一种输电线路杆塔空气间隙的电场分布表征方法
阅读说明：本技术 一种输电线路杆塔空气间隙的电场分布表征方法 (Electric field distribution characterization method for air gap of power transmission line tower ) 是由 邱志斌 张楼行 廖才波 侯华胜 朱雄剑 于 2021-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种输电线路杆塔空气间隙的电场分布表征方法,其利用有限元法计算输电线路-杆塔空气间隙的静电场分布,以导线或均压环表面电场强度最大值所在位置为起点,以杆塔塔身或横担距离高压电极最近的一条平行线上的电场强度最大值所在位置为终点,将两点的连线作为电场特征提取路径；以导线或均压环上的电场强度最大值所在位置为顶点,顶角为θ,底面为电位等于x·U的等位面构成的锥形场域作为电场特征提取场域。在上述路径与场域内分别提取54个和19个与电场分布相关的特征量,用以表征输电线路杆塔空气间隙的三维空间结构。本发明兼顾了特征提取的效率和特征表达的完善性,可为输电工程外绝缘空气间隙放电电压预测模型提供输入参数。(The invention discloses an electric field distribution characterization method of an air gap of a power transmission line tower, which utilizes a finite element method to calculate the electrostatic field distribution of the air gap of the power transmission line tower, takes the position of the maximum value of the electric field intensity on the surface of a lead or a grading ring as a starting point, takes the position of the maximum value of the electric field intensity on a parallel line of the tower body or a cross arm closest to a high-voltage electrode as an end point, and takes the connection line of the two points as an electric field characteristic extraction path; and taking the position of the maximum value of the electric field intensity on the lead or the grading ring as a vertex, the vertex angle as theta, and the bottom surface as a conical field formed by equipotential surfaces with the potential equal to x.U as an electric field characteristic extraction field. And respectively extracting 54 and 19 characteristic quantities related to electric field distribution in the path and the field to represent the three-dimensional space structure of the air gap of the power transmission line tower. The method gives consideration to the efficiency of feature extraction and the perfection of feature expression, and can provide input parameters for the prediction model of the external insulation air gap discharge voltage of the power transmission project.)
技术领域
本发明属于高电压与绝缘
技术领域
，具体涉及一种输电线路杆塔空气间隙的电场分布表征方法。背景技术
空气间隙是高压输电线路的主要外绝缘形式，其放电电压是输电工程外绝缘设计的主要依据。目前，放电电压的确定主要依靠成本高、周期长的放电试验，根据试验数据拟合放电电压与间隙距离的经验公式。然而，仅通过间隙距离难以有效表征输电线路杆塔间隙的三维空间结构，经验公式的适用范围有限，难以推广至各类复杂工程间隙结构。间隙结构与静电场分布一一对应，通过信息更丰富的空间电场分布描述输电线路杆塔间隙结构，构建参数化的电场分布特征集，有望为建立间隙结构与放电电压的关联性、实现工程间隙的绝缘强度预测提供可行方法。
