一种输电线路感应电场模型分析方法及系统与流程

本发明涉及电力电子，具体涉及一种输电线路感应电场模型分析方法及系统。

背景技术：

1、在社会快速发展的背景下，人们对能源的需求也不断增加。输电在电力系统中起着至关重要的作用。它是电力系统的核心部分，负责将发电厂产生的电能高效、安全地输送到各个用电地点。输电线路是电力系统的“动脉”，它将发电厂产生的电能通过电缆传输到各个用电地点。没有输电，电能就无法从发电厂传输到用户，电力系统就无法正常运行。输电线路可以有效地调节电力系统的电压和电流，保障电力系统的安全稳定运行。同时，输电线路还可以通过对电力进行调度，实现电力的平衡供应，避免电力系统的过载或缺电。

2、输电线路产生的电场对电力系统的安全稳定运行有着重要的影响。电场强度过大时，可能会导致输电线路产生电晕和放电现象。这不仅会降低输电效率，还可能引发火灾，对电力系统的安全构成威胁。输电线路产生的电场会产生电磁波，对周围的电子设备和通信设备产生干扰。这种干扰可能导致设备的误操作，影响电力系统的正常运行。强电场对人体健康的影响已经得到了广泛的关注。长期暴露在强电场中，可能会对人体的神经系统、免疫系统等产生影响，甚至可能引发癌症。输电线路产生的电场还可能对周围的环境产生影响。例如，它可能会对鸟类和其他动物的行为产生影响，影响生态系统的平衡。

3、因此对输电线路产生的电场进行深入研究对于电力系统平稳运行以及对用户生活和生态环境具有重大意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种输电线路感应电场模型分析方法及系统，能够改变电网潮流分布，实现降低网损，提高系统可靠性。

2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

3、一种输电线路感应电场模型分析方法，包括：

4、s1：电磁场与介质相互作用计算推导，做为后续计算感应电场的基础；

5、s2：通过等效法，对输电线路模型进行工程近似，简化后续工频电磁场的计算过程；

6、s3：计算架空线路输电悬链线弧垂，简化架空线路感应电场计算；

7、s4：分析输电线路附近的电磁感应，计算单位面积下感应电场强度；

8、s5：建立并简化输电线路在用户处产生的感应电场的数学模型。

9、进一步，步骤s1中电磁场理论根据麦克斯韦方程组来描述：

10、

11、

12、

13、

14、其中，h为磁场强度(a/m)，j为电流密度(a/m2)，d为电通量密度(c/m2)，e为电场强度(v/m),b为磁感应强度(t)，ρ为电荷体密度(c/m3)；

15、本构关系式为：

16、d＝εe (28)

17、b＝μh (29)

18、j＝σe (30)

19、其中，ε为电解质的介电常数(f/m)，μ为磁导率(h/m)，σ为电导率(s/m)；

20、引入两个变量将电场量和磁场量进行分离；引入矢量磁势a和标量电势ψ，定义如下：

21、

22、

23、其中，a是矢量磁势(wb/m)，ψ为电势(v)。

24、式(8)和(9)能够自动满足式(2)和(4)，将本构关系式和式(8)(9)代入式(1)、(3)中，经过推倒后得到磁场和电场的偏微分方程：

25、

26、

27、其中，为拉普拉斯算子。

28、进一步，步骤s1中采用有限元方法对偏微分方程(10)、(11)进行数值求解并得到磁势a和电势ψ，进而求得输电线路周围感应电场和感应电流的分布。

29、进一步，步骤s2中，若场源产生的电磁波通过场域所需时间远小于它的周期，则将工频交变电磁场认为准静态场：

30、通常情况下研究的交流电输电线路的场域截面小于1000m，输电频率为工频50hz，则产生的工频交变电磁场满足准静态场的条件；

31、将多跟分裂子导线等效为单根圆柱形直导线：

32、交流输电线路的相导线采用的是分裂导线的形式，分裂导线由多根子导线以同一分裂间距呈对称多边形排列；

33、根据等效原则将多根分裂导线等效为单根圆柱形直导线，等效半径计算公式如下：

34、

35、其中，ri为待求的等效半径，r为各子导线所在位置处的外接圆的半径，r为分裂型导线中各子导线的半径，n为子导线的总根数；

36、进一步，步骤3中，从弧垂最低点o出发沿导线至档距内的任一点c处，取线长为loc的oc段架空导线，其中，σo和σc处的轴向应力，γ为沿导线均匀分布的比载，其方向竖直向下；

37、当导线处于平衡状态时，有：

38、σccosθ＝σ0    (35)

39、σcsinθ＝γloc    (36)

40、根据式(12)和(13)，应用隐函数微分法可得：

41、

42、对式(14)两边微分得：

43、

44、对式(15)分离变量后两端积分：

45、

46、

47、或写成：

48、

49、对(16)两端积分后可得：

50、

51、式(17)是架空线路悬链线方程的积分普遍形式，c1和c2为积分常数，其值取决于坐标原点的位置；

52、若将坐标原点选在悬挂点等高的输电线路的弧垂最低点o处，则当x＝0时，dy/dx＝0，代入(16)可得c1＝0；当x＝0时，y＝0，代入(17)，且由c1＝0得c2＝-σ0/y，将c1和c2代入(17)，整理后得到了悬挂点等高的架空线路的悬链线方程：

53、

54、其中，σ0为导线最低点的轴向应力(mpa)，γ为导线的比载(mpa/m)；

55、对于悬挂点等高的架空线路，最大弧垂在档距中央，此时将x＝l/2代入(18)可得到最大弧垂：

56、

57、其中，f为最大弧垂(m)，l为档距长度(m)。

58、进一步，步骤s4中，由比奥-萨伐尔定律，电流在周围产生的磁场按以下计算：

59、db＝μidl/(4πr2)    (42)

60、式中：μ为磁导率，i为电流大小；r为以导线为轴线的半径；l为线路长度；

61、认为线路长度l无限长：

62、b＝μi/2πr    (43)

63、式中：b为居民用户处由导电线产生的电磁感应强度；r为输电线距居民住处的距离；令i＝isin(ωt+θ)，式(20)写为：

64、b＝μi0sin(ωt+θ)/(2πr)    (44)

65、而由电磁感应定律得到：

66、

67、得到单位面积下在居民用户处产生的感应电场强度：

68、

69、式中：e为感应电场强度，i0为交流电流有效值；ω为交流电流角频率；θ为电流初相角。

70、一种如上所述的输电线路感应电场模型分析方法的分析系统，包括，

71、参数近似模块，用于简化感应电场计算；

72、架空线路弧垂计算模块，用于计算悬挂线弧垂；

73、感应电场计算模块，用于计算感应电场；

74、阻抗计算模块，用于计算用户在感应电场中的阻抗。

75、本发明具有以下有益效果：

76、本发明的有益效果：能够提高输电效率、保证用户使用体验以及保护生态环境。为了研究输电线路产生的电场，本发明提出了一种输电线路感应电场模型分析方法，首先分析电磁场与介质的相互作用关系，推导出磁场和电场的偏微分方程；再对交流输电线路模型进行工程近似，简化工频电磁场的计算过程；然后构建悬挂点等高的架空线路悬链线模型；分析输电线路附近的电磁感应；搭建并简化输电线路与用户间的数学模型。最后，通过实验验证本模型分析的准确性，本发明的模型的准确性优于其他电场分析方法。