基于APDL的特高压直流输电线路标称场强数值计算分析

徐东捷，马爱清，张周胜，赵 璐，李 峰

(上海电力学院 电气工程学院，上海 200090)

目前，我国采用西电东送的政策来解决电力负荷需求与能源分布不平衡的问题.相比高压交流输电，特高压直流输电在长距离、大容量的电力传输方面具有一定的优势，因此在我国部分输电工程中已经逐步开始采用，且应用前景广阔.[1]由于标称电场是分析特高压直流线路对环境影响的重要指标之一，因此随着±800 kV特高压直流输电工程的建设，输电线路附近所产生的标称场强成为研究热点之一.[2]目前有很多种用于计算特高压直流输电线路附近电场分布的方法，其中最常用的是有限元法.

由于在仿真特高压直流输电线路中需要建立计算模型，模型的参数包括对地高度H，分裂导线数目N，极间距 D，导线分裂半径 R等，因此有限元软件ANSYS的GUI在实际计算过程中对每一次相应参数的改变，都需要重新建立输电线路模型，并且需要进行大量的重复性工作，这大大增加了工作量.为了简化仿真过程，提高仿真效率，本文基于ANSYS软件中的二次开发语言(ANSYS Parametric Design Language，APDL)对不同导线高度、不同极间距、不同分裂导线数和不同导线分裂半径等运行方式进行仿真计算.

1 APDL及基于APDL的仿真

1.1 APDL

APDL是ANSYS的二次开发语言，可以适用于模型的建立和一些通用性强的任务，而且能够实现自适应网格划分和优化设计等ANSYS的经典特性，这也为日常分析提供了便利.[3]运用APDL能更简单快捷地对不同参数进行修改，从而更准确地读出标称场强的变化规律.运用APDL程序能够简化仿真步骤，降低对使用者的要求，也可以提高结果数据的准确性.

用APDL对工程仿真进行处理的环节包括前处理、求解和后处理.[4-5]前处理环节主要包括数据的筛选、模型的建立、网格的划分，以及对材料单元和材料属性的定义等，这一步骤为仿真计算提供了模型建立的依据，并为下面的求解和后处理打下了基础.[6]求解环节主要是对输电线路模型适用约束条件后，再用solution命令求解.后处理环节可以用来分析某一平面上的场强分布.

1.2 基于APDL的仿真

使用APDL对特高压输电线路进行仿真.首先，在ANSYS的GUI下对一种初始值情况下的输电线路地面标称场强的分布进行仿真，对File.log文件中所记录的命令流进行筛选和整理，然后将其中代码以TXT文件进行保存.

然后通过READ INPUT FROM来读取文件，通过修改参数来进行仿真计算:

(1)在文件中修改输电线路导线分裂数N，初值设置为4，步长设置为2，最大限值设置为8;

(2)在程序中修改输电线路对地高度 H，初值设为17 m，步长设置为2 m，最大限值设置为25 m;

(3)在文件中修改输电线路两极间的极间距D，初值设置为18 m，步长设置为2 m，最大限值设置为26 m;

(4)在文件中修改输电线路导线的分裂半径R，初值设置为 0.4 m，步长设置为 0.05 m，最大限值设置为0.55 m.

具体流程如图1所示.

图1 APDL仿真流程示意

2 实例分析

以向家坝—上海±800 kV特高压直流输电工程为例，其输电线路选用6×720 mm2导线.导线对地高度H=21 m，导线分裂半径R0=0.45 m，极间距 D=22 m，子导线半径r=17.2 mm.[7]

首先，建立向家坝—上海±800 kV特高压直流输电工程模型.通过仿真计算，在原始参数条件下，地面标称场强E在距两极导线中心距离S处的分布情况如图2所示.然后，从LIST工具栏下LOG FILE读出语句，其中代码以TXT文件形式读出.最后，对语句中的参数进行修改，保存在新建的TXT文件下，通过READ INPUT FROM即能通过改变参数得出不同的仿真结果.

由图2可知，在两极导线的中心处标称场强的值为零，这是因为两极导线的线电荷大小相等但符号相反，在相互作用下相互抵消.地面标称场强先随着距离的增大而增大，在距离输电线路中心点大约18 m处达到最大值11.045 kV/m，然后随着距离的增大慢慢变小，最后趋于零.

图2 地面标称场强分布

2.1 不同分裂导线数下标称场强最大值的变化

保存的文件中其他参数不变，分裂导线数目N取4时进行仿真计算.然后改变 N，N=N+2，通过READ INPUT FROM来读取文件再进行仿真.仿真结果如表1所示.

表1 不同分裂导线下标称场强峰值

在建模和网格划分上，通过观察可以发现，建立在不同参数下6分裂导线模型的网格数比4分裂模型的网格数要密.由表1可以看出，相比于6分裂的导线，4分裂的导线，周围场强较大，而这也是直流输电线路中采用6分裂而不用3分裂和4分裂的原因.采用较多的分裂数可以抑制峰值场强的大小.因此，采用6分裂的输电线路可以减少地面标称场强.由于采用8分裂导线成本过高，而且会使工程建设周期加长.在考虑到经济性的条件下，工程中一般采用6分裂导线来减少标称场强和线下人员所受电场强度，以提高运行的安全性，减少对环境的影响.

