一种计算雾霾条件下高压直流输电线路电晕离子流场的方法技术

本发明专利技术提出一种计算雾霾条件下高压直流输电线路电晕离子流场的方法，包括应用优化模拟电荷法计算得到标称电场强度；应用通量线法计算得到不考虑雾霾时输电线路的合成场强和电荷密度；计算悬浮雾滴和霾颗粒的荷电量，得到总的电荷密度；计算出考虑雾霾条件下的导线表面电荷密度和A值；根据通量线法计算出总的合成场强和离子流密度。该方法可以很快地计算出雾霾天气下高压直流输电线路的离子流场中相关参数，如合成场强，离子流密度，空间电荷密度等，简便易行，同时精度也能满足工程要求，计算结果为高压直流输电线路在规划设计中考虑雾霾影响因素时的电晕效应提供参考依据。

【技术实现步骤摘要】
一种计算雾霾条件下高压直流输电线路电晕离子流场的方法
本专利技术属于电气工程输电线路电磁环境计算领域，具体涉及一种计算雾霾条件下高压直流输电线路电晕离子流场的方法。
技术介绍
高压直流输电在我国输电工程中已得到了广泛应用，其电晕损失，无线电干扰，地面合成场及离子流密度等因素需要在建设中加以考虑和控制，国内对该方面也做了大量研究，并取得了丰硕的成果。然而，近年来由于雾霾天气多发，新的复杂天气状况给直流输电工程带来了新的挑战，雾霾天气下，空气中存在大量的悬浮雾滴和悬浮颗粒物，由于输电线路周围的空间内充满了带电离子，雾霾中的悬浮颗粒会吸附带电离子，形成新的带电微粒，因数量大而不能忽略，这使离子流场的计算更加复杂。在离子流场的计算中，通常采用有限元法或通量线法，有限元法能较好地实现单极和双极直流离子流场的计算，但计算效率不高，尤其在模型网格复杂的情况下，计算速度较慢；通量线法以Deutsch假设为前提，求解方程简单，速度快，无需网格剖分，计算结果与实际测量结果较为接近，满足一定的精度需求，本专利技术采用通量线法来计算合成场强和离子流，能满足工程需求。
技术实现思路
一种计算雾霾条件下高压直流输电线路电晕离子流场的方法，具体步骤如下：步骤一：应用优化模拟电荷法计算得到标称电场强度E；步骤二：应用通量线法计算得到不考虑雾霾时高压直流输电线路的合成场强和电荷密度；步骤三：计算悬浮雾滴和霾颗粒的荷电量，得到总的电荷密度；步骤四：计算出考虑雾霾条件下的导线表面电荷密度和电场强度幅值A值；步骤五：根据通量线法计算出总的合成场强和离子流密度。进一步，在步骤二中，(a)对于空间任意一点P(x,y),首先应用优化模拟电荷法计算经过该点的电场线，以确定P(x,y)的相对位置，如果位于正极导线和大地之间，则取正极导线的各参数进行计算，反之，取负极导线各参数；(b)电晕后导线表面场强保持在起晕场强值，当导线对地电压为U，导线起晕电压为U0，则导线表面的A值Ai为：Ai＝U0/U(5)由于场强跟电压成正比，Ai还可记为：Eonr为等效导线的起晕场强，为各子导线最大表面场强的平均值；利用式(5)和(6)分别计算出Ai和U0；代入式(10)计算出ρm；(c)在导线表面选两个ρi的初始值，ρi1＝f1ρm(11)ρi2＝f2ρm(12)如果是正极导线，f1取2，f2取3；如果是负极导线，f1取1.5，f2取3；(d)根据式(8)算出分别对应于ρi1和ρi2的电荷密度值ρ1和ρ2，然后代入式(9),求得对应的ρm1和ρm2，则进一步的ρi的初始值按下式计算，ρi3＝ρi2+(ρm-ρm2)g(ρi2-ρi1)/(ρm2-ρm1)(13)；(e)将ρi3代入式(8),求得电荷密度ρ3，将