎo)線直徑；F代表電暈系數(shù)，為V/V0的函數(shù)。2.2在惡劣氣候條件下，電暈損失的估算方法EDF模型這個(gè)模型重點(diǎn)考慮降雨量對(duì)電暈損失的影響，給出降雨量與導(dǎo)線表面不規(guī)則系數(shù)之間的關(guān)系曲線。電暈損失簡(jiǎn)單的表示為：P=KPn，公式中Pn代表基本的電暈損失，是（E/Ec）的函數(shù)；E代表導(dǎo)線表面的平均場(chǎng)強(qiáng)；Ec代表起暈起始場(chǎng)強(qiáng)；K代表電暈的損失系數(shù)，其計(jì)算公式為：式中：n為導(dǎo)線的分裂數(shù)；r為分裂子導(dǎo)線的半徑（cm）；re代表導(dǎo)線的等效半徑；R為零電位等值圓的半徑；B=1+對(duì)于分裂導(dǎo)線BPA模型通過(guò)大量的實(shí)際計(jì)算并結(jié)合其他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，美國(guó)研究人員得出了電暈損耗與其相關(guān)因素間關(guān)系的估算公式，如下：式中：n代表導(dǎo)線的分裂數(shù)；d代表分裂子導(dǎo)線的直徑；0在導(dǎo)線分裂數(shù)小于等于4時(shí)其值為13，分裂數(shù)大于4時(shí)為19；k2代表著降雨量的修正系數(shù)；A代表海拔高度。對(duì)于電暈損失的估算公式還有很多，在這里我們就不一一列舉。一般認(rèn)為，當(dāng)輸電線路導(dǎo)體表面最大場(chǎng)強(qiáng)電暈起始場(chǎng)強(qiáng)Ec時(shí)，線路的電暈損耗可以忽略不計(jì)；當(dāng)Emax>0.9Ec時(shí)，電暈損耗過(guò)大，嚴(yán)重影響輸電線路的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，所以在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)時(shí)，要考慮電暈損耗對(duì)線路運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響。電場(chǎng)強(qiáng)度的大小，關(guān)系到電氣設(shè)備相關(guān)絕緣材料的耐受能力、導(dǎo)體材料中電流密度大小、是否會(huì)出現(xiàn)電暈或閃絡(luò)現(xiàn)象等問(wèn)題，是電氣設(shè)計(jì)中需要考慮的重要問(wèn)題，在對(duì)110kV輸電線路的地面場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行研究時(shí)，我們應(yīng)了解到，地面電場(chǎng)與電暈都是由于輸電線路的靜電場(chǎng)效應(yīng)形成的。在輸電線路下方任意一點(diǎn)，其電場(chǎng)強(qiáng)度是一個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量，其有效值及方向隨時(shí)間不斷發(fā)生著周期性的變化，周期與通過(guò)輸電線路的電流一致。在對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算時(shí)遵循疊加原理。110kV輸電線路地面電場(chǎng)一般指的是輸電線路下方離地1~1.5m高度的電場(chǎng)，這個(gè)高度相當(dāng)于人體心臟和大腦的高度，我國(guó)各種規(guī)范中所設(shè)定的電場(chǎng)限值指的也是這一高度時(shí)的電場(chǎng)值。輸電線路地面電場(chǎng)值與人身安全和線路走廊寬度的確定有著直接的關(guān)系，所以選擇科學(xué)合理的方法對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算有著重要的意義。在這里我們通過(guò)將徑向基函數(shù)(RBF)無(wú)網(wǎng)格法引入到場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算中，對(duì)110kV輸電線路地面場(chǎng)強(qiáng)的計(jì)算方法進(jìn)行探討。為便于計(jì)算，我們將實(shí)際輸電線路進(jìn)行簡(jiǎn)化，建立數(shù)學(xué)模型：(1)輸電線路周圍的電場(chǎng)滿足準(zhǔn)靜態(tài)條件，在此我們假設(shè)其產(chǎn)生的電場(chǎng)為準(zhǔn)靜態(tài)電場(chǎng)。