基于面电荷密度法的高压输电线路电场计算
高压输电线路电场电势分布计算与优化研究
高压输电线路电场电势分布计算与优化研究高压输电线路是指电压在110kV以上，功率在5000千瓦以上的电力输送系统，是电力系统中非常重要的组成部分。
随着我国电力工业的发展，高压输电线路建设日益增多，对电力系统的稳定运行和经济运行起着关键的作用。
但是，高压输电线路也会产生强烈的电场，对周围环境和人类生活造成潜在的影响。
因此，研究高压输电线路的电场电势分布并对其进行优化，成为了一个值得探讨的课题。
一、高压输电线路电场电势分布计算方法为了研究电场电势分布，我们首先需要了解电场的基本特性。
电场是周围物质对电荷的作用所产生的效应，是一种向外呈矢量的场。
然后，我们还需要知道电势的基本概念。
电势是描述电场的重要物理量，表示电场的单位正电荷在其中的势能，单位为伏特（V）。
为了计算高压输电线路的电场电势分布，我们可以采用合适的计算方法。
目前比较常用的方法有试算法、分段计算法、感应电位法等。
其中，试算法是一种比较简单的方法，可以通过数学方程模拟电场的分布情况，但是由于电场计算比较复杂，所以试算法计算结果不一定精确。
分段计算法则是将输电线路分为若干个小段，然后计算每一小段的电势贡献，得到整个线路电势分布情况。
而感应电位法则是采取电势差的方法，以不同测量点之间的电势差作为计算电场的依据。
二、高压输电线路电场电势分布的影响因素高压输电线路的电场电势分布受多种因素的影响。
首先，高压输电线路本身的电压和电流大小会直接影响电势分布情况。
其次，输电线路的几何形状、材料和半径也会对电场产生影响。
此外，地表和周围建筑物的形状、距离也会对电场电势分布产生影响。
因此，在进行电场电势分布计算和优化时，需要充分考虑这些因素。
三、高压输电线路电场电势分布的优化方法为了减轻高压输电线路所产生的电场影响，我们可以采用多种方法进行优化。
一种比较有效的方法是地面下埋输电电缆。
这样可以将电场产生位置转移到地下，减少对周围环境和人体的影响。
另一种方法是采用隔离器等电气设备，将输电线路分隔开来，减少电场的传输。
高压输电线路的电场计算与设计
高压输电线路的电场计算与设计高压输电线路是电力系统中重要的组成部分，起到将发电厂产生的电力输送至各个用电地点的作用。
高压输电线路功率大、电压高，需要在设计中加强对电场的计算和控制。
本文将从高压输电线路的电场计算和设计两个方面进行探讨。
一、高压输电线路电场计算1.1 电场概念及公式电场是指空间中某一点处有电荷存在时，该点周围空间中电荷所产生的作用力。
其大小与电荷的大小和空间距离的平方成反比。
电场的表示公式为E=F/q，其中E为电场强度，F为电场对电荷的作用力，q为电荷的大小。
1.2 高压电场计算的影响因素高压输电线路的电场计算涉及多种因素，主要包括输电线路的电压、电流、导线尺寸和形状、杆塔高度等。
其中，电场强度受电压大小和导线形状、尺寸等因素影响较大。
另外，线路距离地面的高度也会影响电场的强度和分布。
1.3 高压线路电场计算软件目前，高压线路电场计算软件已经得到广泛应用。
这类软件可以模拟高压电场的分布特征，包括电场强度、电位等参数，还可以对不同的线路设计方案进行比较分析，为设计提供依据。
二、高压输电线路设计2.1 输电线路的基本组成高压输电线路通常由导线、杆塔、绝缘子、附属设施等部分组成。
其中，导线是输电线路的核心部分，承担电流的传输；杆塔是为了保证导线足够高度以上空间，减少与地面和建筑的接触，从而减小对电场的影响。
2.2 杆塔的设计及选择高压输电线路杆塔的设计是一个比较关键的环节，主要考虑的因素包括输电线路的安全可靠性、造价、施工难度等。
杆塔的形式多种多样，一般根据线路情况选择合适的形式。
一般来说，杆塔的高度应足够保证输电线路的安全距离，同时也需要考虑对环境的影响。
2.3 绝缘子的选择和安装高压线路绝缘子作为电力系统中的重要部分，在需要承受高压的同时，还需要具备良好的绝缘性能。
在绝缘子的选择和安装上，需要考虑其材料、尺寸、形状等因素。
另外，绝缘子与导线和杆塔之间的连接方式也会影响电场分布和线路的安全性。
三相超高压输电线路的电场建模研究
