500 kV 输电线路四分裂导线间隔棒能耗分布研究

潜力群，吴芳芳，杜昭启，谢声益，叶 成，林 雪，李世民，张潮海

（1.浙江华电器材检测研究院有限公司，杭州 311100；2.南京航空航天大学，南京 211106）

0 引言

国家电网于2021 年3 月1 日发布了“碳达峰，碳中和”行动方案：“十四五”期间，国家电网新增跨区输电通道以输送清洁能源为主，规划建成7回特高压直流线路，新增输电能力56 000 MW。电力金具作为特高压输电线路的重要组成部分，存在一定的输电能量损耗[1]。

高压架空输电线路跨距远、容量大，为提高线路输电能力，每相导线采用了2 根、4 根及以上的分裂导线。电力系统中，220 kV 及330 kV的输电线路采用二分裂导线，500 kV 输电线路常采用四分裂导线，高于500 kV 的超高压输电线路和特高压输电线路采用六分裂或八分裂导线[2]。架空线路在高空易受大风干扰，电磁环境复杂，间隔棒常用于保证分裂导线间距不变以满足电气性能，在线路故障消除后使分裂导线恢复到正常状态，并且一定程度上能减小输电导线舞动[3-6]。在交流高压输电线路中，间隔棒处于工频交变电流产生的工频交变电磁场中，会产生电磁损耗[7]。

分析间隔棒在工况下的能耗，对于衡量间隔棒是否为节能金具及评估其在电力系统中一定时间内的总能耗十分关键。目前已有很多学者针对间隔棒能耗的组成部分、不同数值电流下间隔棒的能耗变化规律[8]、间隔棒能耗测试试验[9]、不同材质间隔棒能耗的对比[10]、间隔棒异常发热[11]等开展了研究，对于间隔棒能耗产生的机理、引起间隔棒能耗变化的物理量、材质对于间隔棒能耗的影响及衡量间隔棒是否为节能金具进行了详细的介绍。然而，针对交流输电线路上间隔棒能耗的具体分布趋势以及影响感应电流和能耗分布的原因未有进一步的研究。

本文在阐述间隔棒能耗机理的基础上，对间隔棒及适配导线进行Solidworks 三维物理模型建模，利用有限元分析软件ANSYS 对于涡流场环境下的间隔棒能耗进行仿真，介绍工作状态下间隔棒能耗分布及其原因。

1 间隔棒能耗机理

高压交流架空输电线路上的间隔棒处于工频交变电流产生的工频交变电磁场中，因磁滞效应产生磁滞损耗，因涡流效应产生感应电流且由于感应电流回路电阻的存在进而形成涡流损耗。磁滞损耗、涡流损耗、剩余损耗构成了间隔棒在涡流场环境中的总能耗，其中剩余损耗成因复杂、难以测量且占总能耗比例十分微小。高压架空输电线路常采用质量较轻的铝合金材质间隔棒，铝合金的相对磁导率为1，与空气一致，铝合金间隔棒在工频交变电磁场中无磁滞损耗。涡流损耗为铝合金间隔棒能耗的主要组成部分，因此涡流损耗的分布趋势可表征总能耗的分布趋势。

2 间隔棒能耗仿真设计

采用有限元法求解工频交变电磁场中铝合金间隔棒的涡流损耗。选取适用于500 kV 电压等级的四分裂导线间隔棒FJZ-400 及适配导线LGJ-400/50 进行仿真分析，实物如图1 所示。

图1 间隔棒FJZ-400 及适配导线

2.1 仿真模型的建立

500 kV 超高压架空输电线路为四分裂导线，采用铝合金间隔棒FJZ-400 来维持分裂导线线束间距稳定，而且架空输电线路易受到大风影响导致导线舞动，阻尼型间隔棒能通过在线夹内安装合成橡胶阻尼垫来减小导线的舞动。根据实际情况对间隔棒和适配的钢芯铝绞线LGJ-400/50 进行合理简化的三维物理模型建模，并采用有限元分析方法，在涡流场环境进行求解。间隔棒和适配导线的三维物理模型如图2 所示。间隔棒的框架连接4 个线夹，四分裂的钢芯铝绞线从线夹穿过。

图2 间隔棒FJZ-400 及适配导线物理模型及导线与线夹部分参数

2.2 求解参数设置

在完成三维物理模型建模后，在有限元软件ANSYS 中设置铝合金间隔棒FJZ-400 和适配钢芯铝绞线LGJ-400/50 材料：间隔棒线夹为铝合金材质，框架为镀锌钢；钢芯铝绞线外部材质为铝，内部材质为镀锌钢。各材料的基本参数见表1。因四分裂导线为同相导线，对4 根LGJ-400/50导线模型分别施加有效值为1 000 A、750 A 和500 A 的同相工频交变电流激励，边界条件设为自然边界条件。以三棱锥为基本网格剖分单元，采用基于集肤效应透入深度的表面网格剖分方法，计算涡流场透入深度和层数，实现导线和间隔棒的高精度剖分[12-13]，剖分效果如图3 所示。

