MATH MODELING OF ELECTRIC FIELD STRENGTH DEPENDENCE ON AIR LINE WIRES FROM SPLIT PARAMETERS

Abstract


In this paper, based on the finite element method, a two-dimensional mathematical model of the electric field of wires of an air high-voltage transmission line was developed. On the basis of the proposed model, electric field distribution patterns were obtained, the electric field strength around the phase was studied during the laying of an overhead transmission line of 500 kV, and the dependence of the strength value on the phase splitting diameter and the number of wires for a fixed phase section was obtained. The two-dimensional problem of the electrostatic field, based on the differential Poisson equation, was solved. The study considered a single phase, split into three, four and five conductors. To evaluate the effect of the splitting diameter on the electric field strength, we considered a phase split into 5 wires. The cross-section and the number of wires in the phase were fixed, the distance between the conductors in the splitting varied. The calculation was carried out for distances between conductors equal to 460, 565 and 770 mm. The dependence of the electric field strength of the wires on their cross section and the amount in the splitting was for the total fixed cross sections of the phase. The cross-sectional areas of the phase were equal to 1000, 2000 and 3000 mm2. These cross sections were made up of standard wire sizes. A percentage evaluation of the influence of the considered splitting parameters on the indices of the electric field strength was made. Graphical dependences of the intensity on different splitting parameters are presented. Numerical analysis was performed using the finite element method in the software environment of Ansoft Maxwell.