三相超高压输电线路的电场建模研究黎金城;魏宏安;陈斯琦【摘要】超高压输电线路具有电压高,电场强度大的特性,对周围环境有很大的影响.本文在分析输电线路典型传输模型的基础上,根据麦克斯韦方程组及边界条件,利用模拟电荷法和模拟电荷法-矩量法计算出输电线路的空间工频场强分布,最后在仿真环境中进行试验.实验结果表明,利用该方法可以有效的模拟出输电线路周围空间中的场强分布.【期刊名称】《电气开关》【年(卷),期】2018(055)001【总页数】5页(P13-17)【关键词】模拟电荷法;工频场强;模拟电荷法-矩量法;超高压输电线路【作者】黎金城;魏宏安;陈斯琦【作者单位】福州大学物理与信息工程学院,福建福州 350116;福州大学物理与信息工程学院,福建福州 350116;福州大学物理与信息工程学院,福建福州 350116【正文语种】中文【中图分类】TM721 引言随着各地电网规模的日益扩大，输电线路的电压等级不断提高，从350～500kV，甚至有的输电线路的电压已经达到1000kV。
输电线路上的超高压产生的场强对周边环境的危害也越来越大。
场强过大容易击穿绝缘介质，不仅危害电网的安全运行，同时对配电人员和输电线路周围居民的人身安全带来十分大的威胁。
通过建立超高压输电线路的电场模型，计算出输电线产生的电场大小，为评估输电线路产生的电场是否符合环境的安全要求提供了依据。
目前，我国主要采取交流超高压输电模式，因此本文重点阐述的是建立交流输电线路的模型，应用模拟电荷法、模拟电荷法-矩量法建立超高压输电线路的电场模型，计算超高压输电线路产生的电场强度。
本文针对输电线路实际情况将电场模型分为两类：一类是无限长电场模型，适合输电线档距大的线路，属于二维电场数学模型。
另外一类是有线长电场模型，适合架空线到变压器这一段输电线路，属于准三维电场数学模型[1]。
2 算法分析电场数值法将电磁场中连续场域问题转化为离散系统，是求解电场问题重要方法之一。
超高压输电线路铁塔附近三维电场的数值计算
摘要：提出了一种基于矩量法的在频域下计算超高压输电铁塔附近三维电场分布的数值方法。
该方法在频域下使用复电阻率的概念，将空气和土壤联合起来视为多层介质，待求变量为各段导体的漏电流，激励源既可以为电压源又可以为电流源。
该方法可以分析频域下由输电线路、铁塔以及铁塔接地部分产生的三维电场分布。
对同一例题下的由该方法和电力系统电磁分析软件包CDEGS计算的结果进行了比较，两者结果是吻合的。
在500 kV输电线路的实测结果也验证了该方法的有效性。
关键词：超高压输电三维电场频域矩量法电力系统1引言运行输电线路附近存在较高的电场，这些电场可能对周围物体和公用走廊的其他线路产生影响。
电压等级越高，影响越大。
为了人身和设备的安全，超高压输电线路产生的电场正日益受到人们的重视。
为了在输电线路上进行安全带电作业，需选择操作方式并采取绝缘防护措施，这就需要对输电铁塔附近的电场分布进行研究。
在电力铁塔上同塔悬挂自承式全介质光缆（ADSS）时，由于这种光缆在一定电场强度作用下会发生腐蚀（电蚀），这也需要分析铁塔周围的电场分布从而找出合适的悬挂范围。
对于即将建设的西北750kV输电线路，研究输电线路及铁塔周围的电场分布有着重要的现实意义。
虽然可以现场实测输电线路产生的电场，但由于工作环境的限制，具体测量难度较大，铁塔附近的测量更加复杂，且不可能对所有铁塔都进行测量，因此需要进行模拟计算。
不考虑铁塔时，某些简单的输电线路的电场也可以采用近似的解析公式进行估计。
但铁塔附近的电场由于实际问题比较复杂，应当使用数值方法进行计算。
国外出于高场强下带电作业的需要，开始研究输电线路产生的电场强度及由此引起的生物效应，并取得了一定的成就[1]。
我国目前对此问题也非常重视，但多数计算方法只考虑输电线路本身的电场分布，未充分考虑铁塔的影响[2，3]。
然而实际输电线路中铁塔附近的工频电场有较大的畸变，因此在计算输电线路的电场时必须考虑铁塔的影响。
通常模拟电荷法用于计算输电线路产生的电场是比较有效的[1，4]。
高压输电线路电场强度计算及其控制研究
高压输电线路电场强度计算及其控制研究随着社会经济的发展和城市化进程的不断推进，电力供给的重要性日益凸显。
作为电力传输的主要方式，高压输电线路在电力系统中扮演着至关重要的角色。
然而，由于高压线路带电导线之间的电场强度存在着较大的不平衡性，这不仅会影响电力系统的正常运行，还存在一定的电磁辐射危害。
因此，针对高压输电线路电场强度计算及其控制问题的研究显得尤为重要。
一、高压输电线路电场强度计算高压输电线路是由多个带电导线组成的，它们之间的电场分布情况决定了电场强度的大小。
因此，我们可以使用实验或计算方法来分析和计算高压线路的电场强度。
其中，数值计算法是一种非常常见且可行的分析方法。
数值计算法的核心是运用计算机模拟高压线路所在空间内的电场分布情况，从而计算出电场强度。
这种方法既能准确预测电场的分布情况，又能避免实验成本高昂、周期长等问题。
此外，数值计算法还能进行参数敏感性分析，帮助我们更好地深入研究电场强度的影响因素。
二、高压输电线路电场强度控制高压输电线路电场强度的存在会对周围环境产生一定的影响，尤其是近距离上存在一定的电磁辐射危害。
