董跃周

（中国南方电网超高压输电公司,广东广州,51000）

基于有限元方法对高压架空输电线路风偏电场的研究

董跃周

（中国南方电网超高压输电公司,广东广州,51000）

中国地域辽阔气候复杂，架空输电线路经常面临风速大、飑线风多以及其它恶劣天气因素的影响，导致频繁出现输电线路风偏故障，对电力系统安全运行构成严重威胁。导线周围的电场能够反映输电线路风偏情况，对输电线路风偏电场的研究有利于风偏故障的防治。本文基于有限元方法对西北电网330kV架空输电线路风偏电场进行模拟，获取了输电线路周围电场分布的仿真结果。根据不同风速下输电线路的电场分布，采取相应的防风措施，可以大大降低风偏故障发生概率，这对电力系统的安全运行具有重要的工程意义和经济价值。

风偏故障；风偏电场；有限元方法；防风措施

0 前言

近年来，由于气候变化带来的突发性恶劣天气逐渐增多，导致大风所引起的输电线路风偏故障经常发生，常常会引起线路跳闸、导线电弧烧伤、断股、断线等一系列问题。对于输电线路风偏故障的成因，国内外相关领域的专家都做了大量的研究与分析，普遍认为是由内、外两个因素造成的，内因就是输电线路的机械强度不够，外因则是强风强降雨天气对输电线路的影响。针对内外两个因素，就可以采取相应的措施来提高输电线路抵御风偏的能力。在国内，有关输电线路风偏的计算方法还不够充足，西南电力设计院曾对绝缘子串发生风偏进行了仿真，通过有限元仿真软件ABAQUS，对输电线路风偏电场进行模拟分析，得到风速对绝缘子串风偏的影响。中国电力科学研究院早在上世纪八十年代就对悬垂绝缘子串风偏角进行了测量。在国外对输电线路风偏的研究多为风偏角的计算，其计算方法主要依据以下两个方面，一是绝缘子串与杆塔之间的距离，二是输电导线与建筑物之间的距离，当受到强风作用时上述两个对象会发生改变，对最小距离进行分析计算就可得到绝缘子串风偏角的计算公式。John G.St.Clair在文献[9]中研究了输电导线受到强风作用后与建筑物之间的最小间距，并推导出了如何计算风偏角的方法。Rikh V. N.在文献[10]中通过对输电线路进行作图分析，最后推导出一个风偏角的计算公式。本文针对高压架空输电线路，在大风强降雨等恶劣天气因素的影响下，由于架空输电线路受风的作用会经常发生风偏故障，风偏电场能够刻画架空输电线路的风偏程度。因此，对架空输电线路风偏电场进行研究，从而采取相应的防风偏措施，对风偏故障的防治有重要意义。

1 输电线路风偏故障机理分析

1.1 导线有关风压的计算

风压值就是以某一恒定风速的风垂直吹到导线上，其单位面积受到的压力，即具有一定动能的流体遇到物体时，由于受到阻力的作用速度会降低，当速度为零时，此时流体的动能将转化为对物体表面单位面积上的压力，其计算公式为：

自然条件下导线实际风压与理论风压不同，还要结合风速不均系数、导线体形系数以及风向与导线间角度等影响因素进行计算，其公式如下：

1.2 风速对风偏角的影响

风速对改变输电导线风偏角大小起主导作用，风偏角随着风速的增大而增大，因此，也使得在相同条件下输电导线（或绝缘子串）的空气间隙变小，以风速为变量，通过风偏角计算公式得到导线的风偏角与风速的关系如图1所示：

图1 导线风偏角与风速关系曲线

风偏角计算公式为：

2 有限元法计算风偏电场及仿真结果

有限元法计算工频电场时，假设条件相对较少，因此，能够较为详细的考虑各种影响的因素，当网格的剖分达到一定精度时，其计算结果也就可以达到所要求精度，且计算结果较为准确。

对于交流输电线路电磁场控制方程为：

式中，E为输电导线周围场强，B为磁感应强度，H为磁场强度，D为电位移矢量，为电荷密度，J为电流密度。

根据上述风偏电场的计算方法，针对强风引起绝缘子风偏现象，建立了三维大场域线路绝缘子的有限元计算模型，仿真计算了330kV架空输电线路绝缘子的电位和电场分布，针对门形塔在风偏角分别为0°、30°、45°及60°进行了仿真，其中风偏角为60°的仿真示意图2所示：

