一种高海拔直流输电线路地面合成电场计算方法
【专利摘要】本发明提供了一种高海拔直流输电线路地面合成电场计算方法，包括步骤1：计算零海拔下的导线表面起晕电场强度E0；步骤2：计算高海拔下的导线表面起晕电场强度Eh；步骤3：依据导线表面起晕电场强度Eh，利用低海拔的地面合成电场计算方法计算高海拔直流线路地面合成电场。与现有技术相比，本发明提供的一种高海拔直流输电线路地面合成电场计算方法，计算得到的高海拔直流线路地面合成电场结果与其实际测试结果更加吻合，能够更好的满足在高海拔地区建设输电线路时的环境保护要求。
【专利说明】
-种高海拔直流输电线路地面合成电场计算方法
技术领域
[0001] 本发明设及直流输电技术领域，具体设及一种高海拔直流输电线路地面合成电场 计算方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，我国直流输电技术发展迅速，电压等级已涵盖± 400kV~± SOOkV。但我国 地域迂阔，西部主要为高海拔地区，海拔高于1000 m的山地和高原超过全国±地总面积的一 半。由于水能、煤炭、风能等一次能源主要分布于西部高海拔地区，发展直流输电不可避免 要面临高海拔问题。海拔增加，空气密度降低，空气分子间的自由行程增大，使电子更容易 获得足够的动能引发导线表面电晕放电，导致高海拔地区的直流线路地面合成电场水平比 低海拔地区的大。但由于高海拔与低海拔地区执行同样的环境保护标准，因此在高海拔地 区建设直流线路，必须采取相应措施W保证地面合成电场满足环保限值要求，运就要求对 高海拔地区直流输电线路合成电场有一个较为准确的预测。
[0003] 目前零海拔下的直流线路地面合成电场计算方法主要包括基于Deutsch假设的计 算方法、有限元法和有限差分法等，但上述方法均设及到导线表面起晕电场强度的取值问 题。目前计算直流线路导线起晕场强普遍采用皮克(PEEK)公式，但该公式需要用到导线表 面粗糖系数m，而该系数较难准确测量，在实际计算中一般凭借经验假设，因此导致导线起 晕场强与实际情况差异很大，进而使直流线路地面合成电场计算结果与实际测量结果差别 较大。
[0004] 在高海拔直流线路地面合成电场计算方法方面，虽然有研究人员在高海拔开展了 直流地面合成电场的测试或试验工作，获得了个别海拔下直流线路地面合成电场的水平和 分布规律，但未总结出一套行之有效的高海拔直流地面合成电场计算方法。
[0005] 直流线路地面合成电场的大小不仅关系到环境保护，更决定直流线路导线型式和 线路对地高度，进而决定输电线路工程投资，因此，需要提供一种高海拔直流输电线路地面 合成电场计算方法，从而能够开展不同海拔高度下的直流线路地面合成电场试验研究。
【发明内容】
[0006] 为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种高海拔直流输电线路地面合成电场 计算方法。
[0007] 本发明的技术方案是：
[000引所述方法包括：
[0009] 步骤1:计算零海拔下的导线表面起晕电场强度Eo;
[0010] 步骤2:依据所述电场强度Eo计算高海拔下的导线表面起晕电场强度Eh;
[0011] 步骤3:将所述电场强度Eh作为低海拔下导线表面起晕电场强度Es的边界条件，利 用低海拔的地面合成电场计算方法计算高海拔直流线路地面合成电场的电场强度E'h。
[0012] 本发明提供的一个优选实施例为:所述零海拔下的导线表面起晕电场强度Eo的计 算公式为：
[0013] Eo = f(Req) ? E'o (I)
[0014] 其中，E'O为零海拔下的基准导线的表面起晕电场强度，f(Req)为导线修正系数；
[0015]
，Req为测试导线的电气等效半径，R'eq为所述基 准导线的电气等效半径。
[0016] 本发明提供的一个优选实施例为:所述电气等效半径Req的计算公式为：
[0017]
[001引其中，R为测试导线的线束半径，n为测试导线中子导线的根数，r为所述子导线的 半径。
[0019] 本发明提供的一个优选实施例为:所述高海拔下的导线表面起晕电场强度化的计 算公式为：
[0020] Eh=Eo(I-Wi) (3)
[0021] 其中，h为海拔高度，k为导线表面起晕电场强度海拔修正系数。
[0022] 本发明提供的一个优选实施例为:所述步骤3中计算高海拔直流线路地面合成电 场包括：
[0023] 步骤31:设定空间各点的电荷密度初始值P;
[0024] 步骤32:采用通量线法或者有限元法计算空间各点的电位和电场强度；
[0025] 步骤33:依据所述空间各点的电位？和电场强度时十算空间各点的电荷密度实际值 P' ；
[00%]步骤34:判断所述边界条件和空间各点的电荷密度实际值P'是否满足收敛条件：
[0027] 若满足，则依据所述空间各点的电荷密度实际值P'计算所述电场强度E'h;
[0028] 若不满足，则修正所述空间各点的电荷密度初始值P，并将所述电荷密度实际值P' 赋值到空间各点的电荷密度初始值P，返回步骤32。
[0029] 本发明提供的一个优选实施例为:所述收敛条件包括：
[0030] 所述边界条件的收敛条件文
[0031] 所述空间各点的电荷密度实际值P'的收敛条件j
[0032] 其中，Pn为第n次计算过程中的电荷密度实际值P'的值，Pn+i为第n+1次计算过程中 的电荷密度实际值P'的值，e和e'均为常数。