表1 间隔棒和适配导线各材料主要参数

图3 间隔棒FJZ-400 及适配导线网格剖分效果

3 结果分析

3.1 电流密度分布

图4 反映了500 kV 输电线路四分裂导线间隔棒在通流为1 000 A、750 A 和500 A 工频电流有效值情况下电流密度J 的分布情况。从图4 可以看出：由于集肤效应，在适配导线的铝绞线部分电流密度较大；同时由于邻近效应，铝绞线的外环区域电流密度较大，且随着电流有效值增大而表现更明显。

图4 工频电流有效值1 000 A、750 A 和500 A 通流下间隔棒FJZ-400 导线与线夹部分电流密度分布

沿单根导线径向路径（图4（a）中虚线）的电流密度分布如图5 所示。电流密度的路径分布验证了集肤效应，以工频电流有效值1 000 A 通流情况为例：电流密度在适配导线的外绞线铝线部分从1.6×106A/m2升高至2.1×106A/m2，而在內绞线镀锌钢部分最大值仅为0.8×105A/m2。而在线夹部分，电流密度的最大值为8.5×105A/m2左右，且沿着径向路径向外下降至0.5×105A/m2。

图5 工频电流有效值1 000 A、750 A 和500 A 通流下间隔棒FJZ-400 导线与线夹部分径向电流密度分布

表2 统计了工频电流有效值1 000 A、750 A和500 A 通流下间隔棒FJZ-400 导线与线夹部分径向路径电流密度。可以看出电流密度在适配导线外绞线以106A/m2量级分布，在內绞线则降低一个数量级至105A/m2，符合集肤效应。线夹部分感应生成的涡流电流密度也降低一个数量级至105A/m2。涡流是输电线路间隔棒能耗的主要组成部分，减小线夹部分涡流损耗是降低输电线路间隔棒能耗的关键。

表2 工频电流有效值1 000 A、750 A 和500 A 通流下间隔棒FJZ-400 导线与线夹部分径向路径电流密度统计

3.2 磁场强度和磁感应强度分布

涡流的产生是由于变化的磁场感应，因此了解适配导线周围的磁场强度和磁感应强度分布，对于线夹部分电流密度的研究具有重要意义。

工频电流有效值1 000 A、750 A 和500 A 通流下导线与线夹部分磁场强度H 的分布如图6所示。从图6 可以看出：磁场强度的分布与适配导线外绞线铝线中的电流密度分布相对应；随着通流工频电流有效值的降低，对应磁场强度呈现正相关下降。

图6 工频电流有效值1 000 A、750 A 和500 A 通流下间隔棒FJZ-400 导线与线夹部分磁场强度分布

该间隔棒为铝合金材质，相对磁导率等于空气的磁导率，由磁感应强度B 与磁场强度H 的物理关系式B=μ0μrH（μ0为真空磁导率，μr为相对磁导率）可知，铝合金间隔棒磁感应强度分布趋势与磁场强度一致。

4 分析与讨论

由于500 kV 高电压等级交流输电能力要求，需要采用四分裂导线提高传输电流有效值。随着传输工频交流电流幅值的升高，交变电流会在线夹部分产生交变磁场，进而产生交变感应电场。感应电场在线夹中以涡流的形式存在，并导致能耗的产生。可以通过降低线夹中磁感应强度和改变线夹内侧结构这两种方式来减小能耗。

1）降低线夹中磁感应强度。传导电流附近的磁场强度与线夹材料无关，但是其磁感应强度与线夹材料的磁导率相关。因此，可以在适配导线附近线夹采用低磁导率材料，降低磁感应强度，进而降低涡流电流密度，达到降低电力金具间隔棒能耗的目的。

双层不同磁导率线夹的结构如图7 所示，其中线夹内侧磁导率μ1小于外侧磁导率μ2。由图6可知，线夹部分的磁场强度密集分布在内侧。因此，降低线夹内侧磁导率μ1，可以降低对应的磁感应强度，从而减小感应电场强度，达到降低间隔棒能耗的效果。

图7 双层不同磁导率线夹结构

2）改变线夹内侧结构。在线夹材料确定的情况下，通过改善线夹内侧结构，增长涡流电流流通路径，减小涡流流通横截面积，可提高回路电阻。在感应电动势不变的前提下，涡流回路电阻的增大会导致涡流功率的降低，减小间隔棒能耗。

增长涡流电流流通路径的示意如图8 所示，通过在靠近导线的线夹内侧切削形成径向空腔的结构，将一定程度延长涡流电流流通路径，增大回路电阻。减小涡流流通横截面积的示意如图9所示，通过在靠近导线的线夹内侧形成轴向空腔，减小涡流电流的流通面积，增大回路电阻。

图8 增长涡流电流流通路径

图9 减小涡流流通横截面积

5 结语

本文通过物理建模与有限元分析相结合，在麦克斯韦方程组的理论基础上研究了工频电流有效值1 000 A、750 A 和500 A 通流情况下的500 kV 输电线路四分裂导线间隔棒的涡流分布规律，得出以下结论：

1）由于集肤效应和邻近效应，传导电流主要分布在适配导线外绞线的外侧区域，电流密度可以达到106A/m2量级。

2）间隔棒线夹涡流电流密度在104～105A/m2范围，随着通流工频电流有效值的升高而增大，且随着与外绞线距离增大急剧减小。

本文针对间隔棒线夹涡流的分布规律，提出了两种降低间隔棒能耗的方法——降低线夹材料磁导率以降低磁感应强度和改善线夹内侧结构以增大涡流流通回路电阻。