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高压直流输电线路离子流场的高效数值方法及其应用的研究

甄永赞  
【摘要】:随着我国高压直流输电工程的快速发展,直流输电线路的离子流场(含合成电场和离子流密度等)问题日益突出。本文发展了直流输电线路离子流场的数值计算方法,并针对直流输电线路离子流场中一些重要问题进行了深入研究,包括线下人员活动时的离子流场问题、直流输电线路离子流场中的导体充电问题、线下存在建筑物的合成电场分布问题等。本文的研究成果可以为高压直流输电工程的电磁环境预测、控制与评估奠定基础。 本文首先发展了直流输电线路二维离子流场计算的上流有限元方法,使其达到了较高的计算效率。针对该方法的特点,本文对计算过程提出如下三点建议:(1)为了获得较精确的导线表面电场强度,建议单根导线表面剖分不少于80单元,且使用边界电场约束方程方法计算导线表面电场强度;(2)使用直接分解算法求解有限元矩阵方程;(3)由节点电位排序确定电荷密度更新次序,在无凤条件下可以保证电荷密度更新沿电荷运动方向进行,从而加速收敛。 本文提出了一种适合计算直流输电线路下双极三维离子流场的数值方法一三维上流有限元方法。数值计算结果与解析解和测量结果具有较好的一致性,显示了该方法的有效性。论文还发展了加权余量有限元法与牛顿法相结合计算单极离子流场的数值方法,提出一种新的三维离子流场计算格式,显著地降低了该算法的内存需求和矩阵方程的求解代价。 本文提出了一种计算直流输电线路离子流场中经电阻接地导体的电位的数值方法,数值计算结果与测量结果吻合,表明了该方法的有效性。针对±800kV双极直流输电线路中一极导线带电正常运行、另外一极导线电位悬浮备用的实际情况,应用该方法计算了备用极导线的电位。本文还分析了直流输电线路下存在建筑物时合成电场的分布规律。 利用本文提出的三维离子流场的数值方法,本文对直流输电线路下有人员活动时的离子流场进行了分析。建立了适合三维离子流场计算的人体模型。分别计算了人体模型直接接地和经电阻接地时的合成电场和离子流密度分布,获得了直流输电线路下方人员活动时合成电场分布和离子流充电效应的特征。对于评估高压直流输电线路下方有人员活动时的电磁环境效应,具有重要的参考价值。


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