高压直流输电线路离子流场分布特性及其影响因素分析
发布时间：2021-06-24 16:53
随着我国能源互联网的发展,高压直流输电（High Voltage Direct Current,HVDC）工程面临着新的发展机遇和挑战,HVDC运行过程中电晕放电导致的离子流场问题（包括合成场强和离子流密度）引起了更为广泛的关注。为了深入探究离子流场的分布特性、线路参数变化和外界环境因素对离子流场的影响规律,本文基于有限元法建立了直流线路离子流场的二维数值计算模型,对高压直流输电线路的前期设计与运行过程中的评估具有一定的意义,本文主要研究工作如下:（1）在高压直流输电线路离子流场的数值计算模型基础上,在COMSOL Multiphysics中利用“稀物质传递”与“静电场”模块耦合建立二维离子流场的仿真计算模型。为了实现模型的高效精确计算,本文在建模过程着重考虑了以下几点:①在导线表面网格划分细致,远离导线处网格逐渐稀疏;②使用直接求解器求解刚度矩阵;③利用优化求解对导线表面电荷密度进行修正。并将本文计算结果与实验测量值进行对比来验证仿真模型的可行性。（2）直流导线附近的离子流场主要受导线自身结构参数和外界环境因素的影响。首先重点分析了导线结构参数和粗糙系数对离子流场的影响。计算结果表明...
【文章来源】：东北电力大学吉林省
【文章页数】：54 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１正、负极性电晕放电示意图??如图２－ｌ（ａ）所示，当正极性导线表面发生电晕放电时，空气中的少量自由电子在电场??
?东北电力大学丄程硕士学位论文??分子就会分裂称为正离子和电子，正离子在电场力的作用下向远离导线的方向运动，电子??则被电极吸收。??如图２－ｌ（ｂ）所示，当负极性导线表面发生电晕放电时，电子在负极性电场力的作用下??由导线表面向外界运动，在运动过程中与空气分子发生碰撞电离，电子的数量不断增加，??同时产生大量的正离子，正离子会被负极导线吸引至导线表面，游离的电子会在运动过程??中会附着在中性粒子表面形成负离子。??电晕放电产生的正、负离子在交流和直流电场中的运动特性有很大不同。交流导线的??电压呈周期性变化，使得正、负电荷只能在导线周围的小范围做往返运动，无法到达距离??导线较远的空间内，因此空间中几乎没有带电离子。而对于直流输电线路而言，带电离子??会在电场力的作定向运动，使得两极导线之间和导线与大地之间的区域充满带电离子，形??成如图２－２所示的离子流场（以双极直流线路为例）［３５］。??图２－２双极直流线路附近离子流场??２．３离子流场计算的基本假设??由于实际高压直流输电线路（ＨＶＤＣ）离子流场的形成过程复杂，为简化计算，又不??至对计算结果造成很大影响，本文参考国内外文献，采取如下假设：??（１）忽略电晕层厚度的影响??在离子流场建模过程中普遍会忽略电晕层厚度的影响［Ｗ。一方面，因为在高压直流输??电线路运行状态下，导线极间距和导线与大地间的距离比电晕层的厚度大两个数量级，忽??略电晕层厚度，几乎不会对计算结果产生影响；另一方面，电晕层内部的过程电晕放电过??程及其复杂，在离子流场计算时很难用数学方程描述，因此研宄直流线路离子流场时只考??虑电晕层以外的物理过程。??（２）忽略电晕放电的暂态过程??
