1、Zhejiang Electric Power第 42 卷 第 1 期2023 年1 月Vol.42，No.01Jan.25.2023近树木条件下高压架空输电线路电场特性研究刘海宁1，何梓麟1，何康2，覃远铖2，唐金锐2（1.广东电网有限责任公司广州供电局，广州 510620；2.武汉理工大学 自动化学院，武汉 430070）摘要：高压架空输电线路邻近树木时存在树木尖端电晕放电烧灼与输电线路闪络的安全隐患，严重时甚至可能造成线路停电。为研究树木附近架空输电线路的电场分布特性，分别采用变步长和有限元网格剖分的方法来配置导线和树木模型中的模拟电荷和匹配点。运用模拟电荷法对线路走廊内存在树木时水平排
2、列的500 kV架空输电线路的电场分布展开计算，结果表明：树木上方的电场强度随着树木数量和种植密度的增加而减小；当树木的位置由中心导线向边相导线偏离时，树冠上方的电场强度先减小后增大，在偏移距离为14 m时达到最大值20.5 kV/m；根据最短路径平均电场强度确定了树木与500 kV导线之间的最小净空距离为1.2 m，为线路走廊植被管理提供了参考依据。关键词：电场分布；模拟电荷法；架空输电线路；电晕放电DOI:10.19585/j.zjdl.202301009 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Research of electric field characteristics of h
3、igh-voltage overhead transmission lines adjacent to treesLIU Haining1，HE Zilin1，HE Kang2，QIN Yuancheng2，TANG Jinrui2（1.Guangzhou Power Supply Bureau，Guangdong Power Grid Co.，Ltd.，Guangzhou 510620，China；2.School of Automation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）Abstract:Safety hazards s
4、uch as corona discharge，burning，and flashover occur atop trees adjacent to high-voltage transmission lines，resulting in power outages in severe cases.The simulated charge and matching points in the conductor and tree models are configured respectively by the variable step-size method and finite elem
5、ent mesh dissection to study the electric field distribution characteristics of overhead transmission lines adjacent to trees.The charge simulation method calculates the electric field distribution of horizontally aligned 500 kV overhead transmission lines in the presence of trees in the line corrid
6、or.The results show that the electric field intensity above the trees decreases with the increase in the number and density of trees.As the trees deviate from the central conductor to the side phase conductor，the electric field intensity above the crown decreases before it increases，reaching a maxim
7、um value of 20.5 kV/m at a deviation distance of 14 meters.The minimum midspan clearance between trees and 500 kV conductors is determined to be 1.2 meters according to the average electric field strength of the shortest path.The method provides a reference basis for line corridor vegetation managem
8、ent.Keywords:electric field distribution；charge simulation method；overhead transmission lines；corona discharge0引言随着高压输电工程的持续推进，一些高压架空输电线路不可避免地跨越植被覆盖区域。当线路走廊内的树木生长到一定高度时，其尖端与输电线路之间形成极不均匀电场而发生电晕放电现象，导致树木被灼烧1，甚至会诱发树闪故障，导致线路停电，从而影响供电可靠性2-6。据不完全统计，2015年10月南宁电网10 kV及以上线路共跳闸160条次，引发59条线路因故障停运，停电影响居民户数29万余户