2.2 不同对地高度下标称场强最大值的变化

保存的文件中其他参数不变，将导线对地高度H取为17 m进行仿真计算.[8]然后改变 H，H=H+2，通过READ INPUT FROM来读取文件再进行仿真.最后直至H取到25 m时结束仿真.在相同22 m极间距，6分裂导线数下标称场强最大值Emax的变化情况和仿真结果如图3所示.

图3 不同对地高度下标称场强最大值的变化曲线

由图3可知，在分裂导线数相同且极间距相同的情况下，对地高度为17 m，19 m，21 m，25 m处标称场强最大值分别为15.573 kV/m，12.023 kV/m，8.34 kV/m，6.975 kV/m.由此可以看出，随着高度的上升，标称场强最大值分别减小了3.550 kV/m，3.683 kV/m，1.365 kV/m，由此表明标称场强的最大值是随着对地高度的增大而减小的.这是因为地面高度的增加会使导体与大地这两极之间的距离也随之增大，这样导线与大地间所形成的电容即对地电容就会变小，从而使得标称场强也随之变小.

2.3 不同极间距下标称场强最大值的变化

保存的文件中其他参数不变，将导线的极间距D取为18 m，进行仿真计算.[9]然后改变 D，D=D+2，通过READ INPUT FROM 来读取文件再进行仿真.最后直至D取到26 m时结束仿真.6分裂导线数下标称场强的变化情况和仿真结果如图4所示.

图4 不同极间距下标称场强最大值的变化曲线

由图 4可知，极间距为 18 m，22 m，24 m，26 m时标称场强最大值分别为 8.167 kV/m，8.341 kV/m，9.157 kV/m，9.656 kV/m.随着极间距的增加，最大值分别增加了 0.174 kV/m，0.816 kV/m，0.499 kV/m.由此可以看出，标称场强的最大值是随着极间距的增大而增大的.这是因为导线下方的标称场强是由两极导线的叠加作用产生的，由于输电导线极性相反时会产生场强相互抵消的效应，但极间距的增加会使这种效应减弱，从而导致标称场强的增加.

2.4 不同导线分裂半径对标称场强的影响

保存的文件中其他参数不变，将导线的分裂半径R取为0.4 m进行仿真计算.然后改变R，R=R+0.05，通过 READ INPUT FROM 来读取文件再进行仿真.最后直至R取到0.55 m时结束仿真.仿真结果如图5所示.

从图 5可以看出，分裂半径为 0.4 m，0.45 m，0.5 m，0.55 m 时标称场强最大值为 8.93 kV/m，9.233 kV/m，9.49 kV/m，9.642 kV/m，分别减少了 0.303 kV/m，0.257 kV/m，0.152 kV/m.由此表明，标称场强的最大值是随着导线分裂半径的增大而增大的.这是因为分裂间距的增大会导致等效半径增大，而导线的等效截面面积的增大会使导线的对地电容也随之增加，从而使得导线下方所产生的地面标称电场增大.

2.5 避雷线对标称场强的影响

在向家坝—上海的输电线路上加装避雷线，分析其对标称场强的变化影响.仿真过程中其他参数设置与原先数据不变，在输电线路上方架设25 m高的避雷线，取避雷线半径为0.008 75 m，避雷线上施加电位为0 kV.[10]

采用ANSYS进行仿真计算，取22 m高度的曲线进行比对.对是否加装避雷线时标称场强的数值进行比较，结果如表2所示.由表2可知，未加装避雷线的最大值为9.994 kV/m，而加装避雷线的峰值是由避雷线和两极输电导线共同作用产生的，其仿真数值为10.264 kV/m，两者的差值为0.27 kV/m.由此可以看出，加装避雷线后，能增加输电线路下方的标称场强，但增加的幅度不大.

3 结论

(1)标称场强的最大值会随着对地高度的增加而减少，而且从计算结果可以看出，导线的对地高度是对标称场强最大值影响最大的因素;

(2)标称场强的最大值会随着两极导线之间极间距的增大而增大，随着输电线路分裂半径的增大而增大;

(3)避雷线的使用会增大地面的标称场强最大值，但影响幅度很小.

[1]刘振亚.特高压电网(工程)的前期论证[M].北京:中国电力出版社，2008:10-22.

[2]吴桂芳，陆家榆，邵方殷.特高压等级输电的电磁环境研究[J].中国电力，2005，36(5):24-27.

[3]张乐乐，谭南林，焦风川.ANSYS辅助分析应用基础教程[M].北京:清华大学出版社，2006:4-24.

[4]刘国庆，杨庆东.ANSYS工程应用教程[M].北京:中国铁道出版社，2003:35-40.

[5]博弈创作室.APDL参数化有限元分析技术及其应用实例[M].北京:中国水利水电出版社，2004:28-32.

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[7]柴贤东.特高压直流输电线下电场和电晕损耗分析[D].重庆:重庆大学，2012.

[8]王勤.西北750 kV输电线路工频电场模拟试验研究[J].高电压技术，2005，31(5):34-36.

[9]杨勇.极导线垂直排列直流线路地面合成电场的一种计算方法[J].中国电机工程学报，2007，21(27):13-18.

[10]刘华娟.±800 kV特高压直流输电线路周围电场强度的研究[D].南宁:广西大学，2012.