ρ3代入式(9),得到对应于ρi3的平均电荷密度ρm3，ρi3是否是ρi的真实值可用下式判断:如果上式成立，则认为ρi3是ρi的真实值，否则令ρi1＝ρi2，ρi2＝ρi3，并重复步骤(c)和(d),直到式(14)成立；(f)求得ρi的真实值后，根据式(7)算出A，将A代入式(4)得到不考虑雾霾时的合成场强Es，Es＝AE(4)式中Ai是极导线表面的A值，ρi为极导线表面的电荷密度，ρm为通过空间任意点的电力线上的平均电荷密度，E为标称场强，Es为考虑雾霾的合成电场强度。进一步，在步骤三中，将不考虑雾霾时的合成场强Es代入下面公式(15)，即可得到悬浮雾滴和霾颗粒的饱和荷电量qs，qs＝12πε0Esr02εr/(εr+2)(15)考虑雾霾的总电荷体密度为：ρ＝ρe+ρf+ρp＝ρe+(Nf+Np)·qs(16)ρf为悬浮雾滴的电荷密度，ρp为悬浮霾颗粒的空间电荷密度，ρe为离子空间电荷密度。进一步，在步骤四中，在考虑雾霾的总电荷体密度ρ已知的情况下，可得导线表面电荷密度ρi的计算公式：若所求点位于正极性导线区域，ρi按式(17)计算，反之,ρi按式(18)计算；得到导线表面电荷密度ρi后，代入式(7)得到雾霾条件下的A值。进一步，在步骤五中：将步骤四求得的A值代入式(4)和(3)，即可求得合成场强和离子流密度，J＝KhρeEs(3)式中，Kh为雾霾天气中的离子迁移率，J为离子流密度。附图说明图1为本专利技术计算雾霾条件下高压直流输电线路电晕离子流场的方法流程图；图2为本专利技术实施例的不同雾霾状况下的地面合成电场分布；图3为本专利技术实施例的不同雾霾状况下的地面离子流密度分布；图4为现有技术文献中线路地面合成场强的测量值与根据本专利技术的方法计算的该线路地面合成场强对比图；图5为现有技术文献中线路地面离子流密度的测量值与根据本专利技术的方法计算的该线路地面离子流密度的对比图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。本专利技术提出一种计算雾霾天气下合成电场强度和离子流密度的方法，其理论基础是，考虑雾霾微粒的高压直流输电线路离子流场的计算方程如下所示：J＝KhρeEs(3)式中，Es为考虑雾霾的合成电场强度，单位为V/m；ρe为离子空间电荷密度，单位为C/m3；ρf为悬浮雾滴的电荷密度，单位为C/m3；ρp为悬浮霾颗粒的空间电荷密度，单位为C/m3；Kh为雾霾天气中的离子迁移率，单位为m2/Vs；J为离子流密度，单位为A/m2。描述有空间电荷的合成场方程是非线性的，为方便求解，常作如下假设：(1)空间电荷只影响电场强度幅值，而不影响其方向，及Deutsch假设：Es＝AE(4)式中A为标量函数；(2)电晕后导线表面场强保持在起晕场强值，当导线对地电压为U，导线起晕电压为U0，则导线表面的A值Ai为：Ai＝U0/U(5)由于场强跟电压成正比，Ai还可记为：Eonr为等效导线的起晕场强，为各子导线最大表面场强的平均值。(3)离子迁移率与场强无关，为常数；(4)电晕层的厚度忽略不计；(5)不考虑离子的扩散作用。基于以上理论和假设，可知，雾霾条件下因悬浮雾滴和霾颗粒电场荷电而增加的空间电荷导致了合成场强的变化，因此在计算过程中，首先根据通量线法求出不考虑雾霾时的空间电荷密度，之后再加上悬浮雾滴和霾颗粒的荷电量，即为总的空间电荷密度，由此可算出考虑雾霾的合成场强。