Full Text

На сегодняшний день вопросам моделирования электрических полей проводников посвящено достаточно большое количество работ. Моделирование заряда методом кусочно-линейной функции применяется для анализа электрического поля на фазных проводниках и проводах заземления при воздействии тока молнии [1]. Рассматриваются различные факторы (рабочее напряжение, пиковый ток, и т.д.), влияющие на электрическое поле. Математическая модель электрического поля высоковольтной линии электропередачи приводится в работе [2-5]. Модель применима как для нормального режима работы линии, так и для случая обрыва фазового проводника. Расчетные данные сравниваются с фактическими измерениями на линии электропередачи на 400 кВ. В исследовании [6] проводится решение двумерной задачи определения напряженности электростатического поля линии электропередачи напряжением 35 кВ. Результаты численного исследования сравнивались с фактическими замерами напряженности. В работе [7-9] рассмотрены численные методы расчета электрического поля установок высокого напряжения. Проведены их анализ и сравнение. Численные методы расчета потенциала электрического поля рассматриваются в [10]. Задача решается двумя способами, результаты которых затем сравниваются. Эти способы основаны на функциях, реализованных в программе MathCAD. Задача расчета электрического поля линии электропередач со сближенными фазами рассматривается в исследовании [11]. Потенциал проводов определяется системой уравнений для напряжения с учетом их сдвига. Получены картины распределения электрического поля проводов в многопроводной линии при различных углах сдвига фаз. В источниках [12-14] приведена разработка методики построения распределения напряженности электрического поля вдоль высоковольтных линий электропередачи с одновременным учетом рельефа местности, температуры окружающей среды и погодных условий. Решение по представленной методике предлагается производить с помощью метода конечных элементов в программном пакете Ansys. Работа [15-18] посвящена анализу воздействия использования электромагнитной энергии на человека и окружающую среду. Приводится пример расчета потенциала и напряженности электрического поля высоковольтной воздушной линии. Рассчитанные данные позволят спрогнозировать значения напряженности электрического поля линий высокого напряжения и влияние этого поля на электрооборудование и живые существа. В рассмотренных литературных источниках не проводились исследования зависимости напряженности электрического поля проводов ЛЭП от параметров расщепления. Объектом исследования являлись провода типа АС [19] , расположенные на опоре ВЛ 500 кВ (рис. 1), как в работе [20]. Предметом исследования является электрическое поле фазы воздушной линии. Цель работы - исследование зависимости напряженности электрического поля от различных параметров. Для исследования зависимости напряженности электрического поля ВЛ от параметров расщепления решалось дифференциальное уравнение Пуассона в двухмерной постановке аналогично работе [20]. Рис. 1. Схематичное изображение области исследования При решении задачи были сделаны следующие допущения: 1) электрические и физические свойства материалов постоянны; 2) рассматривается неравномерность поверхности последнего повива провода; 3) исследуется одна фаза ВЛ; 4) не учитывается влияние опоры и оснастки ВЛ. Принимались следующие условия однозначности: на поверхности проводов задавалась величина потенциала 500 кВ, на поверхности земли задавался нулевой потенциал, на границе области исследования в бесконечном удалении задавался нулевой потенциал Для оценки влияния диаметра расщепления на напряженность электрического поля была рассмотрена одна фаза, расщепленная на 5 проводов АС 400(54). Число и сечение проводов оставались постоянными, изменялось расстояние между ними. Результаты расчетов представлены на рис. 2. Как видно из результатов (см. рис. 2), напряженность с изменением диаметра распорки меняется незначительно. С увеличением диаметра от 460 до 565 мм напряженность изменилась на 0,6 %, а с увеличением диаметра от 460 до 770 мм напряженность снизилась на 1,2 %. Следовательно, изменять напряженность варьированием диаметра распорки нецелесообразно. Рис. 2. Зависимость напряженности электрического поля от диаметра расщепления Далее рассмотрим зависимость напряженности электрического поля от числа проводов при фиксированных сечениях фазы (таблица). Наборы исследуемых проводов и напряженность электрического поля в зависимости от сечения фазы Сечение, мм2 Тип провода Набор проводов Eмах, кВ/м 1000 АС 330(43) 3´330 36,88 АС 240(32) 4´240 33,5 АС 200(11) 5´200 32,39 2000 АС 650(79) 3´650 28,64 АС 500(64) 4´500 26,36 АС 400(51) 5´400 23,84 3000 АС 1000(43) 3´1000 24,26 АС 750(51) 4´750 22,57 АС 600(72) 5´600 20,16 Для этого рассмотрим площади фазы 1000, 2000 и 3000 мм2. Данные сечения составлены из стандартных размеров проводов. Были рассчитаны значения максимальной напряженности для рассматриваемого набора проводов, формирующего определенное сечение фазы (см. таблицу). По полученным результатам (рис. 3, б) можно увидеть, что изменение сечения проводника значительно влияет на напряженность. Если сравнить сечение 1000 и 2000 мм2, то величина напряженности уменьшилась в среднем на 22 %, а при увеличении сечения с 1000 до 3000 мм2 напряженность упала на 35 %. Следовательно, наибольший эффект снижения напряженности дает увеличение площади сечения проводов фазы с 1000 до 2000 мм2. В случае разбиения фазы фиксированного сечения на 3, 4 и 5 проводов (рис. 3, а), напряженность уменьшилась на 8 % при увеличении числа проводов с 3 до 4, при изменении количества проводов в фазе с 3 до 5 напряженность снизилась на 15 %. S = 1000 мм2 S = 2000 мм2 S = 3000 мм2 а б Рис. 3. Зависимость напряженности электрического поля от: количества проводов (а), сечения фазы (б) Выводы: 1. Изменение диаметра распорки расщепления в целях снижения напряженности неэффективно. 2. Изменение напряженности от числа проводов расщепления носит линейный характер. При увеличении числа проводов в расщеплении на 1 шт. напряженность снижается в среднем на 8 %. 3. Зависимость напряженности от площади сечения проводов в фазе носит нелинейный характер. Наибольший эффект снижения напряженности дает увеличение площади сечения проводов фазы с 1000 до 2000 мм2.

