CN117725346A - 一种直流线路地线融冰感应电压计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力技术领域,公开了一种直流线路地线融冰感应电压计算方法,将导线表面电晕产生的直流离子流在空间电场的分布用直流电晕层进行等效,从而模拟出导线周围空间的电场分布,计算直流线路地线融冰时的感应电压。本发明解决了现有技术存在的无法准确计算直流线路地线融冰感应电压等问题。
Description
技术领域
本发明涉及地线融冰领域,具体是一种直流线路地线感应电压的计算方法。
背景技术
直流线路进行地线融冰时,除极导线上电荷产生标称电场外,直流线路将空气电离(即导线电晕),线路表面电荷与空间带电离子产生的综合电场,会在地线上感应出远远大于直流线路本身在地线上产生的感应电压。因此直流线路地线融冰时,地线上的感应电压主要为静电耦合和离子流场的感应电压,这与交流线路地线感应电压主要为电磁感应电压和静电感应电压的产生机理不同。
以往直流线路计算地线感应电压时,未考虑空气电离后产生的综合电场的影响,导致计算的地线感应电压偏小,因此直流线路进行地线融冰时,曾出现地线感应电压过高而导致融冰装置起火的故障,因此为保证直流线路地线融冰的安全,需要准确计算直流线路地线融冰感应电压。
对于直流线路地线融冰感应电压的计算,目前尚无明确的计算方法。
发明内容
为克服现有技术的不足,本发明提供了一种直流线路地线融冰感应电压计算方法,解决了现有技术存在的无法准确计算直流线路地线融冰感应电压等问题。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是:
一种直流线路地线融冰感应电压计算方法,将导线表面电晕产生的直流离子流在空间电场的分布用直流电晕层进行等效,从而模拟出导线周围空间的电场分布,计算直流线路地线融冰时的感应电压。
作为一种优选的技术方案,包括以下步骤:
S1,选取直流线路回路数;
S2,选取计算杆塔模型;
S3,设置导线布置方式;
S4,构建计算模型;
S5,设置边界及收敛条件;
S6,求取参数。
作为一种优选的技术方案,步骤S4中,在构建计算模型时,采用以下假设条件来简化电场与空间电荷的相互影响:
1)导线起晕后,导线表面场强保持起晕场强不变,等效电晕层表面场强等于起晕场强;
2)电晕以及空间中各点电荷浓度已达稳态,不考虑暂态过程;
3)正负导线表面各点的空间电荷密度沿导线外边界恒定;
4)忽略杆塔影响及电晕分布的不均匀性,将实际的三维问题简化为二维问题;
5)忽略电晕层外电荷影响,仅考虑等效电晕层内电荷。
作为一种优选的技术方案,步骤S4中,在构建计算模型时,采用以下假设条件来简化电场与空间电荷的相互影响后,通过加入修正系数的方法对电晕层半径进行线性修正。
作为一种优选的技术方案,步骤S5中,边界条件指导线表面、地面、设定的电晕层边界上所需满足的条件,边界条件如下:
其中,、/>、/>分别为导线表面、地面、设定的电晕层边界处的电势,/>为导线运行电压,/>为标称场电位。
作为一种优选的技术方案,步骤S5中,收敛条件如下:
其中,为导体表面最大场强,/>为起晕场强,/>为容差。
作为一种优选的技术方案,步骤S6中,计算导线电晕场强、感应电压。
作为一种优选的技术方案,步骤S5中,计算导线电晕起始场强时,计算光滑圆导线表面起晕场强的公式如下:
其中,为正极光滑圆导线表面起晕场强,/>为负极光滑圆导线表面起晕场强,/>为导线半径。
作为一种优选的技术方案,步骤S5中,计算导线电晕起始场强时,导线表面状态对起晕场强的影响由粗糙系数进行修正,修正公式如下:
其中,为正极导线实际表面起晕场强,/>为负极导线实际表面起晕场强,为粗糙系数。
作为一种优选的技术方案,步骤S5中,计算导线电晕起始场强时,的范围为[0.3,0.45]。
本发明相比于现有技术,具有以下有益效果:
(1)本发明解决了以往直流线路地线融冰时感应电压未考虑空气电离后产生的综合电场影响的问题;
(2)本发明提出了采用稳定直流电晕层等效离子流场的计算方法计算导线周围的空间电场分布,模拟出导线和地线附近的电场,从而计算地线上的感应电压的方法。
附图说明
图1为本发明所述的一种直流线路地线融冰感应电压计算方法的步骤示意图;
图2为某线路杆塔图;
图3为同塔双回线路导线布置示意图之一(+-/-+布置方案);
图4为同塔双回线路导线布置示意图之二(-+/-+布置方案);
图5为同塔双回线路导线布置示意图之三(++/--布置方案);
图6为同塔双回线路导线布置示意图之四(--/++布置方案);
图7为等效电晕层内外示意图;
图8为典型铁塔各相尺寸参数图;