9、，其中超过90%的事故 输变电 基金项目：中国南方电网有限责任公司科技项目（080008KK52190008（GZHKJXM20190097）第 1 期刘海宁，等：近树木条件下高压架空输电线路电场特性研究由超高树木引起，这表明线路走廊内的超高树木已经严重威胁到了电网的安全稳定运行。因此，研究树木附近架空输电线路的电场分布特性具有重要意义。国内外学者就树木对线路周围电磁环境的影响开展了相关研究。文献 7-9 通过仿真分析树木后方电场的分布特性验证了树木对地面电场的屏蔽效应，为种植树木以改善线路周围的电磁环境提供了理论基础；文献 10 通过实测树木附近的电磁参数，建立了树木在夏秋季的等效模型，并基
10、于有限元法分析了线路走廊内树木屏蔽效应对线路电磁环境的影响，但对树木后方电场的研究并不能完全反映树木对线路电磁环境的整体评价。为此，一些学者对树木邻近架空输电线时的电场分布特性展开研究。文献 11 通过现场试验确定了30种阔叶乔木与800 kV直流输电线路的最小净空距离；文献 12 基于上流有限元法仿真分析了树木邻近1 100 kV特高压直流输电线路时的电场分布特性；文献 13 将树木看作良导体，基于有限元法仿真分析了110 kV交流输电线路下不同类型树木高度、位置和电源相角变化对电场分布的影响。除有限元法外，模拟电荷法也常被用来分析输电线路的电场分布特性。文献 14 通过点电荷与线电荷相结合
11、的模拟电荷法分析了500 kV超高压输电线下方存在树木和建筑时的工频电场分布，然而其并未对树木邻近输电线时的电场分布特性展开研究。确定模拟电荷位置是在复杂场景下应用模拟电荷法的难点所在，为此文献15 提出用蜂窝状网格划分建筑物表面的改进方案，该方案减少了23的模拟电荷，在一定程度上提高了运算效率。以上方法均对模拟电荷法进行了改进，为分析实际场景下工频电场分布提供了一些便利。但在处理复杂场景、尤其是在物体边界和曲率变化大的区域，匹配点和模拟电荷的空间坐标难以确定，如何快速地对模型中模拟电荷和匹配点进行配置还有待进一步研究16。本文采用模拟电荷法分析树木附近架空输电线路的电场分布特性，分别采用变步
12、长划分和有限元网格剖分的方法对输电线路和树木模型中的模拟电荷和匹配点进行配置；利用有限元仿真结果验证了本文所使用的模拟电荷法的可行性；讨论了输电线路下方树木的数量、疏密程度、位置和高度对电场分布的影响，并确定了本文案例中树木与500 kV超高压交流输电线路的最小净空距离。1仿真模型及理论分析1.1仿真模型近树木条件下高压架空输电线路等效模型如图1所示。输电线路下方地势平坦，三相导线和地线均呈水平排列；输电线路模型为四分裂导线，型号为LGJ-400/45；子导线半径14.8 mm，分裂间距400 mm，相邻导线间距12 m，导线最低点离地高度为20 m；架空地线型号为GJ-70，半径5.5 mm
13、，相邻地线间距10 m，地线与导线之间的垂直距离为6 m。在架空输电线路走廊内，导线最低点附近的树木更容易发生电晕放电和闪络，文中仅考虑档距中央附近树木的电场分布特性。此时，位于档距中央的树木与铁塔的距离一般在200 m以上，可以忽略铁塔、绝缘子和金具的影响。本文计算区域区间的大小和输电导线的距离已经远远大于分裂导线之间的几何尺寸。将分裂导线等效为单根导线，可在保证电场计算结果准确的前提下提高计算效率。单根导线的等效半径可由式（1）求得：req=nrnan-1(2sinn)n-1（1）图1 高压架空输电线路和树木等效模型Fig.1 An equivalent model of high-vol
14、tage overhead transmission lines and a tree71第 42 卷式中：n为导线分裂数，n2；r为子导线半径；a为子导线分裂间距。研究表明，相较于椭圆体和球体树冠，圆锥体树冠造成电场的畸变程度更大13，能更好地反映严酷条件下的电场分布规律，因此本文选取树冠呈圆锥体的树木作为研究对象。建立树木模型时做了如下简化：树干等效为高度2 m、半径0.2 m的细长圆柱体；树冠等效为高度8 m、底面半径2 m的圆锥体。在工频电压作用下，树木的电导率一般在10-510-3 S/m，相对介电常数一般在103105 17，将树木视为良导体，其表面电势为0。1.2模拟电荷法计算理
15、论与有限元法相比，模拟电荷法计算静电场时无需封边，具有未知量少、求解速度快和准确度高等特点，非常适合求解开域静态场问题，已广泛应用于架空输电线路下方的电场计算。模拟电荷法的基本原理是：用一组人为布置在场域外的离散电荷来代替连续分布在电极表面的自由电荷与存在于介质表面的约束电荷，基于静电场中的唯一性原理，通过假设模拟电荷满足边界条件来求解整个场域内的电位和电场18-21。导线结构简单，则选择单位线电荷作为模拟电荷；树木形体复杂，则选用适量数目的点电荷作为模拟电荷。故采用线电荷与点电荷相结合的模拟电荷法，通过式（2）（3）计算待求模拟电荷量。|E=()xj-xj+12+()yj-yj+12+()z
16、j-zj+12F=-2|()xj-xj+1()x-xj+()yj-yj+1()y-yj+()zj-zj+1()z-zjG=()x-xj2+()y-yj2+()z-zj2 j=1，2，m1-1（2）pij=|140lnF+2E+2E(E+F+G)F+2EG，j=1，2，m1140rij，j=m1+1，m2（3）式中：pij为第j个模拟电荷对第i个匹配点的电位系数；m1为输电线路中模拟电荷总数；m2为场域中模拟电荷总数；rij为第j个模拟点电荷和第i个匹配点之间的距离；（xj，yj，zj）为第j段模拟线电荷端点的起始坐标；（x，y，z）为待求点的坐标。|Pij=pij-piji=j=1m1Pijqj+j=m1+1m2Pijqj，i=1，2，3，n（4）式中：pij为第j个模拟电荷相对应的镜像电荷对第i个匹配点的电位系数，求法同式（3）；i为第i个匹配点上已知边界电势；qj为第j个待求模拟电荷量；n为匹配点总数。第j个模拟电荷对场域内任意一点（x，y，z）产生的电场强度在X轴上的分量Exj为：Exj=-x=|qjE4001()x-xjdt()Et2+Ft+G3，1jm1qj40 x-xiri
