基于真实场景参数的山火交流输电线路畸变电场分析方法

技术领域

本发明属于输电线路安全分析技术领域，尤其是涉及一种基于真实场景参数的山火交流输电线路畸变电场分析方法。

背景技术

随着经济的不断发展，我国的电能需求不断增加。然而中国电力资源和负荷分布长期处于不平衡的大格局，必须进行长距离、大容量的电能传输，因此输电线路难免要穿越如林区、山区等植被茂密、人烟稀少的地区。这些地区在高温干燥的季节极易爆发山火。当森林植被和线路的距离不足百米时，山火火焰以及生成的浓烟会引发输电线路间隙放电，甚至引发大规模的线路停运，严重影响居民企业正常的生活。

现阶段分析山火间隙畸变电场(直流电压下燃烧颗粒在间隙中的运动和分布规律普子恒，王子鸣，史星涛，孙睿康，黎鹏，三峡大学电气与新能源学院宜昌，三峡大学湖北省输电线路工程技术研究中心宜昌)，首先结合试验分析正、负极性直流电压下颗粒的运动特性；然后建立温度、流体、电场和颗粒运动的多物理场耦合仿真模型,仿真分析正、负极性电压下不同颗粒的受力特性和运动过程；最后结合燃烧颗粒特点分析颗粒分布规律。研究结果表明，随着颗粒粒径的增加，其被电极捕捉吸附的临界荷质比越小，粒径相对较大的颗粒容易被电极捕捉，而小颗粒易随热气流扩散和飞升，其是通过数值计算方法实现的，此方法通过多物理场的耦合机制建立仿真模型，计算空间间隙的颗粒分布，再设置颗粒位置和荷电量，利用有限元法求解山火间隙畸变电场。但是该分析方法的流体以及颗粒受力运动的计算方法存在可优化的空间，同时其分析对象为基于模拟实验参数的直流植被燃烧间隙颗粒分布，没有从山火真实场景出考虑掘更多的影响因子，缺乏一定的实用性。

基于植被燃烧的气相反应建立燃烧模型(Skeletal and global mechanisms forthe combustion of gases releasedby crushed forest fuels Virginie Tihay,Paul-Antoine Santoni,Albert Simeoni,Jean-Pierre Garo",Jean-Pierre Vantelon)，模拟了4种植被燃烧，得到与实验温度较一致的仿真数值，但没有考虑反应种的电离过程和电离产生的带电粒子对燃烧过程产生的影响；通过流体、温度、电场和颗粒运动的多物理场耦合模型(Numerical Analysis of the Motion Characteristics of Combustion Particlesin Gap based on MultiPhysical Field Coupling)，对植被燃烧颗粒的运动分布规律和颗粒物对电场作用进行研究，但该模型没有考虑带电粒子对温度分布变化以及间隙电场的影响；通过多物理耦合仿真模型对典型植被燃烧颗粒在直流间隙的运动特性进行仿真分析(直流电压下燃烧颗粒在间隙中的运动和分布规律普子恒，王子鸣，史星涛，孙睿康，黎鹏)，发现不同荷质比和不同粒径颗粒的分布特性不同，但是颗粒在间隙的运动过程中，其极性和携带电荷量是固定的，因此仿真结果和实际的燃烧颗粒运动存在一定的差异。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于真实场景参数的山火交流输电线路畸变电场分析方法，从影响山火形成和燃烧强度的角度出发，考虑了植被特性、导线空间分布、导线结构、绝对湿度、植被地面倾斜角以及自然风向等影响因素，并提出更符合真实燃烧场景的流场和颗粒受力运动的计算方法，可有效获取并分析真实场景下的山火间隙电场畸变情况。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

基于真实场景参数的山火交流输电线路畸变电场分析方法，包括以下步骤：S1、确定基于植被特性、导线空间分布、导线结构、绝对湿度、植被地面倾斜角以及自然风向的关键影响因素的仿真参数，在不影响物理现象的前提下减少真实场景大模型的仿真计算量，提高计算效率；

S2、从流场及介电泳效应出发，基于真实山火场景的流体和颗粒运动，优化多物理场强耦合的山火间隙颗粒运动数值；

S3、基于有限元法得到的输电线路原始背景电场，结合S2步骤的优化进行多次迭代计算，得到间隙各位置的畸变电场。

进一步地，步骤S1中考虑的关键因素参考华北电网提供的1000kV交流输电线路参数和地理气象信息，选用二维轴对称空间维度进行物理建模。

进一步地，交流输电线路参数包括电压等级、架设方式、导线型号、塔型、杆塔互称高、相序、回路方向、三相中距、三相高度、避雷线高度和避雷线中距。

步骤S1中考虑的关键因素参考华北电网提供的1000kV交流输电线路参数和地理气象信息，选用二维轴对称空间维度进行物理建模。由于杆塔属于对称结构，且回路间的距离较大，其三相导线之间的影响可以忽略不计，因此只需要对一组三相回路进行仿真建模。根据山火致线路跳闸的事故统计，由于地线架设于整个杆塔最高地理高程的位置，因此山火导致导线与地线之间间隙放电的事故极少，对地放电和相间放电较多。如果火势强度导致最高位置导线和地线之间的空气间隙发生击穿，那么并发灾害(如高温使导线表面绝缘层融化，树枝残骸桥接导线等等)的影响远比燃烧颗粒和带电粒子的影响要大，因此可以省略对地线的建模。常规的8分裂导线结构会导致有限元计算难以收敛，计算的时间也成倍增加，因此将八分裂导线截面等效为圆形截面，将八边形截面的对角线作为圆形等效区域的直径。根据不同的植被特征(如自然生长形态、各组分燃烧速率，燃烧火焰形态)设置植被燃烧等效区域。植被地面倾斜角方面，通过改变底部几何区域的倾斜角度进行仿真模拟。

