输电线路工频电场分布特性与计算方法辨析

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高 电 压 技 术 Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１１，３７（１０）
是因为测量仪器受 到 了 气 象 条 件 的 影 响，并 非 线 路 附近的电场分布发生变化。为说明这一被广大测试 人员及部分研究人 员 误 解 的 现 象，本 文 从 理 论 上 分 析了电场分布，并设 计 了 模 拟 电 位 分 布 测 试 以 及 不 同绝缘状态的测试仪器对相同电场测试进行验证。
然而，输 电 线 路 工 频 电 场 的 分 布 是 由 线 路 自 身 的 结 构 、导 线 布 置 、运 行 电 压 和 导 线 对 地 高 度 等 因 素 决定。气象条件对工频电场影响的考虑重点在于对 导线弧垂影响 引 起 的 导 线 对 地 距 离 变 化。 文 献 ［７－ ８］对 测 试 条 件 做 出 了 明 确 的 要 求，即 相 对 湿 度 ＜ ８０％ ，雨 雾 等 条 件 下 工 频 电 场 测 量 值 较 晴 好 天 气 大 ，
示。图中，ｑ 表示导线上的 电 荷，由 该 电 荷 产 生 电 场
Ｅ 的方向在地面上方与地面垂直。
３）工 频 电 场 与 导 线 － 大 地 之 间 的 空 气 状 况 无 关
对于 交 流 线 路 在 线 路 下 方 产 生 的 电 场，考 虑 线
路与大地之 间 的 介 电 常 数ε（忽 略 线 路 对 大 地 的 泄
文 献 标 志 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１００３－６５２０（２０１１）１０－２５８１－０６
Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｉｅｌｄ ｏｆ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅｓ
绝缘状况决定了电场的畸变程度，使 得 仪 器 的 读 数 不 同。 因 此 电 场 畸 变 的 测 量 和 计 算 是 彻 底 解 决 这 一 问 题 的 关
键 ，是 今 后 研 究 的 重 点 。
关键词：工频电场；气象条件；电位分布；绝缘状态；输电线路；空气介质；弧垂
中 图 分 类 号 ：ＴＭ１５
压；Ｃ 为线路对 地 电 容；ε 为 介 电 常 数；Ｈ 为 导 线 对
地 高 度 ；ｒ 为 导 线 等 效 半 径 。
输 电 线 路 所 产 生 的 工 频 电 场 是 一 种 随５０ Ｈｚ频 率交变的准静态场，它 的 一 些 效 应 可 以 用 静 电 场 的 一般概念来分析。
１）工 频 电 场 是 实 时 的 旋 转 场 电场在空间 ｘ 及ｙ 两个方向上的分量都是随 时间变化的脉动量。由于 通 常φｘ ≠φｙ，因 此 空 间 每 一 点 的 合 成 电 场 是 一 个 旋 转 的 椭 圆 场 ，如 图 １ 所 示 。 图中，ｔ 为 时 间；Ｅｘ，ｙ，ｔ为 合 成 电 场 强 度；Ｅｍａｘ、Ｅｍｉｎ分 别为电场椭圆长轴幅值、电 场 椭 圆 短 轴 幅 值；Ｅｘ、Ｅｙ 为电场在空间ｘ 及ｙ 方 向 上 分 量 的 幅 值；φｘ、φｙ 为 ｘ、ｙ 方向上 电 场 分 量 的 相 位 角；ω 为 角 频 率。 椭 圆 场的大小和方向都 随 时 间 不 断 地 变 化，其 最 大 值 并
３．鄂 州 供 电 公 司 ，鄂 州 ４３６０００）
摘 要：气象条件会对导线的弧垂产生影响并导致线路附近的电场发生变化，这 已 被 广 泛 关 注变大的现象使得部分研究者认为气象条件直接改变了电场大小。为说明潮湿或
雨水等气象条件不会直接改变输电线路附近电场大 小 和 分 布 特 性，对 电 场 分 布 进 行 了 理 论 分 析，并 设 计 了 模 拟 电
１ 工 频 电 场 特 性
有效值来表示。线路附近地面电场强度的最大值通
常出现在边相外不 远 处；随 着 与 线 路 之 间 距 离 的 增
加，电场强度 很 快 降 低。 如 前 所 述，在 地 面 附 近 Ｅｘ ＝０，电场方向与地 面 垂 直，也 使 得 在 距 平 坦 地 面 上
方约２ｍ 的 空 间，电 场 基 本 上 是 均 匀 的，如 图 ２ 所
高电压技术 第３７卷 第１０期 ２０１１年１０月３１日 Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．１０，Ｏｃｔｏｂｅｒ ３１，２０１１
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输电线路工频电场分布特性与计算方法辨析
张 广 洲１，２ ， 朱 银 军３ ， 张 业 茂２ ， 陈 豫 朝２ ， 周 文 俊１ （１．武 汉 大 学 电 气 工 程 学 院 ，武 汉 ４３００７２；２．国 网 电 力 科 学 研 究 院 ，武 汉 ４３００７４；
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅｓ（ＴＬｓ）ｗａｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｅｏｒｏ－ ｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｔｏ ｔｈｅ ｓａｇｓ ｏｆ ＴＬｓ，ｔｈｏｓｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｉｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｒｅａｄｉｎｇｓ ｏｆ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｉｎ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｏｒ ｒａｉｎ ｌｅａｄ ｔｏ ｍｉｓｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｏｆ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｃｈａｎｇｅ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｉ－ ｒｅｃｔｌｙ．Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ，ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｉｓ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｌｙ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ ｗｉｔｈ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｓｔａｔｅｓ ａｒｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅａｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｈｕｍｉｄ ｓｔａｎｄ ｉｓ ａｂｏｕｔ ２ｔｉｍｅｓ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｙ ｏｎｅ．Ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ ｎｅａｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ｄｒｙ ａｎｄ ｒａｉｎ ｓｔａｔｅ ａｒｅ ｔｈｅ ｓａｍｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｏｅｓ ｎｏｔ ｃｈａｎｇｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉ－ ｔｉｏｎｓ ｏｆ ｄｒｙ ｏｒ ｈｕｍｉｄｉｔｙ，ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｎｄ ｃｈａｎｇｅｓ，ｄｉｓｔｕｒｂｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｔｏ ｓｏｍｅ ｄｅｇｒｅｅ ａｎｄ ｍａｋｉｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｅａｄｉｎｇｓ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｔｕｒｂｅｄ ｆｉｅｌｄ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｉｓ ｐｒｏｂｌｅｍ ｓｈｏｕｌｄ ｔｏ ｂｅ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ；ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ；ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｓｔａｔｅ；ｔｒａｎｓ－ ｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ；ａｉｒ ｍｅｄｉｕｍ；ｓａｇ
０ 引 言
输电线路工频电场分布的计算一直广受重视， 文 献 ［１－４］对 交 流 输 电 线 路 的 电 磁 环 境 、包 括 工 频 电 场进行了不同的计 算 方 法 研 究，并 分 析 了 各 种 不 同 计算方法在实际工程应用中计算精度的差别。文献 ［５］中 考 虑 了 气 象 参 数 变 化 引 起 输 电 线 路 荷 载 、应 力 和弧垂变化影响线 下 工 频 电 场，讨 论 了 架 空 悬 链 线
不等于 槡Ｅｘ２＋Ｅｙ２ ；旋转的 椭 圆 场 在 空 间 某 点 的 电 场
矢量方向和大小在椭圆轨迹上旋转变化。但在地面 上，因 Ｅｘ＝０，该椭圆则变为垂直于地面的线段。
２）平 坦 地 面 上 的 电 场 均 匀 性 在 工 频 电 场 中 ，电 场 方 向 周 期 性 地 变 化 ，于 是 引 起导体内部正、负 电 荷 的 往 复 运 动。 这 种 往 复 运 动 本身就是在导体内部流动的交变电流。这个电流的 大小仅与导体的形 状 及 外 施 电 场 的 强 弱 有 关，而 在 很大范围内与导体 的 电 阻 率 无 关，也 就 是 与 导 体 的 性 质 无 关 。 在 这 种 条 件 下 ，高 压 装 置 下 的 大 地 ，甚 至 一些活的有机体，都 可 以 认 为 是 导 体。 所 以 在 工 频 电场计算模型和问 题 分 析 当 中，大 地 和 人 体 都 按 导 体处理。 通常输电线路产生的工频电场大小和分布均以
试验 结 果 显 示：电 位 分 布 试 验 显 示 在 干 燥 和 淋 雨条件下，导线附近 的 电 位 是 相 同 的；潮 湿 支 架 （绝 缘 水 平 低 ）的 测 量 仪 器 的 读 数 约 为 干 燥 支 架 的 ３ 倍 。 试验结果表明电场不因潮湿或雨等气象条件的变化 而改变，但测试仪器 支 架 的 绝 缘 状 况 因 潮 湿 或 雨 等 气象条件变化；而不 同 的 绝 缘 状 况 决 定 了 电 场 数 值 的 畸 变 程 度 ，使 得 仪 器 的 读 数 不 同 。 文 献 ［６］中 对 雨 天电场的测试 结 果 并 没 有 按 照 文 献 ［７－８］的 要 求 进 行，从而导致了 测 试 结 果 变 大。 由 此 测 试 结 果 来 修 正计算程序并将计 算 结 果 修 正 到 这 一 结 果，也 不 合 理。试验同时表明电场畸变的测量和计算是彻底解 决 这 一 问 题 的 关 键 ，是 今 后 研 究 的 重 点 。
位分布测试以及不同绝缘状态的测试仪器对相同电场测试进行验证。结果显示，潮 湿 支 架（绝 缘 水 平 低）的 测 量 仪