图9为地线感应电压云图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图,对本发明作进一步的详细说明,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1至图9所示,考虑到直流线路计算离子流密度的本质是电场的等效,本发明解决现有直流线路地线融冰时,感应电压计算无法考虑导线电晕层影响的问题,本发明创新性地提出采用稳定直流电晕层等效离子流场的计算方法计算导线周围的空间电场分布,模拟出导线和地线附近的电场,从而计算地线上的感应电压。
本发明具体采用如下步骤实现:
1.选取直流线路回路数:
确定直流线路回路数,回路数为单回或双回。
2.选取计算杆塔模型:
某线路杆塔如图2所示。导线平均高按20m考虑。
3.设置导线布置方式:
同塔双回线路导线布置方式如图3至图6所示。
图3中,左侧直流线路为+-,右侧直流线路为-+布置方案;
图4中,左侧直流线路为--,右侧直流线路为++布置方案;
图5中,左侧直流线路为+-,右侧直流线路为+-布置方案;
图6中,左侧直流线路为-+,右侧直流线路为-+布置方案。
4.构建计算模型:
在构建计算模型时,采用了直流线路一些假设来简化电场与空间电荷的相互影响:
1)Kaptzov假设:导线起晕后,导线表面场强保持起晕场强不变,由于等效电晕层可看作是导线半径的外扩,因此认为等效电晕层表面场强等于起晕场强;
2)电晕以及空间中各点电荷浓度已达稳态,不考虑暂态过程;
3)正负导线表面各点的空间电荷密度沿导线外边界为近似恒定;
4)忽略杆塔影响及电晕分布的不均匀性,将实际的三维问题简化为二维问题;
5)忽略电晕层外电荷影响,仅考虑等效电晕层内电荷。
(1)等效电晕层半径设置:
等效电晕层半径可由导线表面电场等于电晕起始场强,即求得,由原导线等效半径r eq不断向外扩张,直至导线表面电场等于电晕起始场强,此时扩张后导线半径即为等效电晕层半径r eq1,与现有计算报告相比计算误差小于8%,
由于等效电晕层忽略了外层空间电荷的影响导致感应电压计算结果偏小,通过加入修正系数的方法对电晕层半径进行线性修正,修正后计算误差进一步减小。
(2)假设条件(假设条件与原离子流场相同):
1)Kaptzov假设导线起晕后,导线表面场强保持起晕场强不变,等效电晕层表面场强等于起晕场强;
2)电晕以及空间中各点电荷浓度已达稳态,不考虑暂态过程;
3)正负导线表面各点的空间电荷密度沿导线外边界为近似恒定;
4)忽略杆塔影响及电晕分布的不均匀性,将实际的三维问题简化为二维问题;
5)忽略电晕层外电荷影响,仅考虑等效电晕层内电荷。
(3)边界及收敛条件(边界及收敛条件与原离子流场相同):
边界条件设置需与原离子流场保持一致,即:
其中,、/>、/>分别为导线、地面、计算边界处的电势,/>为导线运行电压,为标称场点位。
等效模型将原有的空间电荷变换为等效电晕层,但仍采用Kaptzov假设,因此收敛条件仍需满足导线表面场强等于电晕起始场强,通过不断改变等效电晕层半径改变电晕起始场强使其满足收敛条件,即:
其中,为导体表面最大场强,/>为起晕场强,/>为容差,参考值为/>=1%。
如图7所示,离子流影响中空间中任意一点都存在正负电荷并最终达到稳定,但在静电场作用下正(负)电荷主要分布于正(负)导线表面,且距离正(负)导线表面越远处相对应电荷密度越小,因此采用导线表面等效电晕层等效整个空间电荷影响,电晕层外电荷影响忽略不计。
5.设置边界及收敛条件:
构建计算模型后,需要设置一定的边界条件才能进行空间电场的计算。以往计算方法是在离导线较远处认为地划出一条假想的边界(人工边界),导线表面、地面和人工边界所围成的封闭平面区域即为计算场域,边界条件也就是导线表面、地面、设定的电晕层边界上所需满足的条件。
本发明中,设定的电晕层边界电位由导线电荷产生的标称电位决定,计算方法为模拟电荷法。通过一些算例的计算,本文认为电晕层边界取大于或等于4倍的导线高度是合适的。
1)导线表面:
(1)
2)地面:
(2)
3)假定人工边界离导线足够远,以至空间电荷对该处的影响与导线电荷相比可基本忽略,则在人工边界上有:
(3)
收敛条件:等效模型将原有的空间电荷变换为等效电晕层,但仍采用Kaptzov假设,因此收敛条件仍需满足导线表面场强等于电晕起始场强,通过不断改变等效电晕层半径改变电晕起始场强使其满足收敛条件,即:
(4)
6.计算重要参数
6.1计算等效电晕层半径:
等效电晕层半径可由导线表面电场等于电晕起始场强,即求得,由原导线等效半径r eq不断向外扩张,直至导线表面电场等于电晕起始场强,此时扩张后导线半径即为等效电晕层半径r eq1,
6.2设置模型参数:
根据实际工程,选取典型铁塔各相尺寸参数,如图8所示。
图8中,r为分裂导线子导线半径;n为分裂数;R是通过各子导线中心的圆的半径。
导线与地线为铝包钢绞线,材料参数取铝参数,如表1所示。
表1导线及地线材料参数表