具体步骤如下：(1)应用优化模拟电荷法计算得到标称电场强度；(2)应用通量线法计算得到不考虑雾霾时输电线路的合成场强和电荷密度；(3)计算悬浮雾滴和霾颗粒的荷电量，得到总的电荷密度；(4)计算出考虑雾霾条件下的导线表面电荷密度和A值；(5)根据通量线法计算出总的合成场强和离子流密度。本算法在传统的通量线法计算合成场强的计算过程中，在通过迭代计算得到好天气下的空间电荷密度后，加入了悬浮雾滴和霾颗粒等荷电微粒的电荷量，从而得到了新的空间电荷密度，再由之前的计算电荷密度公式反推得到导线表面电荷密度公式，从而计算得到考虑雾霾影响下的离子流场相关参数。图1示出了本专利技术计算雾霾条件下高压直流输电线路电晕离子流场的方法流程图，具体步骤如下：(1)应用优化模拟电荷法计算得到标称电场强度。(2)应用通量线法计算得到不考虑雾霾时输电线路的合成场强和电荷密度；通量线法求合成场的计算公式有：式中Ai是极导线表面的A值，ρi为极导线表面的电荷密度。ρm为通过空间任意点的电力线上的平均电荷密度，E为标称场强，根据通量线法计算合成场本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计算雾霾条件下高压直流输电线路电晕离子流场的方法，具体步骤如下：步骤一：应用优化模拟电荷法计算得到标称电场强度E；步骤二：应用通量线法计算得到不考虑雾霾时高压直流输电线路的合成场强和电荷密度；步骤三：计算悬浮雾滴和霾颗粒的荷电量，得到总的电荷密度；步骤四：计算出考虑雾霾条件下的导线表面电荷密度和电场强度幅值A值；步骤五：根据通量线法计算出总的合成场强和离子流密度。

【技术特征摘要】
1.一种计算雾霾条件下高压直流输电线路电晕离子流场的方法，具体步骤如下：步骤一：应用优化模拟电荷法计算得到标称电场强度E；步骤二：应用通量线法计算得到不考虑雾霾时高压直流输电线路的合成场强和电荷密度；步骤三：计算悬浮雾滴和霾颗粒的荷电量，得到总的电荷密度；步骤四：计算出考虑雾霾条件下的导线表面电荷密度和电场强度幅值A值；步骤五：根据通量线法计算出总的合成场强和离子流密度。2.根据权利要求1所述的一种计算雾霾条件下高压直流输电线路电晕离子流场的方法，所述步骤二包括：(a)对于空间任意一点P(x,y),首先应用优化模拟电荷法计算经过该点的电场线，以确定P(x,y)的相对位置，如果位于正极导线和大地之间，则取正极导线的各参数进行计算，反之，取负极导线各参数；(b)电晕后导线表面场强保持在起晕场强值，当导线对地电压为U，导线起晕电压为U0，则导线表面的A值Ai为：Ai＝U0/U(5)由于场强跟电压成正比，Ai还可记为：Eonr为等效导线的起晕场强，为各子导线最大表面场强的平均值；利用式(5)和(6)分别计算出Ai和U0；代入式(10)计算出ρm；(c)在导线表面选两个ρi的初始值，ρi1＝f1ρm(11)ρi2＝f2ρm(12)如果是正极导线，f1取2，f2取3；如果是负极导线，f1取1.5，f2取3；(d)根据式(8)算出分别对应于ρi1和ρi2的电荷密度值ρ1和ρ2，然后代入式(9),求得对应的ρm1和ρm2，则进一步的ρi的初始值按下式计算，ρi3＝ρi2+(ρm-ρm2)g(ρi2-ρi1)/(ρm2-ρm1)(13)；(e)将ρi3代入式(8),求得电荷密度ρ3，将ρ3代入式(9),得...

【专利技术属性】
技术研发人员：王慧娟，罗兆楠，
申请(专利权)人：华北电力大学保定，
类型：发明
国别省市：河北,13