进一步地，地理气象信息包括地形、海拔、经纬度、植被类型、相对湿度和自然风向。

进一步地，绝对湿度的强度修正方程为：

其中K

进一步地，步骤S2从流场及介电泳效应出发，优化多物理场强耦合的山火间隙颗粒运动数值如下：通过简化参数的standardk-ω流体模型描述山火火焰的高速流动状态，其控制方程为：

式子中t为时间，x

进一步地，颗粒受力和运动如下：

其中

进一步地，结合电场单独对荷电颗粒施加的介电泳力、颗粒自身的重力、输电线路间隙的电场和流场通过空间电荷密度耦合对荷电颗粒施加电场力分析颗粒运动以及分布情况。

进一步地，步骤S3中，首先在步骤S1的基础上进行基础参数设置，包括：组分热释放速率、热力学参数、间隙电导率、初始温度分布、初始电位、边界条件和颗粒物属性；接着利用有限元法求解间隙初始背景电场；然后根据步骤S2的多物理场强耦合优化进行多次迭代计算，当误差小于设置的标准误差时，得到收敛的间隙电场畸变值。

进一步地，颗粒物属性包括入射位置、释放密度、释放频率以及荷电量。

与现有的技术相比，本发明的有益效果为：

本发明从山火致线路跳闸的关键因素和仿真模型优化两个角度分析深层次的山火条件下输电线路间隙电场的畸变机理，能够得到间隙各位置的电场分布，进而帮助电力系统运行和调度部门做好针对性的降低山火跳闸风险的运行措施。

附图说明

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，以下将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明实施例一种基于真实场景参数的山火交流输电线路畸变电场分析方法；

图2是本发明实施例华北电网1000kV交流输电线路参数仿真模型示意图；

图3是本发明实施例燃烧颗粒在间隙运动受力分析示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的整体技术方案。以下所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例一种基于真实场景参数的山火交流输电线路畸变电场分析方法，包括以下具体步骤：

S1、确定基于植被特性、导线空间分布、导线结构、绝对湿度、植被地面倾斜角以及自然风向等关键影响因素的仿真计算方法，在不影响物理现象的前提下减少真实场景大模型的仿真计算量，提高计算效率；

关键影响因素包括交流输电线路参数和地理气象信息；所述交流输电线路参数包括电压等级、架设方式、导线型号、塔型、杆塔互称高、相序、回路方向、三相中距、三相高度、避雷线高度和避雷线中距。地理气象信息包括地形、海拔、经纬度、植被类型、相对湿度和自然风向。

S2、从流场及介电泳效应出发，基于真实山火场景的流体和颗粒运动，优化多物理场强耦合的山火间隙颗粒运动数值计算方法；

S3、结合S1步骤的计算方法进行基础参数设置，基于有限元法得到的输电线路原始背景电场，最后结合S2步骤的计算方法进行多次迭代计算，得到间隙各位置的畸变电场；

基础参数设置，包括：组分热释放速率、热力学参数、间隙电导率、初始温度分布、初始电位、边界条件和颗粒物属性。

作为一种实施例，如图2所示，步骤S1中考虑的关键因素参考华北电网提供的1000kV交流输电线路参数(电压等级、架设方式、导线型号、塔型、杆塔互称高、相序、回路方向、三相中距、三相高度、避雷线高度和避雷线中距等)和地理气象信息(地形、海拔、经纬度、植被类型、相对湿度和自然风向)，选用二维轴对称空间维度进行物理建模。由于杆塔属于对称结构，且回路间的距离较大，其三相导线之间的影响可以忽略不计，因此只需要对一组三相回路进行仿真建模。根据山火致线路跳闸的事故统计，由于地线架设于整个杆塔最高地理高程的位置，因此山火导致导线与地线之间间隙放电的事故极少，对地放电和相间放电较多。如果火势强度导致最高位置导线和地线之间的空气间隙发生击穿，那么并发灾害(如高温使导线表面绝缘层融化，树枝残骸桥接导线等等)的影响远比燃烧颗粒和带电粒子的影响要大，因此可以省略对地线的建模。常规的8分裂导线结构会导致有限元计算难以收敛，计算的时间也成倍增加，因此将八分裂导线截面等效为圆形截面，将八边形截面的对角线作为圆形等效区域的直径。根据不同的植被特征(如自然生长形态、各组分燃烧速率，燃烧火焰形态)设置植被燃烧等效区域。植被地面倾斜角方面，通过改变底部几何区域的倾斜角度进行仿真模拟。绝对湿度影响热源的热释放速率，强度修正方程按照公式(1)，其中K

作为一种实施例，步骤S2从流场及介电泳效应出发，优化多物理场强耦合的山火间隙颗粒运动数值计算方法。流场计算方法如下：简化参数的standardk-ω流体模型能够更精确描述山火火焰的高速流动状态，同时能较好的考虑负压梯度的流动情况，其控制方程可按照公式(2)-公式(3)，式子中其中ρ为流体密度，u

作为优选的一种实施例，步骤S3首先在S1的基础上进行基础参数设置，包括：组分热释放速率、热力学参数、间隙电导率、初始温度分布、初始电位、边界条件和颗粒物属性(入射位置、释放密度、释放频率以及荷电量)等等；接着利用有限元法求解间隙初始背景电场；然后根据S2的多物理场强耦合计算方法进行多次迭代计算，当误差小于设置的标准误差时，得到收敛的间隙电场畸变值。

以上仅仅是对本发明具体实施方式的概念性描述，并非对本发明实施方式进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域技术人员对本发明技术方案各种细节部分做出的任何调整、等同替换、改进等，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。