由于計(jì)算設(shè)計(jì)到的因素多而復(fù)雜，在此我們假設(shè)架空線無(wú)限長(zhǎng)，而且是與地面平行的光滑圓柱體，所產(chǎn)生電場(chǎng)為平行電場(chǎng)，計(jì)算時(shí)我們?nèi)≥旊娋€路最低點(diǎn)垂面。取大地為零點(diǎn)位，假設(shè)大地為無(wú)窮大的導(dǎo)體平面。在遠(yuǎn)離求解范圍處設(shè)定電位衰減為零的邊界。4.1簡(jiǎn)化模型的計(jì)算在110kV輸電線路上，目前廣泛使用分裂式導(dǎo)線，由多根子導(dǎo)線構(gòu)成，在這里我們用等效半徑的圓柱導(dǎo)體進(jìn)行整體導(dǎo)線替代，這樣得到的計(jì)算結(jié)果雖有一定誤差，但能基本滿足工程設(shè)計(jì)需求。等效半徑圖如圖1。根據(jù)等效圖，我們可以得到等效截面半徑為：式中：R代表分裂導(dǎo)線的半徑；r代表子導(dǎo)線的半徑，n是子導(dǎo)線根數(shù)。等效以后輸電線路計(jì)算模型如圖2。在三相對(duì)稱的110kV輸電線路上，各相的電位有效值均是相同的。任何一點(diǎn)在任一時(shí)刻其場(chǎng)強(qiáng)都是瞬時(shí)值，在距離地面1m處，場(chǎng)強(qiáng)的水平分量接近為0，故可忽略不計(jì)，可看作只有垂直方向的場(chǎng)強(qiáng)EY，在計(jì)算時(shí)，可以取A相初始相角為0°和90°進(jìn)行分別計(jì)算，最后通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行方均根，既可得到該點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的有效值。4.2仿真實(shí)施步驟為了更好的檢驗(yàn)計(jì)算方法，我們以三根導(dǎo)線中心為圓心進(jìn)行域內(nèi)布點(diǎn)，假定100m處為邊界，進(jìn)行邊界布點(diǎn)、測(cè)點(diǎn)布點(diǎn)。如圖3所示。選擇恰當(dāng)?shù)膹较蚧瘮?shù)，組成離散配點(diǎn)方程組，其中徑向基函數(shù)為由此我們得出離散配點(diǎn)方程組為：方程式中Q代表配點(diǎn)個(gè)數(shù)，其中對(duì)方程組進(jìn)行求權(quán)，得出權(quán)系數(shù)為：a=(中T中)-1中Tf(4)計(jì)算測(cè)點(diǎn)處電位。在已知權(quán)系數(shù)a后，任一測(cè)點(diǎn)的電位都可通過(guò)下面公式得出式中中p=［中1(xp,yp)中2(xp,yp)...中Q(xp,yp)］。測(cè)點(diǎn)處電場(chǎng)值的計(jì)算，在得到測(cè)點(diǎn)處電位的前提下，即可得到該點(diǎn)的電位值。在計(jì)算時(shí)，分別對(duì)。為0°和90°時(shí)的電場(chǎng)值進(jìn)行計(jì)算，最后將得到的兩個(gè)電場(chǎng)值求平方和，然后再開(kāi)平方，所得結(jié)果即為該點(diǎn)電場(chǎng)的有效值。通過(guò)實(shí)際計(jì)算，與實(shí)際測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)計(jì)算得到的地面場(chǎng)強(qiáng)在數(shù)值及趨勢(shì)上都比較相似，說(shuō)明利用徑向基函數(shù)無(wú)網(wǎng)格法進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算具有很高的準(zhǔn)確性。在上文里，我們簡(jiǎn)單了解了電暈損失和地面場(chǎng)強(qiáng)的基本概念，并對(duì)兩者的計(jì)算方法進(jìn)行了分析。我們應(yīng)認(rèn)識(shí)到輸電電壓等級(jí)越高，電暈損失及地面場(chǎng)強(qiáng)對(duì)線路的設(shè)計(jì)及安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行影響越大。所以如何有效的降低電暈損耗，減小地面場(chǎng)強(qiáng)將會(huì)是我們未來(lái)重要的研究課題?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】[1]劉文勛，趙全江，張瑚，李翔，康勵(lì)，趙遠(yuǎn)濤.1000kV特高壓交流輸電線路電暈損耗估算方法[J].電力建設(shè)，2011(10).[2]陳雄