特高压输电新型碳纤维导线的电磁特性

刘洪正

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003）

0 引言

随着我国经济水平飞速发展，城市规模和现代化程度日益提高，用电负荷也与日俱增。针对该电力传输问题，越来越多的学者开始探索采用新型输电导线代替传统钢芯铝绞线［1］，钢芯铝绞线导线结构如图1所示。

图1 钢芯铝绞线导线结构

碳纤维复合芯导线因其强度高、密度低、导电性能好等优点逐渐被关注和使用。自20世纪90年代，日本和美国相继开发生产了碳纤维导线并尝试商业运营，我国从2005年开始相关领域的研究工作并不断在实际工程中应用［2］，但其在特高压输电线路中还未被推广。针对传统碳纤维导线抗剪切力性能差以及金具工艺复杂等问题［3］，设计研发了一种采用铝包覆技术生产的新型碳纤维复合芯导线，以提高碳纤维径向耐压性能，进一步提升新型导线的实际应用能力［4］。

基于上述研究现状，针对型号分别为JLRX1／F2A-800／70 和 JLRX1／F2A-400／40 的新型碳纤维复合芯导线，建立二维物理模型，采用ANSYS MAXWELL软件对该导线在特高压输电条件下的电场强度、磁感应强度与可听噪声等特性开展数值模拟计算研究，验证其是否满足相关的国家标准要求。同时，为探究新型导线的优势，建立了型号为JL／G1A-400／50 和 JL／G1A-800／65 钢芯铝绞线的计算模型，并进行对比分析，为新型碳纤维复合芯导线在特高压领域中的推广和应用提供参考。

1 导线模型的数值计算

1.1 各类导线结构及参数

新型碳纤维复合芯导线结构如图2所示，由内而外依次为碳纤维复合芯棒、铝包覆结构以及采用梯形截面的软铝绞线层。

根据新型碳纤维复合芯导线和钢芯铝绞线的结构以及国家标准中相关尺寸等参数［5-6］，假设导线为无限长导线，建立二维单根导线计算模型，导线具体参数如表1和表2所示。

图2 新型碳纤维复合芯导线结构

表1 新型碳纤维复合芯导线参数 mm

表2 钢芯铝绞线参数 mm

1.2 模型建立与设置

基于上述参数建立单根导线的物理模型，JLRX1 ／F2A-800 ／70，JLRX1／F2A-400／40，JL／G1A-800／65与 JL／G1A-400／50共 4种型号的导线模型如图3所示。其中，新型碳纤维导线采用型线形式，整体结构自内至外依次为碳纤维复合芯棒、铝包覆结构以及两层铝绞线；钢芯铝绞线的结构由内至外依次分别为由7根单线组成的钢芯以及多层铝绞线。

图3 不同型号导线模型

因导线的实际周围环境为开放性区域，为避免计算域选取而产生数值仿真的截断误差，建立以导线为中心、半径为60 m的半圆计算域，底部边界代表地面。通过上述设置形成所用的二维计算模型，其模型如图4所示。

图4 计算模型

在计算过程中，为考虑1 000 kV特高压输电电网运行中的情况，采用相电压的有效值作为激励条件施加在导线上，其数值为816.496 kV。同时，将半圆计算域下边界和圆弧边界的电势均设置为0 kV。

采用ANSYS MAXWELL软件对上述二维模型进行相关参数设置，并将导线的材料设置为铝合金，计算域的材料选择为空气，具体材料的物理参数如表3所示。

通过以上操作和设置开展相关数值模拟，计算结束后读取数据并对比分析不同模型的结果。

表3 各部分材料的物理参数 S·m－1

2 新型碳纤维导线与钢芯铝绞线特性的对比分析

为验证新型碳纤维导线在特高压条件下电磁及可听噪声特性能否满足相关要求，除按国家相关电磁环境标准［7］的数据判断外，进一步与相应钢芯铝绞线的计算结果进行对比分析。

2.1 JLRX1／F2A-800／70 导线与 JL／G1A-800／65导线的结果分析

2.1.1 电场强度分析

选取两种导线计算域内电场强度的云图结果，观察其分布特点，并根据DL／T 1187—2012《中华人民共和国电力行业标准》（以下简称标准）中关于1 000 kV架空输电线路电磁环境控制值的标准，将电场强度分布图的标尺上限选择为10 kV／m，结果如图5和图6所示。