因此，我们需要对电场强度进行控制以确保电力系统的正常运行和环境安全。
这也是高压输电线路电场强度研究的重要课题之一。
电场强度的控制可以采用多种方式来实现，如调整线路结构、绝缘优化、导线间距离调整等。
这些方式都可以从根源上影响电场强度的大小。
此外，我们也可以在输电线路上设置特殊的接地装置或降压器来消耗过高的电压或电流，以达到控制电场强度的目的。
三、结语高压输电线路电场强度是电力系统中的重要参数之一。
在电力供应的重要性日益凸显的今天，对电场强度的计算和控制显得尤为重要。
通过数值计算法可以准确地预测电场分布情况，分析其影响因素，实现精细化控制。
因此，电力科学家们可以借助此方法加强对电力系统的研究，进一步提高电力系统的运行效率和安全性。
特高压交流输电线路三维空间电场分布的数值模拟研究
特高压交流输电线路三维空间电场分布的数值模拟研究【摘要】基于模拟电荷法建立了三维模型，考虑了导线弧垂的影响，分别对我国1000kv级特高压交流输电线路不同类型塔杆线路周围空间电场分布进行了研究，计算结果显示：三维计算结果能更全面准确地反映出电场的分布趋势；特高压输电线路产生的电场对环境没有重大影响；采用紧凑型塔杆的输电线路其电场强度低于酒杯型塔杆的线路，其最大值相差约12%～15%左右；建议在电力建设中，采用紧凑型输电线路。
【关键词】模拟电荷法；1000kv级特高压；三维工频电场；防护建议0.引言特高压输电是世界电网技术的重要发展方向，具有容量大、送电距离长，线路损耗低，节约土地资源等突出优点[1]。
特高压交流输有利于建立坚强的电网，为缓解我国用电需求和线路走廊问题，更好地实现“西电东送”，将特高压交流线路作为全国电网的主网架十分必要[2，3]。
到目前为止，对于人体暴露于极低频电磁场中是否具有健康危害还没有一致的结论[4，5]；无疑给公众造成了心理压力，特高压输电线路产生的电磁环境问题越来越被人们关注。
特高压输电工程所产生的电磁场问题势必会影响到此项工程的实施。
本文基于模拟电荷法建立三维模型，计算分析了我国特高压酒杯型线路和紧凑型线路输电线路周围空间场强分布，对科学评估我国特高压输电线路的电场分布，为我国开展特高压交流输电工程的建设提供参考借鉴，使人们消除对特高压输电线路产生电磁暴露影响的疑虑，对于发展环境友好和谐型特高压输电工程具有重要意义。
1.三维电场计算原理三维电场的计算需考虑到导线悬链线的影响，导线悬链如图1所示，根据导线受力平衡条件，当连续多基直线杆塔具有相同档距时，根据导线的悬链方程可得到导线最大弧垂Z=Lαcosh（αL-1），其中，α为导线水平应力系数，L为输电导线的档距（m）[6]。
首先将导线分为N个微元段近似成线电荷，电荷密度为τ。
假设有M相导线线，每相导线表面电位相同为φ。
110kV输电线路铁塔电场计算及仿真研究
110kV输电线路铁塔电场计算及仿真研究佘瑾;孙刚【摘要】准确计算110kV线路铁塔附近的合成电场强度,可以为110kV线路铁塔的设计布局和环境评估提供参考.本文根据110kV猫头塔实际结构,建立了铁塔附近三维电场计算模型.基于有限元法计算了110kV输电线路铁塔附近的的电场分布,分析了铁塔对其附近电场环境的影响,并讨论了影响电场计算结果的因素.研究结果表明,该方法能够有效地分析1 10kV输电线路铁塔的电场分布,具有较高的计算精确度,对110kV输电线路铁塔的优化设计具有一定的参考意义和实用价值.【期刊名称】《电气开关》【年(卷),期】2016(054)005【总页数】4页(P76-78,101)【关键词】110kV铁塔;绝缘子;有限元法;静电场【作者】佘瑾;孙刚【作者单位】三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌443002;三峡大学电气与新能源学院,湖北宜昌443002【正文语种】中文【中图分类】TM75110kV线路铁塔作为配电网的重要组成部分，其电场问题直接影响到整条线路的安全运行，同时，110kV线路铁塔跨越居民区，其电场强度也必须满足国家规范[1-2]，因此通过对110kV线路铁塔附近进行电场计算，可为110kV线路铁塔的设计和确保电力系统的安全性提供一定的理论依据。
近年来，针对电力系统中电场问题的研究，国内外专家学者做了大量的工作，主要的数值计算方法有：解析法、边界元法、模拟电荷法、有限差分法以及有限元法等。