设置源项、边界条件、初始值等物理机制；选择合??适的求解器，设置求解器停止阈值等，然后进行求解计算；将计算结果以合适的后处理方??式输出。求解结束后一般还需要将计算结果与实验测量数据或者其他计算结果进行比对来??验证所建立的仿真模型的可行性和适用性。??３．４构建离子流场几何模型??本文假设直流输电线路是均匀的且不考虑杆塔的影响，因此在计算直流线路附近的离??子流场时可以将一个三维场问题转化为二维模型考虑。本文ＣＯＭＳＯＬ?Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ中建立??的二维离子流场计算模型如图３－１所示（以±８００ｋＶ双极直流输电线路离子流场二维模型为??例）。计算域由人工边界氏和地面Ｂ２所围成的半径为Ｌ的半圆形（圆心在正负极导线中??点）封闭区域构成。计算区域介质为空气，压强为一个标准大气压。经验证，当Ｌ／Ｈ超??过４时，可以获得足够的精度，出于计算准确性和效率的考虑，本文取Ｌ／Ｈ?＝?５，此时在??人工边界，正负空间电荷密度很小，对合成场强的影响可以忽略。??／?ｒ：Ｖ?＂?：：－７?＼??／?－８００ｋＶ?／＋８００ｋＶ?＼??Ｉ一Ｊ??／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／??Ｂ２??图３－１?±８００?ｋＶ直流输电线路计算模型??３．５网格的划分??使用有限元法求解非线性问题是，首先需要对求解区域离散化，即利用网格剖分将求??解域划分成有限个小单元。ＣＯＭＳＯＬ中自带网格剖分模块，网格剖分方式主要有两种：一??－１４－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]低气压对直流正极性导线地面合成电场特性影响的实验研究[J]. 赵录兴,崔翔,李学宝,谢莉. 电网技术. 2018(11)
[2]光滑导线直流起晕电压判别方法对比分析[J]. 李学宝,王东来,张静岚,崔翔,卢铁兵. 高电压技术. 2019(06)
[3]考虑风速和导线高度影响的高压直流输电线下离子流场计算[J]. 许松枝,汪沨,李敏,邓晓,谢望君,陈晓林. 电力系统及其自动化学报. 2016(12)
[4]±800kV/±500kV混压双回直流线路的电磁环境分析及改善研究[J]. 李凌燕,杜志叶,阮江军,陈媛,李健,黄国栋. 高压电器. 2016(09)
[5]高精度上流有限元法在特高压直流输电线路离子流场计算中的应用[J]. 汪沨,范竞敏,李敏,梁艺丹,彭继文,吕建红. 高电压技术. 2016(04)
[6]特高压直流输电线路合成电场强度对人体影响分析[J]. 马爱清,陈吉,徐东捷. 广东电力. 2016(01)
[7]以通量线法为初值的直流线路离子流场计算优化[J]. 莫江华,张波,尹晗. 电网技术. 2015(06)
[8]同走廊高压交、直流输电线路混合电场分析[J]. 赵永生,张文亮. 高电压技术. 2014(03)
[9]高压直流输电线路离子流场计算方法研究进展[J]. 崔翔,周象贤,卢铁兵. 中国电机工程学报. 2012(36)
[10]±800kV直流输电线路对邻近树木影响的研究[J]. 薛辰东,陆家榆,郭剑,杨勇. 电网技术. 2012(05)
博士论文
[1]直流输电线路电晕放电的微观物理过程及离子流场分析[D]. 伍飞飞.重庆大学 2014
[2]高压直流输电线路离子流场的高效数值方法及其应用的研究[D]. 甄永赞.华北电力大学 2012
硕士论文
[1]特高压交流输电线路的电磁环境研究[D]. 王瑜.东南大学 2016
[2]高压直流输电线路邻近物体时离子流和合成电场分布的研究[D]. 王小波.华北电力大学 2014
[3]特高压直流输电线路下离子流场的仿真计算研究[D]. 邹岸新.重庆大学 2012
[4]直流导线电晕起晕电压的影响因素及计算方法研究[D]. 欧阳科文.华北电力大学 2012
[5]高压直流输电线路离子流场计算及其工程应用[D]. 冯晗.华北电力大学（河北） 2007
本文编号：3247475
【文章来源】：东北电力大学吉林省
【文章页数】：54 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１正、负极性电晕放电示意图??如图２－ｌ（ａ）所示，当正极性导线表面发生电晕放电时，空气中的少量自由电子在电场??
?东北电力大学丄程硕士学位论文??分子就会分裂称为正离子和电子，正离子在电场力的作用下向远离导线的方向运动，电子??则被电极吸收。??如图２－ｌ（ｂ）所示，当负极性导线表面发生电晕放电时，电子在负极性电场力的作用下??由导线表面向外界运动，在运动过程中与空气分子发生碰撞电离，电子的数量不断增加，??同时产生大量的正离子，正离子会被负极导线吸引至导线表面，游离的电子会在运动过程??中会附着在中性粒子表面形成负离子。??电晕放电产生的正、负离子在交流和直流电场中的运动特性有很大不同。交流导线的??电压呈周期性变化，使得正、负电荷只能在导线周围的小范围做往返运动，无法到达距离??导线较远的空间内，因此空间中几乎没有带电离子。而对于直流输电线路而言，带电离子??会在电场力的作定向运动，使得两极导线之间和导线与大地之间的区域充满带电离子，形??成如图２－２所示的离子流场（以双极直流线路为例）［３５］。??图２－２双极直流线路附近离子流场??２．３离子流场计算的基本假设??由于实际高压直流输电线路（ＨＶＤＣ）离子流场的形成过程复杂，为简化计算，又不??至对计算结果造成很大影响，本文参考国内外文献，采取如下假设：??（１）忽略电晕层厚度的影响??在离子流场建模过程中普遍会忽略电晕层厚度的影响［Ｗ。一方面，因为在高压直流输??电线路运行状态下，导线极间距和导线与大地间的距离比电晕层的厚度大两个数量级，忽??略电晕层厚度，几乎不会对计算结果产生影响；另一方面，电晕层内部的过程电晕放电过??程及其复杂，在离子流场计算时很难用数学方程描述，因此研宄直流线路离子流场时只考??虑电晕层以外的物理过程。??（２）忽略电晕放电的暂态过程??