图5 JLRX1／F2A-800／70导线电场强度分布云图

图6 JL／G1A-800／65导线电场强度分布云图

从分布云图中可以看出，两种导线的结果相似，环境中的电场强度自导线逐渐向四周扩散，数值逐渐降低，且呈现出近似左右对称的分布状态。而在远离导线的空间位置上，两者电场强度低于电磁环境控制值的标准，说明新型碳纤维导线与传统钢芯铝绞线的电学性能相差不多。为进一步观察电场强度的变化，选取两个计算模型中心轴线（x=0）上不同高度处的数值绘制曲线图，结果如图7所示。

曲线中横坐标为高度方向的距离（y轴方向），纵坐标为电场强度E。通过对比曲线图可知，两种导线沿y轴方向的电场强度呈现先增大后减小的变化规律，新型碳纤维复合芯导线的最大值约为1.77×103kV／m，而钢芯铝绞线的最大值约为1.80×103kV／m，且均出现在导线表面附近，说明新型导线的电场强度略小于传统导线，具有较好的电学性能。

图7 两种导线电场强度沿y轴方向分布

同时，根据标准中关于电磁环境的要求，计算两种导线距离地面高度为1.5 m处的电场强度大小，型号为JLRX1／F2A-800／70的新型碳纤维导线计算值约为5.347 kV／m，其数值小于标准，而型号为JL／G1A-800／65的钢芯铝绞线计算值约为5.429 kV／m，表明在此相同位置上，传统导线的电场强度略高于新型碳纤维导线，体现了新型导线不仅能够满足国家标准的要求，而且相较于同尺寸的钢芯铝绞线，在一定程度上其电学性能更优越。

2.1.2 磁感应强度分析

除电场特性外，磁场特性也是导线的重要参数指标，故基于上述计算模型，使用ANSYS MAXWELL软件的磁场求解器，对导线激发的磁场环境进行数值模拟计算。在磁场计算过程中，由于激励条件为电流，故选择80℃下导线的载流量作为激励条件，具体数值如表4所示。同时，计算域的边界条件调整为无漏磁条件。

计算后查看计算域内磁感应强度的分布情况，并根据标准中关于1 000 kV架空输电线路电磁环境控制值的规定，磁感应强度分布云图的标尺上限选择为100 μT，结果如图8和图9所示。

表4 80℃下不同导线的载流量 A

图8 JLRX1／F2A-800／70导线磁感应强度分布云图

图9 JL／G1A-800／65导线磁感应强度分布云图

从磁感应强度分布中可以看出，两种环境中的磁感应强度均是自导线逐渐向四周扩散，数值逐渐降低，且呈现出近似左右对称的分布状态，说明新型碳纤维导线在磁场特性上与钢芯铝绞线相差不多。根据标准中对于电磁环境的要求，新型碳纤维导线模型中距离地面高度1.5 m处的磁感应强度约为11.338 μT，小于 100 μT 的控制值，而在远离导线的空间位置上，磁感应强度均低于电磁环境控制值的标准，说明新型碳纤维导线能够满足标准的相关要求。

2.1.3 可听噪声分析

输电线路导线表面的电晕现象会产生可听噪声，随着电压等级的升高，可听噪声已经成为设计高压输电线路的重要参数。目前，各国对输电线路产生可听噪声的限制尚无明确标准，我国GB 3096—2008《城市区域环境噪声标准》中环境噪声规定如表5所示。

表5 城市区域环境噪声分类标准 dB

由于我国特高压输电线路建设的路径主要是荒山、林地或农业耕作地区等非居住环境地区，参考我国环境噪声的限制标准，则特高压交流输电线路的可听噪声不宜超过55 dB。

目前，可听噪声可以利用经验公式进行计算，其中较有代表性的是美国邦纳维尔电力局（BPA）总结的公式，该预测公式根据实际试验线段上的长期实测数据推导得出，其计算公式为［8］