林秀丽等人通过改进Sarma计算方法和引入分裂导线的作用，运用解析法粗略的计算了高压直流输电线路的电场强度，并分析了线路几何参数的影响[3]；文献[4]以有限元差分理论(FDTD)为基础，针对带均压环的绝缘子，利用数学推导和电磁场分析软件ANSOFT仿真分析了绝缘子的整体电场分布特性；文献[5]利用线电荷单元建立铁塔和绝缘子模型，基于模拟电荷法建立考虑杆塔及导线弧垂的3维架空线路工频电场计算模型，然后据此计算了特高压线路相导线表面及地面上1m高平面内的3维工频电场[6]；苏梓铭等人采用工频电场的三维边界元法仿真计算分析同塔四回线路带电作业场强分布特点，忽略绝缘子串对电场分布的影响，铁塔表面视作导体平面，研究了空间电场对人体的影响[7]。
基于电荷模拟法的500kV输电线路下人体模型感应电流密度计算模型
基于电荷模拟法的500kV输电线路下人体模型感应电流密度计算模型摘要：各种电力设备在运行时都将产生电磁场，并且该电磁场能使人体产生感应电流，因此有必要计算人体感应电流密度以确定电磁场的安全许可极限值，并以此来判断人体是否危险。
为了计算500kV输电线路附近人体感应电流密度，本文通过建立500kV输电线路下人体接地和对地绝缘人体模型，并假设地表条件为地面没有任何树木或其他物体高于人体模型。
由于人体模型的皮肤导电特性对于接地人体模型而言，人体皮肤为零等电位面。
结果表明感应电流密度在人体各部位是不等的，颈部和腿部电流密度较高，且接地人体模型高于对地绝缘人体模型。
关键词：电荷模拟法；感应电流；500kV输电线Calculation Model of Induced Current Density of Human Body Model under 500kV Transmission Line Based on Charge Simulation MethodChen Sixiang, Li Hengzhen, Zhan Qinghua(Guangdong Power Grid Co., Ltd. Foshan Power Supply Bureau, Foshan, Guangdong, 528000, China)Abstract: All kinds of power equipment will generate electromagnetic fields when working, and such electromagnetic fields can generate induced current in the human body.So, it is necessary to calculate the induced current density of the human body to determine the safety allowable limit of the electromagnetic field and use it to judge whether the human body is in danger. In order to calculate the body-induced current density near the 500kV transmission line, the human body grounding and ground insulation model under the 500kV transmission line was established, and it assumes that the grounding surface condition is the ground does not have any trees or other objects higher than the human body model. Human skin is zero equipotential surface due to human skin model conductive characteristics for grounded human models. The results show that the induced current density is not equal in all parts of the human body, and the current density in the neck and legs is higher. The grounded human model is higher than the insulated human model of the ground.Key words：charge simulation method；inductive current；500kV transmission line0 引言特高压电网在能源配置、降低损耗、以及节约土地资源等方面发挥着重要作用，因此其发展非常迅猛[1,2]。
