1、本科毕业论文（20 届）基于 MATLAB 的 500kV 高压架空线电晕分析所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 哈尔滨理工大学学士学位论文- I -基于 MATLAB 的 500kV 高压架空线电晕分析摘要近年来我国的经济发展十分迅速，国内各个领域对电能的需求日益增大。为了增大中长距离输电线路的输电容量和减少输电线路的电能损耗，我国电力企业正致力于超高压、特高压输电线路的修建。线路电压升高线路电压，会导致输电线表面产生电晕。无论是直流输电线路或是交流输电线路，当输电线表面的电场强度高于空气的击穿场强时，输电线表面将会出现电晕放电，并伴随电
2、晕产生电晕损耗。为了削弱电晕现象，超高压输电线路导线多采用分裂形式，以分裂导线代替单根导线，达到既增大导线截面积又保证导线的体积、机械性能和造价控制在合理范围内。国内外研究高压交流输电线路的电晕损失的方法有若干种，其中关于输电线路的电晕问题用得最多的数值计算方法是有限元法。本文以有限元法为基础计算分析高压交流输电线路的电晕损失。有限元法分析简单，运算快捷，同时计算结果准确，能满足工程实践的精度要求。此篇论文在研究输电线路的电晕放电形成原理的基础上，通过计算得出所选 1000MW 输电线路导线的合理分裂形式，运用 MATLAB 中的偏微分方程(PDE)工具箱数值分析了容量为 1000MW 的 5
3、00kV 交流高压架空输电导线表面的电场、电位分布以及雨天对高压架空输电导线表面电场的影响，同时模拟了有水滴时超高压 500kV 分裂输电导线周围的电场、电位分布。关键词：架空输电线路；电晕放电；电晕损耗哈尔滨理工大学学士学位论文- II -Analysis based on MATLAB of 500kV high-voltage overhead line corona AbstractIn recent years, our countrys economy is developing very rapidly, and the domestic each field the deman
4、d for power is increasing. In order to increase transmission lines in the long distance transmission capacity and reduce the transmission line electric power, our country electric power enterprise is dedicated to high pressure, the construction of uhv transmission lines. Line voltage rise line volta
5、ge, will lead to transmission line produced surface corona. Whether dc transmission lines or ac power lines, when the surface of the transmission line electric field intensity of more than the air breakdown, transmission line will be surface corona discharge, and with corona produces corona loss. In
6、 order to weaken the corona phenomenon, ultra-high voltage power line wires used more divided form, to split the wire instead of single wire, wire to increase both cross-sectional area of wires and ensure the volume, the mechanical properties and cost control in the reasonable scope.The domestic and
7、 foreign research: the high voltage ac transmission line of the loss of the corona main methods of measurement, experience formula method and numerical calculation method. Numerical calculation method mainly have images method, charge simulation method, and the finite element method, of which about
8、transmission line corona problem the most used numerical calculation method is finite element method. Based on the finite element method for calculation analysis of high voltage ac transmission lines corona loss. The finite element analysis method is simple, quick operation, and the calculated resul
9、ts are accurate, can meet the engineering practice accuracy.This paper studies the transmission lines in the corona discharge formed the 哈尔滨理工大学学士学位论文- III -basis of the principle of, the calculations the selected 1000MW transmission lines of wires reasonable division form, the partial differential