设置源项、边界条件、初始值等物理机制；选择合??适的求解器，设置求解器停止阈值等，然后进行求解计算；将计算结果以合适的后处理方??式输出。求解结束后一般还需要将计算结果与实验测量数据或者其他计算结果进行比对来??验证所建立的仿真模型的可行性和适用性。??３．４构建离子流场几何模型??本文假设直流输电线路是均匀的且不考虑杆塔的影响，因此在计算直流线路附近的离??子流场时可以将一个三维场问题转化为二维模型考虑。本文ＣＯＭＳＯＬ?Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ中建立??的二维离子流场计算模型如图３－１所示（以±８００ｋＶ双极直流输电线路离子流场二维模型为??例）。计算域由人工边界氏和地面Ｂ２所围成的半径为Ｌ的半圆形（圆心在正负极导线中??点）封闭区域构成。计算区域介质为空气，压强为一个标准大气压。经验证，当Ｌ／Ｈ超??过４时，可以获得足够的精度，出于计算准确性和效率的考虑，本文取Ｌ／Ｈ?＝?５，此时在??人工边界，正负空间电荷密度很小，对合成场强的影响可以忽略。??／?ｒ：Ｖ?＂?：：－７?＼??／?－８００ｋＶ?／＋８００ｋＶ?＼??Ｉ一Ｊ??／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／??Ｂ２??图３－１?±８００?ｋＶ直流输电线路计算模型??３．５网格的划分??使用有限元法求解非线性问题是，首先需要对求解区域离散化，即利用网格剖分将求??解域划分成有限个小单元。ＣＯＭＳＯＬ中自带网格剖分模块，网格剖分方式主要有两种：一??－１４－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]低气压对直流正极性导线地面合成电场特性影响的实验研究[J]. 赵录兴,崔翔,李学宝,谢莉. 电网技术. 2018(11)
[2]光滑导线直流起晕电压判别方法对比分析[J]. 李学宝,王东来,张静岚,崔翔,卢铁兵. 高电压技术. 2019(06)
[3]考虑风速和导线高度影响的高压直流输电线下离子流场计算[J]. 许松枝,汪沨,李敏,邓晓,谢望君,陈晓林. 电力系统及其自动化学报. 2016(12)
[4]±800kV/±500kV混压双回直流线路的电磁环境分析及改善研究[J]. 李凌燕,杜志叶,阮江军,陈媛,李健,黄国栋. 高压电器. 2016(09)
[5]高精度上流有限元法在特高压直流输电线路离子流场计算中的应用[J]. 汪沨,范竞敏,李敏,梁艺丹,彭继文,吕建红. 高电压技术. 2016(04)
[6]特高压直流输电线路合成电场强度对人体影响分析[J]. 马爱清,陈吉,徐东捷. 广东电力. 2016(01)
[7]以通量线法为初值的直流线路离子流场计算优化[J]. 莫江华,张波,尹晗. 电网技术. 2015(06)
[8]同走廊高压交、直流输电线路混合电场分析[J]. 赵永生,张文亮. 高电压技术. 2014(03)
[9]高压直流输电线路离子流场计算方法研究进展[J]. 崔翔,周象贤,卢铁兵. 中国电机工程学报. 2012(36)
[10]±800kV直流输电线路对邻近树木影响的研究[J]. 薛辰东,陆家榆,郭剑,杨勇. 电网技术. 2012(05)
博士论文
[1]直流输电线路电晕放电的微观物理过程及离子流场分析[D]. 伍飞飞.重庆大学 2014
[2]高压直流输电线路离子流场的高效数值方法及其应用的研究[D]. 甄永赞.华北电力大学 2012
硕士论文
[1]特高压交流输电线路的电磁环境研究[D]. 王瑜.东南大学 2016
[2]高压直流输电线路邻近物体时离子流和合成电场分布的研究[D]. 王小波.华北电力大学 2014
[3]特高压直流输电线路下离子流场的仿真计算研究[D]. 邹岸新.重庆大学 2012
[4]直流导线电晕起晕电压的影响因素及计算方法研究[D]. 欧阳科文.华北电力大学 2012
[5]高压直流输电线路离子流场计算及其工程应用[D]. 冯晗.华北电力大学（河北） 2007
本文编号：3247475
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianlidianqilunwen/3247475.html