基于麻雀搜索算法和模拟电荷法的输电线电场计算方法[发明专利]
![基于麻雀搜索算法和模拟电荷法的输电线电场计算方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/33b0ffa3e43a580216fc700abb68a98271feac81.png)
专利名称：基于麻雀搜索算法和模拟电荷法的输电线电场计算方法
专利类型：发明专利
发明人：李正权,张禄,高子涵
申请号：CN202111529935.5
申请日：20211206
公开号：CN114330111A
公开日：
20220412
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了基于麻雀搜索算法和模拟电荷法的输电线电场计算方法，属于高压输电线路技术领域。
本发明改进传统SSA算法，引入Sine‑Cosine混沌映射生成遍历均匀性较高的初始化种群，引入动态比例因子调整种群中发现者所占的比例，引入相似度函数判断是否陷入了局部最优，有效地解决了传统SSA算法后期种群多样性减少、易陷入局部最优等问题；并通过改进的SSA算法得到最优模拟线电荷，有效避免了传统模拟电荷法中凭借使用者的直观经验设置模拟电荷引入的人为误差；本发明可用于精确计算高压输电线周围产生的三维空间电场，对于环境保护、光缆线路架设、人体安全等方面的研究有较大的助益。
申请人：江南大学
地址：214122 江苏省无锡市滨湖区蠡湖大道1800号
国籍：CN
代理机构：哈尔滨市阳光惠远知识产权代理有限公司
代理人：张勇
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高压输电线路电磁场数值计算分析
高压输电线路电磁场数值计算分析随着现代社会能源需求的不断增加，高压输电线路的建设逐渐成为了当今不可避免的工程项目。
然而，在这一进程中，人们也必须不断地规划、建设和优化电子设备以保证电力网络的快速、稳定的供电。
同时，在进行高压输电线路的建设时，要仔细考虑导线对周围环境产生的电磁场对人体健康及其它生物环境的影响。
在这种情况下，需要对高压输电线路电磁场进行精确的计算分析。
电磁场是指任何与电场和磁场有关的现象，当高压输电线路通电时，由于电流通过导体产生的磁场，会导致周围环境电磁场强度的增加。
如果这种电磁场强度维持在一定的水平，可能会对生物环境和人体产生负面影响。
因此，了解这种电磁场的强度、分布及其可能带来的影响非常重要。
高压输电线路电磁场的数值计算分析通常采用二次电场法（EMF）或者有限元法（FEM）。
二次电场法是通过计算导体周围空气中的电势，进而确定电流周围的磁场分布；而有限元法则是通过建立电磁场模型，给每个网格元件的电磁参数赋值以计算电磁场的强度和分布。
虽然这两种方法在电磁场计算方面都可以得出令人满意的结果，但通常采用的还是有限元法，原因是有限元法可以依据适当的参数和边界条件中来建立与具体线路结构吻合的几何模型。
此外，有限元法还可以模拟不同天气条件下的电磁场强度变化，这一点对于制定不同环境中的电磁场管控标准非常重要。
由于电磁场在人类活动中发挥着极为重要的作用，因此，现代技术不断发展，以尽量减小电磁辐射对生物环境和人体产生的不良影响。
有关部门也要求高压输电线路的建设方在进行高压输电线路建设时要遵循绿色、环保、安全、经济的原则。
而在电磁场计算分析过程中，可采用不同的措施和技术对线路中电流的泄漏进行控制，减少电磁场的强度，达到最小甚至无害的电磁场辐射目标。
需要注意的是，在进行电磁场数值计算分析时，应该视线路类型、线路高度、绝缘状态和紧邻结构物情况等多个因素综合考虑，以尽量减小对周围环境产生的不良影响。
同时，在现实应用中，还应采取措施进行电磁防护，以避免过多暴露在电磁辐射的环境中。
基于表面电荷法的输电线路表面电场强度计算
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广西南宁根据计算结果优化高压输电线路的布置计算方法中图分类号文章编号123142
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湖南电力
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电场强度和电荷面密度的关系
电场强度和电荷面密度的关系一、引言电场强度和电荷面密度是电学中常见的两个概念，它们之间存在着一定的关系。
本文将从电场强度和电荷面密度的定义、相互作用原理、计算公式等方面进行详细阐述。
二、电场强度和电荷面密度的定义1. 电场强度电场强度指单位正电荷在该点所受到的力。