10、equations with MATLAB toolbox (PDE) numerical analysis the capacity of 1000MW of 500kV ac transmission wire surface of high-pressure aerial electric field, the potential distribution and rainy days of high pressure overhead transmission wire surface electric field effect, and the high pressure water
11、 simulation when 500kV power transmission wire around split of the electric field, potential distribution.Keywords：overhead transmission line;corona discharge; corona loss哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -目录摘要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 国内外电晕放电研究现状 .11.3 本论文的主要内容 .3第 2 章 输电线路电晕现象 .42.1 电晕产生的机理 .42.2 电晕
12、放电时的现象 .42.3 雨天水滴对导线表面电晕的影响 .52.4 研究对象 .62.4.1 采用分裂导线的理由 .62.4.2 分裂导线的选择 .72.5 本章小结 .12第 3 章 500kV 四分裂导线电晕分析 .133.1 输电线路的电场数值计算 .133.2 电场数值分析 .133.2.1 有限元法 .133.2.2 剖分和插值 .153.2.3 边界条件 .163.3 本章小结 .17第 4 章 四分裂导线表面电场仿真计算 .184.1 偏微分方程工具箱 .184.2 输电线路的电场分布仿真 .184.2.1 输电线路的电场计算 .184.2.2 PDE 工具箱求解输电导线电场、电
13、位分布 .194.2.3 水滴对输电导线表面电场的影响 .264.3 架空线路电晕损失的估算方法 .324.3.1 影响电晕损失的主要因素 .324.3.2 电晕损失估算 .334.4 本章小结 .34结论 .35致谢 .36哈尔滨理工大学学士学位论文- V -参考文献 .37附录 A.38附录 B.44哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 章 绪论1.1 课题背景随着全球经济的不断发展，民众的环境意识逐渐增强，人们开始关注输电系统对环境的影响。输电线路的电晕放电影响主要表现为无线电干扰、电视干扰、有感噪声及电晕损失。电晕放电产生高频电磁场引起的电波杂音，将对无线电设施的正常受信产生干扰
14、，影响电力线路周围居民无线电广播和电视的收听及收看。导线电晕放电会带来很多不利影响。电晕放电过程中的光、声、热等效应以及化学反应等都能引起能量损失。电晕放电由于起始阶段的放电特点，以及电压较高时流注的不断熄灭和重新爆发，会产生放电脉冲，形成高频电磁波，对高压导线附近的无线电设备和电网自身的高频通讯造成干扰。电晕还可以使空气发生化学反应，生成臭氧和氧化氮等产物，引起腐蚀作用。电晕产生的可听噪声还会影响线路附近的居民生活。与工频电场、磁场、无线电干扰无声、无形、无影不同，可听噪声是一种人们听觉直接感受到的现象，所以更容易形成投诉的焦点问题。现代电力系统己步入超高压，甚至特高压，大电网时代，在超高压
15、及以上级别电网中，电晕损失占功率损耗比重很大且对电压的变化很敏感，因此电晕损耗也是电网建设中必须考虑的重要因素。目前我国的电网结构，已经不能满足我国国民经济快速发展所需要的电力供应，基于高压输电线输送能力强、损耗小、稳定性好及我国能源资源和负荷分布的特点决定了我国势必要建设远距离大容量的超高压、特高压输电系统。但高电压导致强电场，当输电线路局部电场强度超过气体的电离强度时，气体会发生电离和激励，出现电晕放电。特别是在高海拔、覆冰严重的地区，由于空气密度降低，输电线路空气间隙的电晕电压随之降低。我国“西电东送”的南、北、中线路走廊都存在高海拔、污秽、覆冰综合作用的特殊环境地区，电晕事故时有发生，
16、问题日益凸现。 1为了保证电力系统的稳定运行，每当要进行新的线路建设时，首先由系统方面根据该线路的负荷，在系统中的地位，经过论证，提出该线路的最小导线截面，这个截面是按正常输送潮流，用经济电流密度计算而得，而在满足系统要求的前提下，决定线路导线型号的因素是很多的，其中电晕是首先必须验算的，特别是高海拔超高压远距离输电线路导线截面的选择、导线对地净空距离的确定等，已不是根据工作电流或绝缘要求了，而是由电晕特性及对地面场强的限制要求来决定起着决定性的作用。1.2 国内外电晕放电研究现状输电线路电晕放电所产生的影响主要是电磁环境问题。国内外对电晕哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -放电的研究主要针对
17、输电线路的电磁环境问题。关于超高压输电线路的电磁环境问题，美国学者早在 1972 年 500kV 输电线路开始应用的时候就提出来了。 1超高压输电线路引起电磁环境问题的主要来源是:输电线路导体上的高电压与大电流所产生的强电场和磁场，线路导体表面电晕放电引起的各种频率的杂波。国外对超高压输电线路的电磁环境问题已经做了大量的研究工作，并在电磁兼容和环境保护方面制定了一些相应的标准，以限制超高压输电线路产生的电磁场干扰，如日本在 1976 年修改的电气设备技术标准第 112 条第 3 项明确指出，考虑对人体的影响，规定在离地面高度为 1 米处的电场强度应为 3kV/m 以下。在美国电气安全规范(NE