6.3设置边界条件:
根据“5.设置边界及收敛条件”可得边界条件设置为:
1)求解域内电场由标称电场(静电场)以及等效电晕层所表征的离子流电场叠加而成,导线表面设置为U0=直流线路电压等级,求解区域人工边界设置为标称电场Unominal,大地设置为零电位;
2)等效电晕层半径设置为req1,其表面电场强度设置为;
3)将两地线设置为悬浮电位;
6.4重要参数求取:
1)导线电晕起始场强:
计算时考虑到导线在长时间运行后,导线表面粗糙系数不是固定数值,因此首先结合导线粗糙系数估算了导线的起晕场强,导线等效单根导线表面电位与分裂导线相同。根据Kaptzov假设,导线表面边界上的空间电荷密度由导线起晕场强间接给定。光滑圆截面导线的直流起晕场强Ec可由Peek公式预测:
(5)
式中对应的环境稳定为25℃,气压为101.3kPa。
导线表面状态对起晕场强的影响由粗糙系数m进行修正:
(6)
式中,Ec为导线实际起晕场强,计算时导线粗糙系数m考虑为0.3-0.45,计算可得正极导线起晕场强与负极导线起晕场强。
2)感应电压计算:
通过电晕层等效后,可以直接计算处于电场中的地线感应电压。
如上所述,可较好地实现本发明。
本说明书中所有实施例公开的所有特征,或隐含公开的所有方法或过程中的步骤,除了互相排斥的特征和/或步骤以外,均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制,依据本发明的技术实质,在本发明的精神和原则之内,对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等,均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种直流线路地线融冰感应电压计算方法,其特征在于,将导线表面电晕产生的直流离子流在空间电场的分布用直流电晕层进行等效,从而模拟出导线周围空间的电场分布,计算直流线路地线融冰时的感应电压。
2.根据权利要求1所述的一种直流线路地线融冰感应电压计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1,选取直流线路回路数;
S2,选取计算杆塔模型;
S3,设置导线布置方式;
S4,构建计算模型;
S5,设置边界及收敛条件;
S6,求取参数。
3.根据权利要求2所述的一种直流线路地线融冰感应电压计算方法,其特征在于,步骤S4中,在构建计算模型时,采用以下假设条件来简化电场与空间电荷的相互影响:
1)导线起晕后,导线表面场强保持起晕场强不变,等效电晕层表面场强等于起晕场强;
2)电晕以及空间中各点电荷浓度已达稳态,不考虑暂态过程;
3)正负导线表面各点的空间电荷密度沿导线外边界恒定;
4)忽略杆塔影响及电晕分布的不均匀性,将实际的三维问题简化为二维问题;
5)忽略电晕层外电荷影响,仅考虑等效电晕层内电荷。
4.根据权利要求3所述的一种直流线路地线融冰感应电压计算方法,其特征在于,步骤S4中,在构建计算模型时,采用以下假设条件来简化电场与空间电荷的相互影响后,通过加入修正系数的方法对电晕层半径进行线性修正。
5.根据权利要求2所述的一种直流线路地线融冰感应电压计算方法,其特征在于,步骤S5中,边界条件指导线表面、地面、设定的电晕层边界上所需满足的条件,边界条件如下:
其中,、/>、/>分别为导线表面、地面、设定的电晕层边界处的电势,/>为导线运行电压,/>为标称场电位。
6.根据权利要求2所述的一种直流线路地线融冰感应电压计算方法,其特征在于,步骤S5中,收敛条件如下:
其中,为导体表面最大场强,/>为起晕场强,/>为容差。
7.根据权利要求2至6任一项所述的一种直流线路地线融冰感应电压计算方法,其特征在于,步骤S6中,计算导线电晕场强、感应电压。
8.根据权利要求7所述的一种直流线路地线融冰感应电压计算方法,其特征在于,步骤S5中,计算导线电晕起始场强时,计算光滑圆导线表面起晕场强的公式如下:
其中,为正极光滑圆导线表面起晕场强,/>为负极光滑圆导线表面起晕场强,为导线半径。
9.根据权利要求8所述的一种直流线路地线融冰感应电压计算方法,其特征在于,步骤S5中,计算导线电晕起始场强时,导线表面状态对起晕场强的影响由粗糙系数进行修正,修正公式如下:
其中,为正极导线实际表面起晕场强,/>为负极导线实际表面起晕场强,/>为粗糙系数。
10.根据权利要求9所述的一种直流线路地线融冰感应电压计算方法,其特征在于,步骤S5中,计算导线电晕起始场强时,的范围为[0.3,0.45]。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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