复杂地形下高压交流输电线路的工频电场仿真研究

摘要

目前我国的电力需求快速增长，电力系统正朝着高电压、大容量、远距离的方向发展。随着电磁环境问题越来越受到人们的关注，精确计算输电线路产生的电磁场并且评估其对环境的影响是否超标便成为一个亟待解决的重要课题。本文以220kV高压输电线路为研究对象，通过仿真计算其周围产生的工频电场并进行研究分析。
　　对于输电线路的工频电场，通常假设大地为平面，采用模拟电荷法结合镜像法进行计算。这对于平原或开阔平坦的地区可以适用，但对于山地、丘陵等不平坦地形则需要根据地形设定地面下的模拟电荷，所以无法使用镜像法。为解决这一问题，本文采用两种方法作研究:模拟电荷法、有限差分法。
　　高压输电线路为多回路高电压系统，周围电场强度分布情况较为复杂，本文引入模拟电荷法，建立了高压输电线路二维电场的数学模型，编制了仿真程序。通过仿真与分析，得出了高压输电线路电场的基本规律。
　　为了进一步模拟实际复杂的问题，充分考虑地形等因素对于高压线电场分布的影响。本文利用有限差分法实现了真实地形下高压线电场分布的仿真工作，并加入边界条件建立了介质地面和森林植被模型，充分体现了三维空间中地形、植被等对于空间电场的影响。
　　主要工作如下:
　　1.根据现有的模拟电荷法编写程序计算并研究了220kV等级高压线路在不同情况下近场电场分布特性。
　　2.在对现有二维有限差分方程以及五点差分格式了解的基础上，推导了三维不等距有限差分公式，提出了基于三维拉普拉斯方程的7点差分格式并且引入复数电压，实现了有限差分法在三维空间中的应用。
　　3.提出地形模型的阶梯近似处理方法，并与DEM数据相结合，实现了真实地形下高压线路三维空间电场的仿真工作，结合实测结果验证了方法的可靠性。
　　4.依据电场边界条件实现了有导电媒质存在下空间电场的仿真工作，建立了介质地面和植被模型，并计算分析了高压线附近有植被存在情况下的空间电场分布情况。
　　通过典型算例仿真，分析了导线排列方式、导线对地高度、子导线半径、分裂数、分裂间距、不平坦地形、介质地面、植被等不同影响因素或情况下的工频电场分布规律;探讨了减小工频电场分布的措施，得到一些有益的结论，可为高压线路电磁环境的评估以及高压线路走廊的优化设计提供帮助。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景和意义

1．1．1 发展高压输电工程的重要性

1．1．2 电磁环境问题受到人们的关注

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 有关的电磁场数值方法简介

1．4 本文研究内容

第2章 高压输电线路的工频电场数值仿真方法

2．1 模拟电荷法

2．1．2 模拟电荷法的基本思想

2．1．3 模拟电荷法的实施步骤及要点

2．1．4 模拟电荷的类型及其电位系数

2．2 有限差分法

2．2．1 有限差分法的数学基础

2．2．2 差分原理

2．2．3 逼近误差与差商精度

2．2．4 三维有限差分法原理

2．2．6 简单迭代法

2．3 本章小结

第3章 基于模拟电荷法的输电线路下工频电场的数值计算与研究

3．2 输电线路的简化

3．3 输电线路下工频电场的计算

3．3．1 分裂导线等效半径的计算

3．3．2 三相正弦稳态线路

3．3．3 模拟电荷和匹配点的类型、位置、数量的设置

3．3．4 求解模拟电荷电量

3．3．5 精度校验

3．3．6 电场强度计算

3．4 高压输电线路在不同情况下的工频电场分析

3．4．1 不同对地高度下的场强分析

3．4．2 不同相间距离下的场强分析

3．4．3 不同子导线半径近场电场分布特性研究

3．4．4 不同子导线分裂数下的场强分析

3．4．5 不同子导线间距下的场强分析

3．4．6 算例分析与结论

3．5 本章小结

第4章 基于真实地形的输电线路下工频电场的数值计算与研究

4．1 输电线路下工频电场的计算方法

4．1．1 三相正弦稳态线路

4．1．2 空间网格的划分

4．1．3 电场强度计算

4．1．4 有限差分算法验证

4．2 输电线路地形模型的简化

4．2．1 地理数据获取

4．2．3 数字高程模型

4．2．4 地形“阶梯”近似

4．3 输电线路电场计算的模型建立

4．3．1 空间的划分

4．3．2 地形数据的阶梯近似处理

4．3．3 地形数据插值

4．3．4 仿真模型的建立

4．4 输电线路下工频电场的计算与验证

4．4．1 仙林地区输变电工程电磁环境的测量

4．4．2 影响电场测量准确度的因素

4．4．3 仿真结果的验证

4．5 本章小结

第五章 高压输电线路在不同地面情况下的工频电场分析

5．1 考虑大地介电常数对于高压线下电场分布的影响

5．1．1 电场边界条件

5．1．2 差分方程的改进

5．1．3 仿真结果及分析

5．1．4 算倒分析与结论

5．2 不同地形下的高压输电线路电场分布特性

5．2．1 凹形地面下的场强分析

5．2．2 凸形地面下的场强分析

5．2．3 斜坡地面下的场强分析

5．2．4 算例分析与结论

5．3 考虑地面植被对于高压线下电场分布的影响

5．3．1 理论模型

5．3．2 不同地面植被对高压线下电场分布的影响

5．3．3 算例分析与结论

5．4 本章小结

第六章 总结

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