用数学符号表示为E，单位为牛顿/库仑（N/C）。
在静电学中，点电荷产生的电场强度可以由库仑定律计算得到。
2. 电荷面密度电荷面密度指单位面积上带有的总电量。
用数学符号表示为σ，单位为库仑/平方米（C/m²）。
三、相互作用原理1. 电场强度与点电荷之间的关系根据库仑定律可知，点电荷产生的静电场强度与其所带的总电量成正比，与距离平方成反比。
即E=kq/r²。
其中k为常数，q为点电荷带有的总静态电量，r为距离。
2. 两个平行金属板之间的关系两个平行金属板之间的电场强度与板间距、板面积以及板上带电荷的总量有关。
根据高斯定理可知，两个平行金属板之间的电场强度与两个金属板上带电荷的总量之差成正比，与板间距和面积成反比。
即E=σ/ε0，其中σ为金属板上带有的总电量，ε0为真空中介电常数。
四、计算公式1. 计算点电荷产生的电场强度点电荷产生的静态电场强度可以由库仑定律计算得到，即E=kq/r²。
其中k为常数，q为点电荷带有的总静态电量，r为距离。
2. 计算平行金属板之间的电场强度两个平行金属板之间的电场强度可以由高斯定理计算得到，即E=σ/ε0。
其中σ为金属板上带有的总电量，ε0为真空中介电常数。
3. 计算不规则形状物体所产生的电场强度不规则形状物体所产生的静态电场强度可以通过将其分解成若干小元件来计算。
具体方法是将物体分解成小元件，在每个小元件上计算电场强度，然后将它们叠加起来得到整个物体的电场强度。
五、结论电场强度和电荷面密度之间存在着一定的关系，不同情况下它们之间的计算方法也有所不同。
在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的计算方法进行求解。
电荷密度在电场中的分布测量与计算
电荷密度在电场中的分布测量与计算电荷密度是描述物体电荷分布的重要物理量，它在电场中的分布对于电磁学研究具有重要意义。
本文将探讨电荷密度在电场中的测量与计算方法。
一、电荷密度的定义与意义电荷密度是指单位体积内所含电荷的数量，通常用符号ρ表示。
在电磁学中，电荷密度的分布对于电场的形成和性质起着决定性作用。
通过测量和计算电荷密度的分布，可以揭示电场的强弱和方向，进而推导出电荷的运动规律和电场的能量分布。
二、电荷密度的测量方法1. 静电力法静电力法是一种常用的测量电荷密度的方法。
该方法利用库仑定律，通过测量电荷间的相互作用力来推导电荷密度。
实验中，可以使用电子天平或静电感应仪器来测量电荷的质量或电荷量，然后通过测量电荷间的相互作用力，计算出电荷密度的分布。
2. 电位法电位法是另一种测量电荷密度的常用方法。
该方法利用电势的分布来推导电荷密度。
实验中，可以使用电位计或电势传感器来测量电场的强度和方向，通过测量不同位置的电势差，计算出电荷密度的分布。
三、电荷密度的计算方法1. 数值模拟法数值模拟法是一种常用的计算电荷密度的方法。
该方法利用计算机模拟电场的分布和电荷的运动，通过数值计算得到电荷密度的分布。
数值模拟法可以通过有限元法、有限差分法等数值计算方法来实现，能够较为准确地计算出电荷密度的分布。
2. 解析计算法解析计算法是另一种计算电荷密度的常用方法。
该方法根据电荷分布的特点，通过解析求解电场的分布，进而得到电荷密度的分布。
解析计算法通常需要借助数学工具，如拉普拉斯方程、泊松方程等来求解，能够得到较为精确的电荷密度分布。
四、应用与展望电荷密度在电磁学研究中有着广泛的应用。
通过测量和计算电荷密度的分布，可以揭示电场的分布和性质，进而推导出电荷的运动规律和电场的能量分布。
电荷密度的测量与计算方法的不断发展，为电磁学研究提供了更多的工具和手段。
未来，随着科学技术的进步，电荷密度的测量与计算方法将进一步提高和完善。
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关键词
输电线路，电场，面电荷密度，电位，电场强度
1. 引言
随着电力系统的不断发展，输电线路的电压等级越来越高，高压输电线路对周围环境的电磁污染越 来越大[1] [2]。为了评估高压输电线路对环境的影响，需要对其周围的电场分布进行精确计算。 目前，输电线路周围电场的计算主要有两种方法：1) 有限元法[3]-[6]，该方法比较成熟，而且有比 较通用的计算程序，使用方便，但是有限元法本身不适合计算无穷大的区域，其次，为了得到更为精确 的计算结果，需要对导线的周围细分，以及扩大计算区域，这使得剖分单元数大增，影响计算时间，最 后有限元法是以电位作为求解变量，而电场强度、导体表面电荷等物理量需要对电位进行梯度运算，这 会降低这些物理量的计算精度；2) 基于线电荷的积分方程法[7]-[9]，该方法将电荷的分布集中在导线中 心，这样也会导致较大的误差，同时无法得到导体表面的电荷分布。 本文基于电荷连续分布于导线的表面这个物理现象，将每个子导线及地线的表面进行剖分，以各个 节点的面电荷密度作为求解变量，用线性插值来表示导线表面的面电荷密度，根据电磁场理论建立线性 方程组来求解各个节点的面电荷密度，然后计算输电线路周围电位、电场强度的分布。