18、SC)等文件中虽没有明确规定超高压输电线路下的电场强度允许值，但是通常取810kV/m。1982 年，国际大电网会议(CIGRE)第 36.01 工作组组织九个国家的专家编写了输电系统产生的电场和磁场现象描述、实用计算导则，该书总结了各国关于电力系统静电感应的计算、测试技术以及工频电场对生态是否存在影响的较为一致的看法，该导则具有重大意义。国外学者还采用数值模拟方法进一步研究输电线路周围电磁场。BY.LEE 等人提出了用有限长电荷模拟传输线产生的三维电场；Alberto Geri 等人基于离散近似的毕奥沙伐定理计算了输电线路周围的三维磁场；P.Sarma Maruvada等人基于 Monte
19、Carlo 法，提出传输线磁场对沿线居民住宅的影响等。针对电磁干扰及其对环境的电磁影响，国外己经研究开发出较为成熟的计算软件包，比如 NEC 电磁场数值计算软件包，主要采用 MOM 求解辐射场，可用于天线、传输线问题的仿真计算；CDEGS 是加拿大科研人员开发的一个大型的电磁干扰分析软件包，成功地解决了国际上几十个工程项目中的问题。此外，国外还开发研制了许多用于电磁场测试的仪器和分析设备，建立各种暗室，进行实验室模拟。 2由于我国过去的工业基础比较薄弱，电磁环境危害尚未充分暴露，对电磁兼容的研究认识不足，因此，该项工作起步较晚并且与国际间的差距较大。目前已出台了相关的管理法规。国内学者在超高压
20、线路电磁场分布、铁塔附近的电磁场、架空线下交变磁场在人体中的感应电流计算、居住区内高压输电线路工频电磁污染分布和线路测量等方面都有相应研究。这些研究主要应用模拟电荷法来解决超高压输电线路电磁场分布的仿真计算问题，计算结果和实际情况比较符合。但是大多数研究的是二维模型，适合于地势比较平坦的平原地区。架设在山区或丘陵地带的超高压输电线路的走廊比较崎岖，为了能够反映这一实际情况，必须将地面考虑成曲面而不能简单地考虑成平面，目前还没有这方面的比较完善的解决方法。国内学者也开展了导线呈悬链线分布、导线附近有建筑物问题的研究，建立的模型是相对理想化的。总的说来，国内在超高压线路电磁场分布的数值仿真研究方面
21、已取得了一定的成果，但是还不够成熟。特别是适合于地势、导线分布情况比较复杂的超高压输电线路电磁场分布的数值仿真、以及适合哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -于三维场仿真的数值方法还要进一步的研究。这些也对发展我国特高压输电非常重要。 21.3 本论文的主要内容本文主要介绍架空输电线路电晕放现象、输电导线表面的工频电场、电晕放电产生时所带来的电晕损失等。具体内容分布如下：1.简要介绍输电线路的电晕现象，介绍输电线路电晕放电后所产生的效应，并分析影响输电线路电晕放电的主要因素。2.根据预设的参数，结合实际情况有针对性地选择研究对象，同时简要叙述选择导线截面的方法，通过计算确定导线分裂形式。3.简要
22、介绍利用有限元法计算输电线路表面电场的方法，同时介绍了MATLAB 中的偏微分方程工具箱(PDEToolbox)，并利用偏微分工具箱模拟导线表面的电场、电位分布，并模拟了不同外界环境下如水滴对输电导线表面电晕的影响和超高压 500kV 四分裂输电导线周围的电场线、电位线分布。4.对 500kV 四分裂导线的全年电晕损失进行估算。哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -第 2 章 输电线路电晕现象不论是直流输电线路还是交流输电线路，当导线表面的场强大于起晕场强后都会产生电晕。交流线路导线发生电晕时，由于电压极性周期性变化，上半个周期因电晕放电产生的电荷，下半个周期因电压极性改变，又几乎全都被拉了回来
23、，电晕电荷只在导线周围很小区域内作往返运动，因此交流输电线路产生的电场强度较小。由于直流线路导线的极性是固定的，导线发生电晕时，和导线极性相反的电荷被拉向导线，而和导线极性相同的电荷将背离导线。这样两极导线之间、极导线与大地之间将充满电荷，这些电荷在电场的作用下运移形成离子流，使导线周围的电场强度增大。直流输电线路运行会使周围的电场环境发生改变，由于电场不象大气污染物或水体污染物随时空而产生扩散等现象，从而减轻对环境的污染。直流输电线产生的电场与导线表面粗糙度、大气状况等有关，电场只会随运行时间增加而不会减小。2.1 电晕产生的机理电晕的产生是因为不平滑的导体产生不均匀的电场,在不均匀的电场周
24、围曲率半径小的电极附近当电压升高到一定值时,由于空气电离就会发生放电,形成电晕。因为在电晕的外围电场很弱,不发生碰撞电离,电晕外围带电粒子基本都是电离子,这些离子便形成了电晕放电电流。简单地说,曲率半径小的导体电极对空气放电,便产生了电晕。 2空气分子的电离场强一般为 2030 kV/cm,当输电线路表面电场强度超过这个数值之后,就会听到放电声，能闻到臭氧的气味,夜晚还可以看到导线周围发出的蓝紫色的荧光,这就是电晕放电。输电线路电晕放电的影响因素分两大类:(1)输电线路本身特性的影响。输电线路电压越高,电晕放电越强;导线直径越大,表面光洁度越高,电晕放电越弱。而且,输电线路导线的排列方式、相间距离、对地高度也会影响电晕放电的电磁干扰电平,差值约在 35dB。(2)输电线路外部环境的影响。空气污染越严重,空气密度越小、湿度越大,电晕放电越强。电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式,电晕放电时的电流强度取决于电极外气体空间的电导,即取决于外加电压、电极形状、极间距离、气体的性质和密度等。 22.2 电晕放电时的现象电晕放电（气体）具有下列几种现象：1.伴随着电离、复合等过程有声、光、热等效应，表现为发出“咝咝”的声音、蓝紫色的晕光以及使周围气体温度升高等。2.电晕会产生高频脉冲电流，其中还包含着许多高次谐波，会造成对
