一种考虑风速影响的高海拔地区混合场强的计算方法

摘要

本发明请求保护一种考虑风速影响的高海拔地区的混合场强计算方法，属于输电工程电磁环境领域，具体包括以下步骤：应用麦克斯韦电磁场原理得出适用于并行线路空间中空间电荷和空间电位关系的控制方程；设置交直流线路并行的边界条件；使用Whitehead改进的Peek公式计算起晕场强；计算电晕空间电荷对空间电场分布的影响；引入场增强因子补偿导线表面电场强度；计算电场与空间电荷的相互作用；考虑风速时的混合场强计算。本发明的方法考虑了风速对高海拔地区离子流密度的影响，能更好的计算在风速影响下的高海拔地区混合场强的大小和分布情况。

说明书

技术领域

本发明属于输电工程电磁环境领域，特别涉及一种考虑风速影响的高海拔地区混合场强的计算方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，导致对用电量的需求急剧增加，为满足我国各区域对用电的需求，特高压输电工程也在不断地建设与投入运行中，预计到2020年底，我国将建成多条特高压交直流输电线路。特高压交直流输电工程具有节约线路走廊、有效提高单位走廊输送容量等优点，同时能很好的解决我国西部区域资源较多，但发展落后，经济实力较差，对用电的需求较低，而我国东部区域，城市相对集中，人口数量庞大，经济实力强，对用电的需求非常大的资源和经济发展不平衡的问题，使资源得到合理优化利用。但随着交直流输电工程的建设与发展所带来的电磁环境问题也引起了人们的密切关注，因此，对交直流线路引发的电磁环境问题的研究与分析具有重要意义。

在我国的交直流输电线路中，有多条正在修建的或正在运行的线路经过高海拔地区，而在高海拔地区，空气密度低，风速大，空气中自由电子获得的能量增大，使得碰撞电离发生的概率增大，电晕现象更加严重，而由电晕放电所产生的电磁环境问题也更加严重，而其中主要的电磁环境参数即为混合场强，因此，研究高海拔地区交直流输电线路的电磁环境问题具有重大的工程价值，可为已投运的或在建的线路提供工程服务，也可为后续工程的设计和改进提供参考价值，有效弥补对高海拔地区特高压直交流输电线路电磁环境问题的研究空白。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种考虑风速影响的高海拔地区混合场强的计算方法。本发明的技术方案如下：

一种考虑风速影响的高海拔地区混合场强的计算方法，其包括以下步骤：

步骤一：首先，获取高海拔地区交直流线路运行参数和气象参数，应用麦克斯韦电磁场原理得出适用于并行线路空间中空间电荷和空间电位关系的控制方程；

步骤二：再根据运行工况设置模型激励和边界条件；

步骤三：其次，对求解区域进行网格剖分，为简化网格的密度，采用等效导线半径代替分裂导线求解地面电场强度，使用Whitehead改进的适用于直流线路的Peek公式计算起晕场强；

步骤四：计算电晕空间电荷对空间电场分布的影响；

步骤五：引入场增强因子补偿导线表面电场强度；

步骤六：计算步骤五的电场强度与步骤四空间电荷的相互作用；

步骤七：考虑风速时的混合场强计算。

进一步的，所述步骤一应用麦克斯韦电磁场原理得出适用于并行线路空间中空间电荷和空间电位关系的控制方程；包括：交直流并行线路电荷和电位关系的控制方程可由麦克斯韦电磁场原理推导，如下式所示：

J

式(1)为泊松方程，V为电势，单位：V；ρ为正负空间电荷密度，单位：C/m

进一步的，所述步骤二根据运行工况设置模型激励和边界条件，包括：

(a)模型激励：交流导线电压取相电压，直流线路电压取运行电压；

(b)边界条件指：将大地看作无限大的零电位平面、将无限远处的电荷和空间电位看作为零。

进一步的，所述步骤三包括：起晕场强是导线刚好发生电晕时的电场强度值，是计算地面场强和磁场的重要参数，使用Whitehead改进的Peek公式计算起晕场强：

式(4)中，

由导线起晕场强，可以根据公式计算得到起晕电压的值：

式(5)中，L为正负极导线之间的极间距，单位：cm。

进一步的，所述导线的表面粗糙度系数m视天气和导线的表面粗糙度，取值为0.3-1；δ为空气的相对密度，是环境气压(p，单位：毫米汞柱，torr)和环境温度(T，单位：℃)的函数，当温度为T＝T

进一步的，所述步骤四计算电晕空间电荷对空间电场分布的影响具体包括：因空间电场的分布受电晕电荷的影响，需计算空间初始电荷密度和直流导线的初始电荷密度，导线下方区域的空间电荷密度由下式计算：

式(6)中，

导线表面电荷密度由下式计算：

式(7)中，

进一步的，所述步骤五包括：实际中的高压直流输电线路使用的是钢芯铝绞线，因此引入场增强因子β用以补偿实际导线上因为表面粗糙、划痕、毛刺和污染物在内的因素造成的表面尖端放电，最终计算得出修正后的导线电晕电荷密度，如下式所示：