About the authors

N. M Trufanova

Perm National Research Polytechnic University

K. V Borodulina

Perm National Research Polytechnic University

I. Ya Djatlov

Perm National Research Polytechnic University

References

  1. Calculation of surface electric field on UHV transmission lines under lightning stroke / Zhanqing Yu, Qian Li, Rong Zeng, Jinliang He, Yong Zhang, Zhizhao Li Chijie Zhuang, Yongli Liao // Electric Power Systems Research. - 2013. - № 94. - P. 79-85.
  2. Nermin Suljanović, Aljo Mujčić, Matej Zajc. Communication Characteristics of Faulted Overhead High Voltage Power Lines at Low Radio Frequencies // Energies. - 2017. - № 10. - P. 1-24.
  3. Ramūnas Deltuva, Robertas Lukočius. Electric and magnetic field of different transpositions of overhead power line // Archives of electrical engineering. - 2017. - № 3. - P. 595-605.
  4. Байдин Г.В., Куропатенко В.Ф., Лупанов И.В. Математическое моделирование электрических полей в электрофизических установках // Вестник ЮУГУ. Сер. Математическое моделирование и программирование. - 2013. - Т. 6, № 3. - С. 18-25.
  5. Быковская Л.В., Чурикова Е.В. Моделирование электрического и магнитного полей воздушной линии электропередачи // Вестник Кузбас. гос. техн. ун-та. - 2016. - № 5. - С. 80-85.
  6. Grbić Maja, Pavlović Aleksandar, Vulević Branislav. Interlaboratory comparison of measuring and calculation results of electric field strength near 35 kV overhead power line // Zbornik Radova: Elektrotehnički Institut "Nikola Tesla". - 2013. - № 23. - P. 165-176.
  7. Шевченко С.Ю., Окунь А.А. Анализ методов расчета электрических полей установок высоких напряжений // Электротехника и электромеханика. - 2010. - № 4. - С. 59-62.
  8. Макенова Н.А. Моделирование электрического поля стержневого заземлителя // Известия Томск. политехн. ун-та. - 2009. - Т. 314, № 4. - С. 84-88.
  9. Математическое моделирование и численное исследование электрических полей в системах с протяженными электродами / А.М. Болотов, Н.П. Глазов, В.Д. Киселев, В.З. Хисаметдинов // Вестник Башкир. ун-та. - 2006. - № 2. - С. 17-21.
  10. Красная Е.Г. Расчет распределения потенциала в межэлектродном пространстве электрогидродинамических устройств численными методами // Известия Пензен. гос. пед. ун-та им. В.Г. Белинского. - 2011. - № 26. - С. 550-555.
  11. Расчет электрического поля и параметров линии управляемых самокомпенсирующихся высоковольтных линий 110 кВ методом конечных объмов / В.И. Пацук, В.П. Берзан, Г.М. Рыбакова, В.К. Анисимов // Problemele Energeticii Regionale. - 2013. - № 23. - С. 32-39.
  12. Сидоров А. И, Таваров С. Ш. Построение карты напряженности электрического поля с учетом рельефа местности и температуры воздуха // Вестник Южно-Урал. гос. ун-та. Сер. Энергетика. - 2013. - Т. 13, № 1. - С. 52-55.
  13. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Лэ Ван Тхао. Моделирование электромагнитной обстановки на трассах многофазных линий электропередачи // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2016. - № 4(52). - С. 209-218.
  14. Струман В.И. Картографирование электромагнитных полей промышленного диапазона частот в городе Петрозаводске // Принципы экологии. - 2017. - № 4. - С. 73-81.
  15. Сивяков Б.К., Аврясова О.С. Математическое моделирование электромагнитного поля электроустановок // Вестник Саратов. гос. техн. ун-та. - 2010. - №. 4. - С. 74-76.
  16. Музаев И.А., Музаева Л.В. Экологический мониторинг электромагнитного загрязнения территорий г. Каспийска в зоне линий электропередач // Известия Дагестан. гос. пед. ун-та. Сер. Естественные и точные науки. - 2016. - Т. 10, № 3. - С. 73-78.
  17. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Определение электромагнитных полей, создаваемых воздушными линиями электропередачи // Вестник ИрГТУ. - 2016. - № 1. - С. 75-84.
  18. Бакулевский В.А. Исследование влияния климатических факторов на потери электроэнергии в воздушных линиях электропередачи // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2016. -№ 5. - С. 23-29.
  19. ГОСТ 839-80. Провода неизолированные для воздушных линий электропередачи // Доступ из справ.-правовой системы КонсультантПлюс.
  20. Труфанова Н.М., Бородулина К.В., Дятлов И.Я. Исследование напряженности электрического поля проводов воздушной линии 500 кВ // Электротехника. - 2017. - № 11. - С. 11-13.

Statistics

Views

Abstract - 20

PDF (Russian) - 10

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2022 PNRPU Bulletin. Electrotechnics, Informational Technologies, Control Systems

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies