交流线路邻近民房合成电场快速计算方法研究

交流线路邻近民房合成电场快速计算方法研究

行晋源，吴昊，佟继春

(四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610041)

摘要：目前国内外学者对于交流输电线路电场效应的预测已做了大量的研究工作，提出了多种的计算方法，然而传统方法在计算过程中采用的各种简化假设影响的不可忽略；考虑临近房屋影响后，模型几何形状变得更加复杂，计算规模成倍增长，对稳定性的也提出了更高的要求。针对这些问题，本课题研究了高压交流线路邻近民房时，二维/三维合成电场和离子流场的计算模型以及相应的计算方法。本文通过二维-三维联合仿真的方式，将定义在完整三维计算区域上的静电场的求解简化为定义在三维近场区域内泊松方程的求解。这种三维简化计算方法有效的缩小了计算规模，实现三维静电场问题的快速求解。

关键词：二维-三维联合仿真方法；泊松方程；等效电荷法

0  引言

特高压交流输电线路在远距离、大容量电能传输方面具有重要的作用和明显的优势。随着特高压输电线路大量建设，其对自然环境的影响逐渐显现：可听噪声、电晕放电以及工频电磁场对生物的影响成为相关部门关注的焦点。当特高压线路临近民房时，民房某些部位工频电场畸变引起的纠纷也日益增多，尤其当高压交流输电线路临近居民区时其楼顶和阳台棱角位置的场强畸变最为严重，这也是引发纠纷的主要因素。因此深入研究特高压交流输电线路临近民房时的畸变电场，给出居民区导线的最低对地高度对国内外特高压交流输电线路工程优化设计以及扩大建设具有指导意义，本课题将围绕交流输电线路临近民房的畸变电场提出准确高效的简化计算方法并设计相应的仿真软件。

1  三维交流输电线路-房屋模型简化计算方法

从理论研究的角度，本文提出的反演方法在应用时并不受限于模型的维度，但在实际数值仿真时，三维直流输电线路-房屋模型的计算复杂度远大于二维模型，以一个典型的1100kV六分裂线路为例：在同时考虑直流输电线路以及邻近房屋的完整三维模型中，计算区域的尺寸在120m×60m×50m左右，而分裂导线的半径为18mm左右，两者相差近4个数量级。这种巨大的尺度差异使得完整的三维模型具有一个重要的数值特征——多重尺度。在数值仿真中，一个三维多尺度模型的网格剖分极为困难，即使剖分成功也面临着计算规模过于庞大的问题。因此在实际仿真中需要对完整的三维模型进行简化，缩小问题规模。注意到在远离导线区域，房屋对电位的影响随着距离增大迅速衰减，因此在远离房屋区域，房屋对电位的影响可忽略不计。基于这一简化假设可以将整个计算区域分解为两部分，如图1所示：靠近房屋的近场；远离房屋的远场。由假设可知，远场中的空间电位分布可以由忽略房屋后二维模型计算得到。完整的三维模型被简化为定义在近场内的三维泊松方程，计算复杂度大大降低。

图1  三维直流输电线路-房屋模型示意图

图2  近场区域示意图

图3  三维简化方法完整流程图

本文中采用的近场区域均为长方体形状，如图2所示，对于一个尺寸为L×W×H的房屋模型，三维计算区域在房屋的基础上项四周扩充而成：长，宽，高方向分别向外延伸dL,dW,dH,其中d为修正参数，由经验确定。对于三维简化模型，完整的计算流程如图3所示。

2  结论

特高压交流线路输电具有输电容量大，输电走廊小以及线损低等优点，但与超高压交流线路相比，电磁环境更为复杂，尤其是在临近民房或跨越建筑物时，在房屋阳台、楼顶尖角处的畸变电场超值非常严重，成为制约特高压交流输变电工程设计和建设的重要因素。

目前国内外学者对于特高压交流输电线路邻近民房的畸变电场提出了诸多解决方案，无论是基于积分方程方法的模拟电荷法还是基于微分方程方法的有限元方法都存在诸多问题，无法兼顾计算精度和计算效率。针对这些问题，本文提出了一种三维简化计算方法——通过二维-三维联合仿真的方式，将定义在完整三维计算区域上的泊松方程-连续性方程耦合系统的求解简化为定义在三维近场区域内泊松方程的求解，实现了交流线路电磁环境的快速计算。

参考文献

[1] 刘震寰,邬雄,张广洲, 等.特高压同塔双回交流输电线邻近民房处电场计算[J].高电压技术，2009, 35(8):1849-1855．

[2] 黄道春,阮江军,文武,等.特高压交流输电线路电磁环境研究[J].电网技术,2007, 31(1):6-11.