目前，对空气间隙的电场分布表征方法已有相关研究。例如，在“一种棒-板间隙结构的电场表征方法”(ZL 201810069950.8)、“一种用于表征球隙电场分布的最短路径特征集”(ZL 201810070448.9)等已公开的技术中已经提出了用以棒-板间隙、球隙等典型结构空气间隙的电场表征方法。现有技术从空气间隙两电极之间的最短路径上定义与电场分布相关的特征量，并将其作为机器学习模型的输入参数，用以典型结构空气间隙的击穿电压预测。然而，对于实际工程中结构复杂的输电线路杆塔空气间隙，若采用上述公开技术提出的最短路径电场特征集，则无法全面反映影响间隙放电的导线、横担、塔身等复杂电极结构及由其决定的空间电场分布。为了实现间隙结构的合理表征，除了采用最短路径上的电场特征量之外，还需进一步在导线与均压环构成的高压电极和杆塔塔身或横担构成的接地电极之间定义特征提取场域，形成适用于输电线路杆塔间隙结构的电场分布特征集。
发明内容
针对现有技术中的不足与难题，本发明旨在提供一种输电线路杆塔空气间隙的电场分布表征方法，为合理表征复杂工程间隙的三维空间结构，并进一步实现输电工程外绝缘间隙的放电电压预测提供基础特征参数。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种输电线路杆塔空气间隙的电场分布表征方法，其特征在于，根据输电线路杆塔间隙结构尺寸建立三维仿真模型，对导线、均压环、线夹、绝缘子高压侧金具等电极施加高电位U，对杆塔塔身与横担等接地电极施加零电位，利用有限元法计算输电线路-杆塔空气间隙的静电场分布，定义电场分布特征提取路径与提取场域，分别从中提取特征量。
以面向杆塔塔身或横担一侧的导线(含线夹)或均压环表面电场强度最大值所在位置为起点，以杆塔塔身或横担距离高压电极最近的一条平行线上的电场强度最大值所在位置为终点，将两点的连线作为电场特征提取路径。将该路径选取n个采样点，将其等分为n-1段，通过后处理提取每个采样点的电场强度Ei、每一段的平均电场强度Eia及其平方值Wi(1≤i≤n)，以及相应的坐标位置作为原始数据，在该路径上采用54个物理量或数学量表征输电线路杆塔空气间隙的空间电场，具体包括：
电场强度最大值Emax及其x、y、z方向分量Exem、Eyem、Ezem；x、y、z方向上的最大值Exm、Eym、Ezm；最小值Emin；中位数EMid；平均值Eave与x、y、z方向上的平均值Exa、Eya、Eza；方差Estd 2与标准差Estd；变异系数Cv；畸变率Ed；
电场梯度最大值Egm、最小值Egn、平均值Ega、中位数EgM；
Emax与Eave之比f与x、y、z方向的fx、fy、fz；Emin与Emax之比fn；Eyem与Exem之比tanzm，Eyem与Ezem之比tanxm，Ezem与Exem之比tanym；
电场强度平方和We及其平均值Wea；Eia>c·Emax(c＝0.9、0.75)线段上的电场强度平方和与We的比值Ersc；
Eia>EMid线段上的电场强度积分VM及其与施加电压U的比值VrM；Eia>Eave线段上的电场强度积分Va及其与U的比值Vra；
Wi>c·We的线段长度Lsc及其与间隙距离d的比值Lrsc；Eia>c·Emax的线段长度LEc及其与d的比值LrEc；Eg>c·Egm的线段长度Lgc及其与d的比值Lrgc；Emax、Exm、Eym、Ezm、EMid所在位置到高压电极端的距离LEm、LExm、LEym、LEzm、LEM。
以面向杆塔塔身或横担一侧的导线或均压环上的电场强度最大值所在位置为顶点，顶角为θ，底面为电位等于x·U的等位面构成的锥形场域作为电场特征提取场域。该场域内的网格单元共m个，通过后处理提取每一个网格单元的电场强度Ej及其体积Vj作为原始数据(1≤j≤m)，在该场域内采用19个物理量或数学量表征输电线路杆塔空气间隙的空间电场，具体包括：
电场强度最大值Em、平均值Ea、最小值En、中位数EM；电场畸变率Edis；电场能量W与能量密度Wd；Ej>Ea区域所占整个锥形场域的体积比Vra与能量比Wra；Ej>EM区域所占整个锥形场域的体积比VrM与能量比WrM；Ej>b·Em(b＝0.9、0.75、0.5、0.25)区域所占整个锥形场域的体积比Vrb与能量比Wrb。
在上述的一种输电线路杆塔空气间隙的电场分布表征方法中，根据静电场三维仿真计算结果，若高压电极金属导体部分距离杆塔塔身或横担上的电场强度最大值所在位置最近的是均压环，则以均压环表面电场强度最大值所在位置作为锥形特征提取场域的顶点；若距离杆塔塔身或横担上的电场强度最大值所在位置最近的是分裂导线的子导线，则以该子导线上的表面电场强度最大值所在位置作为锥形特征提取场域的顶点。
在上述的一种输电线路杆塔空气间隙的电场分布表征方法中，电场特征提取场域的圆锥顶角θ可取为60°、75°、90°，等位面x·U可取为0.3U、0.5U、0.7U。
与现有技术相比，本发明有益效果包括：
(1)本发明采用带电导体与接地电极之间的锥形空间场域与路径上的电场分布特征集对输电线路杆塔空气间隙的三维空间结构进行描述，可替代间隙距离等简单几何参数，实现对复杂工程间隙结构的合理表征.