[0033] 与最接近的现有技术相比，本发明的优异效果是：
[0034] 本发明提供的一种高海拔直流输电线路地面合成电场计算方法，适用的导线型式 范围更广、更具有普适性，且利用该方法得到的高海拔直流线路地面合成电场计算结果与 其实际测试结果更加吻合，能够更好的满足在高海拔崎帳建设输电线路时的环境保护要 求。
【附图说明】
[0035] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0036] 图1:本发明实施例中一种高海拔直流输电线路地面合成电场计算方法流程图；
[0037] 图2:本发明实施例中导线表面起晕场强与海拔高度之间的关系曲线图；
[003引图3:本发明实施例中海拔50m时直流地面合成电场横向分布曲线与实际测量结构 对比图；
[0039 ]图4:本发明实施例中海拔4300m时直流地面合成电场横向分布曲线与实际测量结 构对比图。
【具体实施方式】
[0040] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0041] 本发明提供的一种高海拔直流输电线路地面合成电场计算方法，针对高海拔地区 高压直流输电线路地面合成电场预测问题，可方便准备地计算高海拔高压直流线路的地面 合成电场水平。
[0042] 图1为本发明实施例中高海拔直流输电线路地面合成电场计算方法流程图，如图 所示，本实施例中高海拔直流输电线路地面合成电场计算方法包括下述步骤：
[0043] 步骤SlOl:计算零海拔下的导线表面起晕电场强度Eo。
[0044] 本实施例中零海拔下的导线表面起晕电场强度Eo的计算公式为：
[0045] Eo = f(Req) ? E'o (I)
[0046] 其中，E'o为零海拔下的基准导线的表面起晕电场强度；
[0047] f (Req)为导线修正系数，与导线的电气等效半径Req有关，即：
[004引
，Req为测试导线的电气等效半径，R'eq为基准导 线的电气等效半径。本实施例中基准导线的电气等效半径R'eq通过对零海拔下直流线路地 面合成电场试验结果进行反推计算得到，R'eq= 18.14cm，E '日=18kV/cm。
[0049]电气等效半径Req的计算公式为：
[0化0]
(2；
[0051] 其中，R为测试导线的线束半径，n为测试导线中子导线的根数，r为子导线的半径。
[0052] 步骤S102:依据电场强度Eo计算高海拔下的导线表面起晕电场强度Eh。
[0053] 图2为本实施例中导线表面起晕场强与海拔高度之间的关系曲线图，如图所示，本 实施例中高海拔下的导线表面起晕电场强度Eh的计算公式为：
[0化4] Eh=Eo(I-Wi) (3)
[0055] 其中，h为海拔高度，k为导线表面起晕电场强度海拔修正系数。
[0056] 本实施例中导线表面起晕电场强度海拔修正系数k通过不同海拔条件下的试验得 到，根据导线的分裂数和子导线半径不同而有所不同。对于超特高压直流输电工程常用导 线型式，k的取值范围约为6 XlCT2~7.5 X 1(T2。
[0057] 步骤S103:依据kaptzov假设将电场强度Eh作为低海拔下导线表面起晕电场强度Es 的边界条件，利用低海拔的地面合成电场计算方法计算高海拔直流线路地面合成电场的电 场强度E'h。本实施例中低海拔可W为超出海平面的1000 m垂直高度，其步骤包括：
[0058] 1、设定空间各点的电荷密度初始值P。
[0059] 2、采用通量线法或者有限元法计算空间各点的电位和电场强度。
[0060] 3、依据空间各点的电位巧和电场强度时十算空间各点的电荷密度实际值P'。
[0061] 4、判断边界条件和空间各点的电荷密度实际值P'是否满足收敛条件。
[0062] 若满足，则依据所述空间各点的电荷密度实际值P'计算所述电场强度E'h。
[0063] 若不满足，则修正所述空间各点的电荷密度初始值P，并将所述电荷密度实际值P' 赋值到空间各点的电荷密度初始值P，返回步骤2。
[0064] 本实施例中针对北京特高压直流试验基地和西藏高海拔试验基地的两个±500kV 直流试验线的地面合成电场试验进行说明。上述两个±500kV直流试验线分别位于北京市 昌平区和西藏自治区拉萨市，海拔高度分别为50m和4300m，且试验线的测量长度均为300m， 档距中央导线最小对地高度为15m。
[0065] 本实施例中在两个直流试验线架设相同型式的4*LGJ-500/45导线，并在直流试验 线上对双极导线施加± 500kV直流电压，测量两处海拔直流试验线下的地面合成电场，将测 试结果与本发明公开的地面合成电场计算方法的计算结果进行比较。
[0066] 4*LGJ-500/45导线的分裂间距为0.45111，其电气等效半径为20.97畑1，计算得到海 拔Om处的导线表面起晕场强为17.9kV/cm，通过试验研究得到导线表面起晕电场强度海拔 修正系数k = 0.0644。计算得到海拔4300m处的导线表面起晕场强为13.OkV/cm。基于海拔 4300m处的导线表面起晕场强，并采用kaptzov假设，直流线路导线起晕后表面电场强度维 持在其起晕场强值上，利用基于Decutcsh假设的通量线法计算海拔4300m处± 500kV直流试 验线地面合成电场分布。其中：