进一步的，β取值为5-6。

进一步的，所述步骤六包括：空间电荷的密度受电晕放电所影响，从而影响空间电场的分布，因此在计算空间电场时，需要考虑空间电荷的影响，空间电荷的组成包括了离子空间电荷、悬浮雾滴空间电荷和悬浮细颗粒物空间电荷的总和，电流连续性方程与式(2)所示相同，正负离子的离子流密度与电荷密度的关系为：

v为正负离子的运动速率，可以表示为：

式中(10)，μ为离子迁移率；W为风速矢量与导线垂直部分的横向风分量；D为离子空间扩散系数。

进一步的，所述步骤七包括：高海拔区域下，风速大且每年中有风的日子占比多，对地面离子流具有很大的影响，此处考虑垂直于线路的横向风对线路下方离子流密度的影响，在横向风速度为w的情况下，空间中任意一点处的离子流密度J可以表示为：

基于横向风的大小和方向，将考虑了横向风影响后的离子流密度计算公式带入到计算混合电场的控制方程式(2)中，结合导线的起晕场强和边界条件，可以计算获得地面的混合电场和离子流场分布。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明的创新主要是提出一种利用场增强因子β补偿导线表面电场强度的方法，可精确求解具有空间电荷传播的电晕电场。不同于导线表面粗糙度系数m会增加导线起晕场强，场增强因子补偿的是因导线形变和扭曲提高的导线表面电场强度。通过对导线表面电场乘以β倍，可以纠正因为简化导线形状产生的导线表面电场减少的现象，最终计算得出修正后的导线电晕电荷密度。本发明综合考虑了电场对电晕电荷密度的影响以及电场和空间电荷之间、正负离子之间及子导线之间的相互作用，具有计算高效适用性强的特点。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例考虑风速影响的高海拔地区混合场强计算方法流程图；

图2为交直流并行线路求解区域网格剖分；

图3为交直流并行线路计算域标称电位分布；

图4为横向风对电场线分布的影响。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

参见图1、图2、图3

一种考虑风速影响的高海拔地区混合场强的计算方法，本发明的理论基础如下：在本方法的实现过程中，具体流程如图1所示，首先采用麦克斯韦电磁场原理得出适用于并行线路空间中空间电荷和空间电位关系的控制方程，如下所示：

J

式(1)为泊松方程，V为电势，单位：V；ρ为正负空间电荷密度，单位：C/m

再根据运行工况设置模型激励和边界条件，模型激励是将交流导线电压为取相电压，直流线路电压取为运行电压；边界条件是将大地看作无限大的零电位平面、将无限远处的电荷和空间电位看作为零

其次，对求解区域进行网格剖分，为简化网格的密度，采用等效导线半径代替分裂导线求解地面电场强度，整体网格剖分图如图2所示。

根据控制方程式(1)(2)(3)，在不考虑空间电荷分布情况下，基于控制方程使用有限元法计算得出直流标称电场与交流工频电场的混合场强分布，t＝0时的空间电势分布如图3所示；对于交流时变电场，取一个周期内空间点位中各个时刻的最大场强值作为最终计算结果。

根据高海拔地区的特点，对m取不同的值，根据式(4)计算得出不同的导线起晕场强：

式(4)中，

由导线起晕场强，可以根据公式计算得到起晕电压的值：

式(5)中，L为正负极导线之间的极间距，单位：cm。

考虑到要计算电晕电荷对空间电场分布的影响，还需要计算出空间的初始电荷密度和直流导线的初始电荷密度，导线下方区域的空间电荷密度由下式计算：

式(6)中，

导线表面电荷密度由下式计算：

式(7)中，

引入场增强因子β用以补偿实际导线上因为表面粗糙、划痕、毛刺和污染物等因素造成的表面尖端放电，从而使导线的表面电场强度增强。经过实验的验证，当发现β在在5-6之间时，计算得到的电场强度值和离子流密度值与实验数据吻合良好，因此通过引入场强因子，可纠正因简化导线而使电场减小的现象，最终计算得出修正后的导线电晕电荷密度，如下式所示：

将起晕场强和标称电场分别代入式(6)和式(8)计算得出空间初始电荷密度和导线的初始电荷密度。

空间电场的分布受电晕放电所影响，因此在计算空间电场时，需要考虑空间电荷的影响。空间电荷的组成包括了离子空间电荷、悬浮雾滴空间电荷和悬浮细颗粒物空间电荷的总和。电流连续性方程与式(2)所示相同，正负离子的离子流密度与电荷密度的关系为：

v为正负离子的运动速率，可以表示为：

式(10)中，μ为离子迁移率；W为风速矢量与导线垂直部分的横向风分量；D为离子空间扩散系数。

在高海拔区域下，风速大且每年中有风的日子占比多，对地面离子流具有很大的影响，横向风对电场线的影响如图4所示。此处考虑垂直于线路的横向风对线路下方离子流密度的影响，在横向风速度为w的情况下，空间中任意一点处的离子流密度J可以表示为：

式(11)中，ρ为电荷密度，单位：C/m

基于横向风的大小和方向，将考虑了横向风影响后的离子流密度计算公式带入到计算混合电场的控制方程式(2)中，结合导线的起晕场强和边界条件，可以计算获得地面的混合电场和离子流场分布。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。