Electromagnetic Analysis and Applications 电磁分析与应用, 2015, 4, 1-5 Published Online January 2015 in Hans. /journal/eaa /10.12677/eaa.2015.41001
i
rσ (θ ) dθ
(5)
将六根子导线的电荷加起来，就得到每一相导线单位长度的电荷。
3. 算例
500 kV 紧凑型输电线路采用倒三角形布置，相中心间距 6.7 m，六分裂子导线的中心等间距地排列 在直径为 0.6 m 的圆上，子导线 LGJ-240/300，直径为 0.0216 m。 当初相角 β = 0 ，各相电压如式(3)所表示时，A 相各个子导线上的面电荷密度如图 3 所示。A 相的 1 号和 6 号子导线的电荷密度最大，其次是 2 号和 5 号，3 号和 4 号子导线的电荷密度最小。A 相的电荷密 度为正。 很明显，每一相中与其他两相距离越近的子导线的电荷密度越大。其次，对任意相的每一个子导线 来说，靠近相中心的弧面的电荷密度最低。 由于导线表面上的电荷密度和电场强度之间是一个正比例的关系，电场强度等于电荷密度除以空气 的介电常数，图 3 同时也显示了导线表面的电场强度。图 4 为初相角 β = 0 时线路周围的等位线分布。 本方法以面电荷密度为求解变量，而导线表面上的电场强度正比于电荷密度，因此直接得到导线表 面上的电场强度，相比于有限元法通过电位的微分求到电场强度，计算精度要高；以弧线段作为单元， 更能符合圆形导线的表面， 而以三角形为单元的有限元法是用直线段划分导线的表面， 因此拟合得更好； 计算变量个数比有限元法要少很多，前面变量的求解计算较快，但在后处理阶段计算场域的电位和电场 强度时，需要进行大量的积分运算，速度比有限元法要慢。
16.0 1
面电荷密度(μC/m2)
1.80
14.5
2 6 3
1.63
电场强度(MV/m)
13.0
1.46
11.5 5 4 10.0 0 π/2 π 3π/2 2π
1.29
1.12
Angle Around Every Splitting Conductor
Figure 3. Surface charges density and elecnductors 图 3. 分裂导线表面电荷和电场强度分布
Keywords
Transmission Line, Electric Field, Surface Charge Density, Potential, Electric Intensity
基于面电荷密度法的高压输电线路电场计算
江敬周1，李世作2*
广西电网公司百色供电局，广西 百色 广西大学电气工程学院，广西 南宁 * Email: szli213@
Abstract
In order to study the electric field around high voltage overhead transmission line, surface charges method is given in this paper. The surface of every splitting conductor is divided into many arc segments; surface charges density of every node acts as the variable and linear interpolation is used to express the charges density of every arc segment. Then, linear equations have been set up according to the electromagnetic theory, and the surface charge density of every splitting conductor can be calculated. An example of 500 kV compact transmission line is presented to illustrate the advantage and the precision of the new given method.