图2 风偏角为30°时输电线路整体及导线周围电势分布

图3 不同极间距导线下方横向电场分布

为了进一步分析导线周围电场的变化趋势，绘制出不同风偏下最大场强的变化曲线如图3所示：

由仿真结果可以看出上述不同的极间距导线下方距地面3m处的电场强度可高达10kV/m，此处风偏电场的模拟值须控制在高压电场限值（如表1所示）以内，使导线与导线之间、导线与杆塔之间保持足够的距离，即使导线与杆塔之间的空气间隙缩小到最小，也能保证输电线路不发生风偏故障。

表1 国际非电离辐射防护委员会关于高压电场限值表

并且图3显示随着极间距的增大，电场强度的变化趋于平缓。为了降低高压输电线路周围无线电干扰及合成磁场对人们生活的影响，须使导线周围电场强度控制在安全限值以内，可以采取增大极间距以及加强导线的机械强度等措施，但改造费用也会相应的增加。因此，在防治输电线路风偏故障，改变输电杆塔结构时要综合考虑工程投资，能量损耗，无线电干扰及地面合成场强等因素。

3 结论

本论文以330kV架空输电线路高压输电线路为分析对象，基于有限元算法对实际线路进行模拟，并根据仿真结果分析了实际线路在不同风偏状态下的电场分布，本文对架空输电线路风偏电场分布进行研究，输电线路在电场中受到电场力的作用，风偏电场的快速变化导致输电线路剧烈运动。为了防治输电线路风偏故障的发生，在实际线路建设过程中应避免输电线路周围场强超过安全场强，从而可以大大提高输电线路的安全运行的可靠性。

[1] 郭振宇，张林波，刘宗川．220kV输电线路风偏故障及防风偏改造[J]. 山西电力，2015 (3).

[2] 梁长栋，张建军，毋秋霞．220kV输电线路风偏故障及防控措施[J]. 山西电力，2015 (3).

[3] 肖东坡．500kV输电线路风偏故障分析及对策[J]. 电网技术，2009，33(5):99-102.

[4] 郑佳艳, 严波, 刘小会. 悬垂绝缘子串动态风偏响应的数值模拟[J]. 重庆大学学报：自然科学版, 2006, 29(12):100-103.

[5] 徐海宁，向文祥，刘登远，等．500kV输电线路导线风偏闪络的研究.湖北电力, 2006, 30(6):46-48.

[6] 郑佳艳, 严波, 刘小会. 悬垂绝缘子串动态风偏响应的数值模拟[J]. 重庆大学学报：自然科学版, 2006, 29(12):100-103.

[7] 郑佳艳．动态风作用下悬垂绝缘子串风偏计算研究[D]. 重庆:重庆大学,2006.

[8] 王遵，李志麒，秦光汉，等．架空电力线路悬垂绝缘子串风偏角的实测[J].中国电力, 1983, 12: 8-13.

[9] JGS Clair. Clearance calculations of conductors to buildings [J]. Power Delivery, IEEE Transactions on, 1997, 12(2):979-984.

[10] VN Rikh. Conductor spacings in transmission lines and effect of long spans with steep slopes in hilly terrain [J]. IE (I) Jour-nal, 2004, 85(5): 8-16.

董跃周（1986--），男，本科，工程师，现工作于中国南方电网超高压输电公司，主要从事超高压直流输电运维及建设。

Research on the wind bias electric field of high voltage overhead transmission lines based on the finite element method

Dong Yuezhou
（Extra High Voltage Power Transmission Company of China Southern Power Grid,Guangzhou,Guangdong,51000）

China has a vast territory and complex climate，overhead transmission lines often face high wind speed,squall line wind and other weather factors influence, resulting in frequent transmission line windage yaw fault, which poses a serious threat to the safe operation of the power system. The electric field around the conductor can reflect the wind bias of the transmission line, which is conducive to the prevention and control of the wind bias fault. Based on the finite element method, the wind bias field of 330kV overhead transmission line in the northwest power grid is simulated, and the simulation results of the distribution of the electric field around the transmission line are obtained.According to the different wind speed transmission line of electric field distribution, take corresponding precautionary measures, can greatly reduce the wind leaning fault probability, the safe operation of power system has important engineering significance and economic value.

wind bias fault; wind bias electric field; finite element method;wind proof measures