(2)相比于现有技术中仅采用“最短路径”进行电场分布的特征定义，本发明提供的输电线路杆塔空气间隙的电场分布表征方法兼顾了特征提取的效率和特征表达的完善性，能够适用于作为输电工程外绝缘空气间隙放电电压预测模型的输入参数。
附图说明
图1是本发明中的电场分布特征提取路径与提取场域示意图；
图2是本发明实施例中的±660kV直流输电线路杆塔空气间隙模型图；
图3是本发明实施例中的±660kV直流输电线路杆塔空气间隙电场分布云图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的描述，有必要在此指出的是以下实施例只是用于对本发明进行进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容所做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
一、本发明的具体方法原理
本发明提供一种输电线路杆塔空气间隙的电场分布表征方法，用以定量描述输电工程外绝缘间隙的三维空间结构与电场分布，可为进一步实现复杂工程间隙的放电电压预测奠定基础。
本发明采用如下技术方案：
对于输电线路杆塔空气间隙来说，输电线路的分裂导线、线夹、均压环、绝缘子高压侧金具等为带电导体，输电杆塔为接地导体，根据相关部件的结构尺寸可以建立输电线路-杆塔间隙的仿真模型，对导线、均压环等高压侧金属导体施加高电位U，对杆塔施加零电位，利用有限元法计算静电场分布。
首先在输电线路-杆塔间隙中定义电场特征提取路径1，如图1所示，以面向杆塔塔身或横担一侧的导线(含线夹)或均压环表面电场强度最大值所在位置为起点，以杆塔塔身或横担距离高压电极最近的一条平行线上的电场强度最大值所在位置为终点，将两点的连线作为电场特征提取路径。将该路径等分为n段，通过后处理提取每个采样点的电场强度Ei、每一段的平均电场强度Eia及其平方值Wi(1≤i≤n)，以及相应的坐标位置作为原始数据，其中Eia＝(Ei+Ei+1)/2，在该路径上采用54个物理量或数学量表征输电线路杆塔空气间隙的空间电场，具体如下：
电场强度最大值Emax及其x、y、z方向分量Exem、Eyem、Ezem；x、y、z方向上的最大值Exm、Eym、Ezm；最小值Emin；中位数EMid；平均值Eave与x、y、z方向上的平均值Exa、Eya、Eza；方差Estd 2与标准差Estd；变异系数Cv；畸变率Ed。相应的计算公式为：
电场梯度最大值Egm、最小值Egn、平均值Ega、中位数EgM：
Emax与Eave之比f与x、y、z方向的fx、fy、fz；Emin与Emax之比fn；Eyem与Exem之比tanzm，Eyem与Ezem之比tanxm，Ezem与Exem之比tanym。相应的计算公式为：
电场强度平方和We及其平均值Wea；Eia>c·Emax(c＝0.9、0.75)线段上的电场强度平方和与We的比值Ersc。相应的计算公式为：
Eia>EMid线段上的电场强度积分VM及其与施加电压U的比值VrM；Eia>Eave线段上的电场强度积分Va及其与U的比值Vra。相应的计算公式为：
Wi>c·We的线段长度Lsc及其与间隙距离d的比值Lrsc；Eia>c·Emax的线段长度LEc及其与d的比值LrEc；Eg>c·Egm的线段长度Lgc及其与d的比值Lrgc；Emax、Exm、Eym、Ezm、EMid所在位置到高压电极端的距离LEm、LExm、LEym、LEzm、LEM。
然后在输电线路-杆塔间隙中定义电场分布特征提取场域2，如图1所示，以面向杆塔塔身或横担一侧的导线或均压环上的电场强度最大值所在位置为顶点，圆锥顶角3为θ，底面为电位等于x·U的等位面4构成的锥形场域作为电场特征提取场域。其中，圆锥顶角θ可取为60°、75°、90°，等位面x·U可取为0.3U、0.5U、0.7U。该场域内的网格单元共m个，通过后处理提取每一个网格单元的电场强度Ej及其体积Vj作为原始数据(1≤j≤m)，在该场域内采用19个物理量或数学量表征输电线路杆塔空气间隙的空间电场，具体如下：
电场强度最大值Em、平均值Ea、最小值En、中位数EM；电场畸变率Edis；电场能量W与能量密度Wd。设ε为介电常数，相应的计算公式为：
Ej>Ea区域所占整个锥形场域的体积比Vra与能量比Wra；Ej>EM区域所占整个锥形场域的体积比VrM与能量比WrM；Ej>b·Em(b＝0.9、0.75、0.5、0.25)区域所占整个锥形场域的体积比Vrb与能量比Wrb。
二、实施例
以±660kV同塔双回直流线路杆塔上层空气间隙为例说明本发明所涉及的一种输电线路杆塔空气间隙的电场分布表征方法。输电线路杆塔空气间隙的仿真模型如图2所示。本例中，取间隙距离d＝5.3m，模拟塔头的上横担长24m，宽3.4m，下横担为一梯形，其中最宽处为4.5m，最窄处为1m，总长度为20.4m，保持与水平面成15°夹角，V型绝缘子夹角为90°。根据输电线路杆塔空气间隙的结构尺寸建立三维电场仿真模型，为简化计算塔身由钢板代替，对分裂导线和高压端金具加载电位1kV，对杆塔、低压端金具(连接件、拉杆)等金属表面和外部空气边界施加零电位，采用有限元法可计算出其空间电场分布，电场仿真结果如图3所示。
在电场特征提取路径1上等距选取n个采样点，采样点越多精度越高，但数据提取耗时越长。本实施例中，取n＝10001，提取n个采样点的坐标、电场强度等原始数据，并保存至文本中。在锥形特征提取场域2，本实施例中，取圆锥顶角3为θ＝90°，等位面4为0.3U，提取该区域内的网格单元及其电场强度、单元体积等原始数据，并保存至文本中。
根据电场仿真计算结果及上述原始数据，利用各个特征量的定义与计算公式，可计算得到本实施例中d＝5.3m的±660kV同塔双回直流线路杆塔上层空气间隙的电场分布特征集，见表1。
表1本实施例电场分布特征集
由此可得出在该种结构布置下的输电线路杆塔空气间隙的空间电场分布特征集，集合中的元素即为上述73个电场分布特征量。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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