参考文献 (References)
[1] [2] [3] 吴敬儒, 徐永禧 (2005) 我国特高压交流输电发展前景. 电网技术, 3, 1-4. 邵方殷 (2005) 我国特高压输电线路的相导线布置和工频电磁环境. 电网技术, 8, 1-7. Barbara Florkowska, Andrzej Jaekowicz-Korczynski, Mieczyslaw Timler (2004) Analysis of electric field distribution around the high-voltage overhead transmission lines with an ADSS fiber-optic cable. IEEE Transactions on Power Delivery, 19, 1183-1189. 张字, 郑伟, 文武 (2005) 架空线路分裂导线表面电位梯度的数值计算. 高电压技术, 1, 23-24. 张启春, 阮江军, 喻建辉 (2000) 高压架空线下空间场强的数学模型. 高电压技术, 1, 19-21. 黄道春, 阮江军, 张宇 (2006) 紧凑型输电线异型分裂导线周围工频电场研究. 高电压技术, 4, 55-57. 许杨, 张小青, 杨大晟 (2007) 地面附近高压输电线的电场强度快速算法. 东北电力技术, 3, 44-47. 宫俊芳, 潘绵英 (1995) 分裂导线周围最强电场算式形成. 电力系统及其自动化学报, 2, 38-42. 强生泽 (2004) 220kV 同塔双回输电线空间工频电场理论计算. 高电压技术, 5, 45-46.
2π ( i +1) 24 2π i 24
∫
rσ (θ ) ln
2
R2 d = θ ciτ i + ci +1τ i +1 R1
(2)
2 2
其中 R1 =
( x0 + rcos (θ ) − x ) + ( y0 + rsin (θ ) − y )
2
， R2 =
( x0 + rcos (θ ) − x ) + ( y0 + rsin (θ ) + y )
2. 面电荷密度法
为了计算，做如下简化：1) 地面为无穷大导电平面；2) 导线为无限长并与地面平行的圆柱面，表面 电位相等；3) 忽略杆塔及周边物体的影响和端部效应。通过这样简化，将求解问题转变为平行平面场来 看待，即凡是与导线垂直的平面的电场分布都是一样。 根据静电场理论，电荷只能存在于导体的表面上，并且是连续分布的。如果知道了导体表面电荷分 布的密度，就可以计算各点的电位和电场强度等物理量。 将每个子导线的表面剖分成 24 段等长度的弧线，并按图 1 所示给每个节点编号，从 0 到 23。设每 个节点的电荷面密度为 σ i ， i = 0,1, 2, , 23 ，则子导线表面任意一点的电荷面密度为：
Electric Field Calculation of High Voltage Transmission Line Based on Surface Charge Density Method
Jingzhou Jiang1, Shizuo Li2*
1 2
Baise Power Supply Bureau, Guangxi Power Grid Company, Baise Guangxi Institute of Electrical Engineering, Guangxi University, Nanning Guangxi * Email: szli213@
2
基于面电荷密度法的高压输电线路电场计算
3 4
6 2 1 12 θ
4
3
2 1 0
5
6 18
Figure 1. Arrangement and surface dissection of splitting conductor 图 1. 子导线排列和表面剖分
dθ
σi+1 r σi R1 (x, y)
= σ (θ )
2 π ( i + 1) − 24θ 2π
σi +
24θ − 2 πi σ i +1 2π
(1)
式中 θ 满足： 2πi 24 < θ < 2π ( i + 1) 24 。 将子导线上无限长圆柱面电荷的分布看成由许多无限长线电荷沿着一个圆排列起来，线电荷的密度 为 rσ (θ ) dθ ， r 为子导线的半径，如图 2 所示。