式中：S为A计权声级，dB；Z为相数；E为导线的表面电位梯度，kV／cm；Ri为测点至被测i相导的距离，m；deq为导线等效直径，mm。计算公式为

式中：n为导线分裂数；d为子导线直径，mm。

根据上述原理及公式计算得到新型碳纤维导线和钢芯铝绞线在该工况下不同位置处可听噪声的结果，如表6所示。

由理论计算的结果可知，新型碳纤维导线的可听噪声低于55 dB，满足国家标准，且小于钢芯铝绞线的可听噪声结果。结合与钢芯铝绞线电磁性能的对比结果，说明JLRX1／F2A-800／70新型碳纤维导线不仅能满足电磁环境及可听噪声的国家标准，其周围环境的电场强度和可听噪声性能均优于钢芯铝绞线，是传统导线良好的替代品。

表6 两种导线不同位置可听噪声计算结果

2.2 JLRX1／F2A-400／40 导线与 JL／G1A-400／50导线的结果分析

2.2.1 电场强度分析

在计算过程中，激励条件与2.1节中相同。同时，将半圆计算域下边界和圆弧边界的电势均设置为0 kV。通过分析该型号导线的计算结果可知，其分布特征与2.1节相似，两种导线环境中的电场强度分布均是自导线逐渐向四周扩散，数值逐渐降低，且呈现出近似左右对称的分布状态，其最大值均约为1.71×103kV／m，出现在导线表面附近。而在导线正下方靠近地面处以及远离导线的空间位置上，电场强度低于电磁环境控制值的标准。进一步根据标准中对于电磁环境的要求，计算距离地面高度为1.5 m处的电场强度大小，型号为JLRX1／F2A-400／40的新型碳纤维导线电场强度约为5.116 kV／m，数值小于标准要求，而型号为JL／G1A-400／50的钢芯铝绞线电场强度约为5.201 kV／m，说明在相同位置上，传统导线的电场强度略高一些，体现出采用型线结构的该型号新型碳纤维导线不仅能够很好地满足标准，而且优于同尺寸的钢芯铝绞线。

2.2.2 磁感应强度分析

计算方法同2.1中相关计算，采用电流作为激励条件进行磁场的数值模拟，对比分析两种导线的计算结果可知，截面积较小的两种导线激发的磁感应强度均是自导线表面逐渐向四周扩散，数值逐渐降低，且呈现出近似左右对称的分布状态，说明该型号的新型碳纤维导线在磁场特性上与钢芯铝绞线相差不多。同时，新型碳纤维导线模型中距离地面高度1.5 m处的磁感应强度约为7.009 μT，该数值小于控制值，而在远离导线的空间位置上，磁感应强度均低于电磁环境控制值，充分说明新型碳纤维导线能够满足标准的相关要求。

2.2.3 可听噪声分析

根据上述关于可听噪声的原理及公式，计算得到 JLRX1／F2A-400／40 新型碳纤维导线和 JL／G1A-400／50导线在该工况下可听噪声的结果，如表7所示。

表7 两种导线不同位置可听噪声计算结果

由计算结果可知，JLRX1／F2A-400／40 新型碳纤维导线的可听噪声低于55 dB，满足相关的国家标准。

综上，根据上述对于新型碳纤维复合芯导线和钢芯铝绞线电磁性能以及可听噪声等方面的研究结果，对比分析可知，新型碳纤维导线在电磁等特性上与传统钢芯铝绞线相差不多。同时，在可听噪声方面优于传统产品，说明新型碳纤维导线不仅满足相关的国家标准，还具有较好的电场性能与可听噪声特性，具有较高的适用性。

3 结语

针对不同型号的新型碳纤维导线建立二维计算模型，基于有限元方法进行数值模拟研究，探究新型碳纤维复合芯导线在特高压输电领域中的电磁以及可听噪声等特性，并在此基础上与钢芯铝绞线进行对比分析。

型号为 JLRX1／F2A-800／70 与 JLRX1／F2A-400／40的新型碳纤维复合芯导线符合相关电磁环境以及可听噪声的国家标准。

在特高压输电线路中，新型碳纤维导线与钢芯铝绞线的电磁特性相差不大，而前者很大程度上因铝绞线采用型线排列方式，使其在电场强度特性上具有一定的优势，说明新型碳纤维导线可以成为传统导线良好的替代产品。

关于单根导线的数值模拟计算结果，不仅验证了产品的适用性，同时将对后续新型碳纤维导线应用于分裂式导线布置提供研究基础。