特高压交流输电线路电磁场三维计算模型与屏蔽措施研究

摘要

为了在更大范围内实现能源优化配置、缓解电力供需紧张状况、减少建设成本、提高输电效率，我国发展特高压电网势在必行。但是，随着公众环保意识的增强，电磁环境问题成为制约特高压交流输电工程发展的一个重要因素。在建设“资源节约型、环境友好型”特高压工程的思想指导下，根据我国国情，正确预测和评估特高压交流线路电磁场强度，提出线路优化设计方案，是工程前期必须深入研究的关键问题。而较之高压、超高压输电线路，特高压在电压等级、线路结构、导线类型、运行环境等方面都有较大差异，原有的一些电磁场计算模型不足以准确评估特高压交流输电线路电磁环境。
　　 在这一背景下，本论文以特高压交流输电线路下方工频电场和工频磁场、输电线表面工频电场、电晕辐射电磁场为研究对象，优化模型、改进算法，快速而准确地计算特高压交流输电线路电磁场强度并分析其分布规律和特点，对比研究特高压交流输电线路电磁场的影响因素和屏蔽方案，旨在以本论文研究结果为特高压交流输电线路的优化设计提供建议和参考，以技术数据支撑消除公众对特高压交流输电线电磁污染的误解和恐惧。
　　 主要研究成果如下：
　　 ①基于架空悬链导线特性建立了特高压输电线三维工频电场计算模型，将模拟电荷法和矩量法相结合进行电场数值计算。研究表明三维模型较之传统二维模型能够更准确地反映空间电场分布。对比分析了各种线路结构和导线类型条件下的电场强度，首次定量探讨了档距长度、气象因素对电场的影响。
　　 ②由传输线理论计算输电线路电流，根据Biot-Savart定律推导出计及弧垂的特高压输电线下三维工频磁场数学模型。通过对各种影响因素，如气象条件、线路结构参数、导线类型的研究，提出了控制工频磁场的输电线路结构优化设计建议。
　　 ③结合模拟电荷法、矩量法和逐步镜像法求解思想，提出了计及弧垂的特高压输电线表面电场计算优化模型，采用模拟电荷位置寻优算法，提高计算精度。本模型能够精细反映各分裂子导线表面电场的分布规律。通过对比讨论线路结构参数、导线类型、气象条件等因素对表面电场的影响，提出抑制电晕的输电线路结构优化设计建议。
　　 ④基于电晕电流脉冲特性，根据传输线理论和天线辐射理论，推导出特高压交流线路电晕放电瞬态电磁场计算式，初步研究了电晕辐射场的动态时变特性。定义电晕辐射干扰水平，讨论了辐射干扰水平的影响因素。
　　 ⑤以架设屏蔽线实现对输电线工频电场的防护，讨论了屏蔽线数目和排列方式对屏蔽效果的影响。以设置金属屏蔽板实现对输电线工频磁场的防护，推导出有限宽平板屏蔽区域磁场计算式，从而能够快速评估屏蔽材料的屏蔽效能；仿真研究了屏蔽系统中金属平板自身物理特性、几何尺寸、输电线路结构与屏蔽效能之间的关系。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪 论

1.1研究背景及问题提出

1.1.1我国电网发展现状

1.1.2高压交流输电线路的电磁环境问题

1.2国内外特高压交流输电线路电磁环境研究现状

1.2.1高压交流输电线路电磁环境限值

1.2.2特高压交流试验段电磁环境研究概况

1.2.3特高压交流输电线路电磁环境理论研究现状及存在问题

1.3论文的主要工作

2特高压输电线下三维工频电场研究

2.1引言

2.2悬挂点等高架空输电线的相关力学计算

2.2.1悬链线方程

2.2.2导线比载计算

2.2.3导线应力计算

2.3模拟电荷法与矩量法

2.3.1模拟电荷法

2.3.2矩量法

2.4计及弧垂的特高压输电线下三维工频电场研究

2.4.1三维工频电场计算模型

2.4.2二维与三维计算模型结果比较分析

2.4.3模型验证

2.4.4三维电场分量特征

2.5不同特高压交流输电线路结构和线下电场比较

2.5.1已用或拟采用的特高压交流杆塔和线路基本参数

2.5.2不同线路结构线下电场比较

2.5.3控制场强下的导线最低架设高度和线路走廊宽度研究

2.6紧凑型特高压输电线下工频电场影响因素研究

2.6.1气象条件和档距的影响

2.6.2导线类型及分裂导线数的影响

2.6.3相导线间距的影响

2.7本章小结

3特高压输电线下三维工频磁场研究

3.1引言

3.2计及弧垂的特高压输电线下三维工频磁场研究

3.2.1输电线路电流计算

3.2.2三维工频磁场计算模型

3.2.3二维与三维计算模型结果比较分析

3.2.4三维工频磁场分量特性

3.3不同特高压输电线下工频磁场比较

3.4紧凑型特高压输电线下工频磁场影响因素

3.4.1气象条件和档距的影响

3.4.2导线类型及分裂导线数的影响

3.4.3导线架设高度的影响

3.4.4相导线间距的影响

3.5本章小结

4特高压交流输电线表面电场计算及电晕辐射研究

4.1引言

4.2计及弧垂的特高压输电线表面电场研究

4.2.1模拟电荷位置寻优算法

4.2.2计算准确度校验

4.2.3紧凑型特高压输电线表面电场分布特征

4.2.4不同特高压交流输电线路表面电场比较

4.2.5紧凑型特高压输电线路表面电场影响因素

4.3全面电晕的起始条件及电晕过程的影响因素

4.3.1电晕起始场强

4.3.2电晕过程影响因素

4.4电晕放电电流特性研究

4.4.1电晕放电脉冲电流特性

4.4.2电晕放电电流幅值确定

4.5电晕电磁辐射场研究

4.5.1电晕电磁辐射场计算

4.5.2电晕辐射电场的时域特征

4.5.3电晕辐射干扰水平的影响因素

4.6本章小结

5特高压输电线路工频电磁场屏蔽研究

5.1引言

5.2特高压输电线路工频电场屏蔽研究

5.2.1含屏蔽线的输电线下工频电场计算

5.2.2屏蔽线屏蔽效果影响因素研究

5.3特高压输电线路工频磁场屏蔽研究

5.3.1工频磁场屏蔽原理

5.3.2无限宽金属平板磁场屏蔽研究

5.3.3有限宽金属平板磁场屏蔽研究

5.3.4仿真分析

5.4本章小结

6结论

6.1论文的主要工作和结论

6.2对进一步研究工作的展望

致 谢

参考文献

附 录