特高压输电线路垂直排列八分裂铝包覆碳纤维芯导线电场特性研究

刘洪正，Ailin JIA

（1.国网山东省电力公司山东电力科学研究院，山东 济南 250003；2.天津市新玻特种线缆制造有限公司，天津 300350）

0 引言

随着国家经济水平的日益提高，社会的用电需求不断增加。提升输电容量主要有增加输电电压和增大输电电流两种方法［1-3］。近年来，在输变电工程中碳纤维导线因导电率高、比重小以及抗拉强度大等优点逐渐被广泛应用［4-5］。

黄礼平等人［6］对碳纤维导线的机械性能开展了相关试验工作，并对导线的运行特性进行了分析，证明了碳纤维导线耐高温和通容大电流等优点。近年来，为解决传统碳纤维导线抗剪切力性能差等问题［7］，董罡［8］介绍了铝包覆新型碳纤维导线，该导线采用无缝铝包覆结构包裹碳纤维复合芯棒，外层使用梯形铝绞线，以达到提高导线径向耐压性能以及输送能力的目标。此外，导线分裂数以及三相导线的排列方式对电学特性的影响也是输电线路建设中的重要课题。杨熙等人［9］针对钢芯铝绞线表面的电场强度进行了计算分析，讨论了跳线表面场强的影响因素。兰生等人［10］探究了传统导线不同分裂数和不同对地高度等条件下导线的起晕场强，得到了采用分裂导线可以有效抑制电晕放电的结论。郑海涛等人［11］通过有限元方法研究了750 kV 条件下不同导线布置形式的电场分布情况，分析了导线分裂数目以及间距对导线周围电场强度的影响，提供了较为有效的数值模拟计算方法。然而，关于1 000 kV 特高压输电领域中八分裂铝包覆碳纤维复合芯导线的研究相对较少，同时，对新型碳纤维导线在三相布置方式下的电场特性研究尚不完善。

基于铝包覆碳纤维导线的结构与尺寸，依据某垂直排列方式的铁塔结构尺寸数据，建立三相八分裂导线电场计算模型，对其电场特征进行数值模拟研究。同时，为了对比探究新型导线的电学特征，建立相似截面积钢芯铝绞线的计算模型。针对两类导线，采用有限元分析方法开展数值模拟，对比分析同种排列方式下两类三相八分裂导线的电学特性，进而为新型铝包覆碳纤维导线在特高压输电线路中的应用提供一定的依据和参考。

1 数值模拟计算

1.1 数值计算方法

以有限元方法（Finite Element Method，FEM）作为数值模拟的基础。FEM 是基于近代计算机技术发展起来的一种近似数值方法，可以用来求解带有特定边界条件的偏微分方程。而相关的电磁场问题可以视作由Maxwell 方程组推导得到的由偏微分方程和边界条件所描述的边值问题。FEM 的基本求解思想是将计算域划分为有限多个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适节点作为求解函数的插值点，借助变分原理或加权余量法，将微分方程离散并进行求解计算［12-13］。

1.2 模型建立与相关设置

基于JLRX1／F2A-800／70 新型铝包覆碳纤维复合芯导线以及JL／G1A-800／65 钢芯铝绞线，依据八分裂导线的布置方法，并假设导线为无限长导线，建立两种导线八分裂的二维物理模型，导线的具体参数如表1 和表2 所示，单相八分裂导线模型如图1和图2 所示。

表1 新型碳纤维复合芯导线的结构参数

表2 钢芯铝绞线的结构参数

图1 JLRX1／F2A-800／70 导线模型

图2 JL／G1A-800／65 导线模型

为模拟周围环境，建立半径为115 m 的半圆计算域，并依据如图3 所示的垂直排列方式铁塔的结构尺寸，建立地线以及两类三相八分裂导线的计算模型，所采用的电场计算模型如图4 所示，地线的物理参数如表3 所示。同时，模型各部分的材料参数如表4 所示，其中铝包覆结构及铝绞线等采用铝合金材料，电导率为3.8×107S／m，钢芯材料设定为钢材，电导率为0.2×107S／m，整体计算域中采用空气作为介质。

图3 特高压输电线路铁塔的结构

表3 地线的结构参数

图4 计算模型

所研究特高压线电压为1 000 kV，相电压有效值约为816.496 kV。在计算过程中，为了考虑正常运行时最严重的工况，即中间相电压与边相电压相差最大时的情况，将三相电压自上而下分别设置为-408.248 kV、816.496 kV、-408.248 kV。同时，将地线电压设置为0，半圆计算域下边界和圆弧边界的电势均设置为0。使用相关电磁学计算方法开展数值模拟，并对比分析不同计算模型的结果。

表4 模型的材料参数

2 结果分析

选取两种导线计算域内电场强度的云图结果，观察分布特点，并根据电力行业标准中关于1 000 kV架空输电线路电磁环境的控制值［14］，将分布云图的标尺上限选取为10 kV／m，结果如图5 和图6 所示。

图5 八分裂JLRX1／F2A-800／70 电场强度分布

图6 八分裂JL／G1A-800／65 电场强度分布

由图5 和图6 可知，两种型号导线环境中的电场强度均是自三相导线逐渐向四周扩散，数值逐渐降低，除地线附近的其他区域呈现出近似左右对称的分布状态。而在导线正下方接近地面以及远离导线的空间位置上，电场强度低于电磁环境控制值的标准，体现了新型碳纤维导线具有良好的性能，并且与传统导线的电学特性区别较小，可以作为传统导线的有效替代品。

为了更好地观察电场强度的变化，根据电力行业对于1 000 kV 架空输电线路电磁环境的标准，统计距离地面1.5 m 高度沿水平方向上不同位置的数值计算结果，并绘制两类导线的电场强度分布曲线，结果如图7 所示。

图7 距地面1.5 m 处沿水平方向电场强度分布

图7 中横坐标为距离计算模型左边界的水平方向长度，纵坐标为电场强度。由曲线图可知，在该工况下，两类导线的电场强度结果基本一致，沿水平方向的电场强度呈现中心对称的变化规律，且均在三相导线正下方达到最大值，其中区域A 局部放大后如图7（b）所示，可知新型碳纤维导线环境中的电场强度约为2.627 kV／m，而钢芯铝绞线的结果约为2.656 kV／m。综合考虑以上现象及数据，说明新型碳纤维导线在该种排列方式以及工况下不仅能够满足行业标准的要求，而且其电学性能优于传统导线，具有可靠性与适用性。

3 结语

基于某新型碳纤维导线与钢芯铝绞线，依据特高压铁塔结构图的排布方式，建立了两类八分裂三相导线的电场计算模型，通过有限元方法开展了数值模拟研究，对比探究了在1 000 kV 特高压输电条件下两种八分裂导线的电场强度特性。

在一定特高压条件下，铝包覆新型碳纤维复合芯导线的电学性能满足电力行业相关的标准要求，说明新型碳纤维复合芯导线可以应用于特高压电网。

在一定范围内，铝包覆新型碳纤维复合芯导线周围环境的电场强度小于钢芯铝绞线的结果，说明在垂直排列方式下，特高压电网中新型碳纤维复合芯导线具有较好的电学性能，体现出该新型导线的适用性。