[0067] ①：海拔50m处4礼GJ-500/45导线地面合成电场的测试结果和计算结果如图3所 示。图3中实线表示的是4*LGJ-500/45导线地面合成电场的计算结果，点状线表示的是4* LGJ-500/45导线地面合成电场的测试结果。
[0068] ②:海拔4300m处4*LGJ-500/45导线地面合成电场的测试结果和计算结果如图4所 示。图4中实线表示的是4*LGJ-500/45导线地面合成电场的计算结果，点状线表示的是4* LGJ-500/45导线地面合成电场的测试结果。
[0069] 通过图3和4可W看出，采用本发明公开的地面合成电场计算方法，可W较为准确 的预测在高海拔地区直流线路的地面合成电场最大值水平。由于实际测试中气象条件的影 响，巧然导致正负极性侧的地面合成电场分布并不对称，但是利用本发明公开的地面合成 电场计算方法得到的地面合成电场横向分布曲线与实测结果在规律上仍然是一致的。需要 说明的是，在输电线路设计和输电线路运行期环境评价中，较为关注地面合成电场的最大 值，本实施例中计算结果和测试结果的最大值之间误差小于5%，因此采用本发明公开的地 面合成电场计算方法能够较为准确预测高海拔直流线路地面合成电场，且能够满足工程设 计的要求。
[0070] 本领域普通技术人员可W理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可W 通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质 中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁 碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only,ROM)或随机存储记忆体（Random Access Memory， 鹽)等。
[0071] 本发明实施例中高海拔直流输电线路地面合成电场计算方法，计算得到的高海拔 直流线路地面合成电场结果与其实际测试结果更加吻合，能够更好的满足在高海拔地区建 设输电线路时的环境保护要求。
[0072] 最后应当说明的是:所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实 施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得 的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
【主权项】
1. 一种高海拔直流输电线路地面合成电场计算方法，其特征在于，所述方法包括： 步骤1:计算零海拔下的导线表面起晕电场强度E0; 步骤:2:依据所述电场强度Eo计算高海拔下的导线表面起晕电场强度Eh; 步骤3:将所述电场强度Eh作为低海拔下导线表面起晕电场强度ES的边界条件，利用低 海拔的地面合成电场计算方法计算高海拔直流线路地面合成电场的电场强度E ' h。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述零海拔下的导线表面起晕电场强度E0的 计算公式为：(1) 其中，E'o为零海拔下的基准导线的表面起晕电场强度，f (Re3q)为导线修正系数；k为测试导线的电气等效半径，R、为所述基准导线 的电气等效半径。3. 如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电气等效半径Re3q的计算公式为：⑵ 其中，R为测试导线的线束半径，η为测试导线中子导线的根数，r为所述子导线的半径。4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高海拔下的导线表面起晕电场强度Eh的 计算公式为： Eh = E〇(l-kh) (3) 其中，h为海拔高度，k为导线表面起晕电场强度海拔修正系数。5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中计算高海拔直流线路地面合成 电场包括： 步骤31:设定空间各点的电荷密度初始值P; 步骤32:采用通量线法或者有限元法计算空间各点的电位和电场强度； 步骤33:依据所述空间各点的电位φ和电场强度E计算空间各点的电荷密度实际值P'； 步骤34:判断所述边界条件和空间各点的电荷密度实际值P '是否满足收敛条件： 若满足，则依据所述空间各点的电荷密度实际值Ρ'计算所述电场强度E'h; 若不满足，则修正所述空间各点的电荷密度初始值P，并将所述电荷密度实际值P '赋值 到空间各点的电荷密度初始值P，返回步骤32。6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述收敛条件包括： 所述边界条件的收敛条件：所述空间各点的电荷密度实际值P '的收敛条件， 其中，Pn为第η次计算过程中的电荷密度实际值P '的值，Pn+1为第n+1次计算过程中的电 荷密度实际值P '的值，ε和ε '均为常数。
【文档编号】G06F19/00GK106021919SQ201610330670
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】鞠勇, 赵录兴, 陆家榆, 谢莉
【申请人】中国电力科学研究院, 国家电网公司, 国网新疆电力公司