±800kV特高压直流输电线路导线的电晕仿真分析

电晕作为特高压直流输电建设中的关键技术问题之一，在输电过程中将产生损耗和线路振动，甚至产生可听噪音。本文参照特高压输电线路杆塔和线路导线的具体参数，通过ANSYS软件建立有限元法仿真模型，对±800kV输电线路中电晕进行了详细的分析和讨论。

关键词：特高压;电晕;有限元法;ANSYS仿真

仿真模型的建立

本文中采用ANSYS仿真软件，通过有限元法建立仿真模型。仿真直流输电线路模型以向家坝—上海直流输电工程为基础，根据直流输电杆塔的外形参数建立，极导线间距为22m，极导线对地最低距离为23m(导线对地最小高度加1/3弧垂)，避雷线到导线的水平距离为2米，垂直距离为15m，二极导线均采用V型绝缘子串悬挂方式。杆塔模型如图1所示。

图1 杆塔模型

仿真时，极导线采用5分裂导线，分裂间距为1125px，6分裂导线，分裂间距为1125px，8分裂导线，分裂间距为1000px。其中5分裂导线分为正排列和负排列，具体排列方式如图2所示。

图2 分裂导线排列方式

导线表面电场计算方法

在空气介质中，超过了电晕起始电场强度时，就可能发生电晕现象。架空线路电晕起始电场强度ES可由皮克公式计算得出：

(1)式中ES为表面起晕场强，δ为空气相对密度;m为绞线表面粗糙系数，光滑导线时，

，绞线一般取;r为导线半径，单位cm。在标准大气压下δ=1，m=0.5，r=0.9厘米时，ES=19.7kV/cm。

在进行场强计算时，忽略空间离子的影响，计算直流输电线路表面场强的方法与计算交流输电线路的一致。分裂导线的电场强度与线路电压、极间距离、线路对地距离、分裂导线的条数，导线相连金具的夹角，以及分裂导线的物理结构决定，可采用EPRI经验公式来计算。导线表面最大场强：

(2)双极直流导线表明梯度因子：

(3)式中G为梯度因子，单位kV/cm;n为导线分裂数;r为导线半径，单位cm;R为子导线所在的半圆半径，单位cm;H为导线的平均高度，单位cm;S为极导线间距，单位cm。

计算具体参数如下：计算电压为±800kV和±825kV，容量为3MW，计算时极导线电流为3.75kA。在忽略线路周围的离子影响情况下，根据以上计算方法和参数，对5分裂导线、6分裂导线和8分裂导线进行计算，计算结果如表1所示。

表1 分裂导线最大场强计算结果

从以上理论计算的结果可以看出，±800kV输电线路中5分裂导线的场强最大，且理论最大场强只为起晕场强的58.6%，但是实际上的导线表面状况如损伤、雨滴、附着物等，都会使金具和导线周围的电场发生畸变，使得电晕放电易于发生。

仿真分析

利用ANSYS仿真软件建立杆塔电场仿真模型和分裂导线局部有限元法仿真模型，通过以上数据对杆塔模型进行仿真计算，对杆塔周围和分裂导线局部的电场分布进行分析。

杆塔成对称外形，直流输电过程中杆塔周围的电场为恒定电场，电场分布相对稳定，由电场分布的对称性可知，杆塔的左右两边的电场分布一样。根据杆塔外形参数，建立了杆塔的半剖面图，杆塔的电场分布如图3所示。 

图3 杆塔周围的电场半剖面图

可以看出，靠近杆塔和绝缘子串金具周围的电场分布出现畸变，电场场强最大的地方出现在绝缘子串与导线周围，周围电场随着离导线距离的增加，电场强度快速衰减。

采用5分裂导线时，每条导线平均流过的电流为750A，由于5分裂导线有正负两种排列方式，现分别对正负两种排列进行仿真。5分裂导线局部电场仿真结果如图4所示。

图4 5分裂导线局部电场仿真图

图中左侧为电场仿真图，右侧为等电势仿真图。由图4中两种不同排列方式的仿真结果得知，正排列时绝缘子金具周围的畸变更严重，电场场强更大，更容易引起输电线路发生电晕，因此建议导线为5分裂导线时，应尽量采用反排列。6分裂导线和8分裂导线同为均匀分布，但每条导线平均通过的电流为，分裂间距不同，6分裂导线每条导线的平均电流为625A，8分裂导线每条导线的平均电流约为470A。6分裂导线和8分裂导线局部电场仿真结果如图5所示。