本發(fā)明屬于高壓架空輸電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種輸電線路的縮尺等效物理實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

21世紀(jì)以來，隨著世界能源需求增大，各國(guó)對(duì)電力資源開發(fā)也開始加速。但大多一次能源的分布都距離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，如巴西亞馬遜流域的水電資源、俄羅斯的西伯利亞水電資源、中國(guó)西北的煤炭資源等。超遠(yuǎn)距離、大容量輸電技術(shù)正重新引起各國(guó)學(xué)者的重視。近年來，特高壓直流輸電發(fā)展非常迅速。在特高壓交流輸電方面，正在研究點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、超遠(yuǎn)距離、大容量的半波長(zhǎng)(3000km)輸電方式。

特高壓半波長(zhǎng)交流輸電線路相對(duì)于常規(guī)特高壓線路有兩個(gè)特點(diǎn)：一是線路長(zhǎng)，物理尺寸約3000km(電氣尺寸0.5個(gè)波長(zhǎng))；二是具有敏感性(長(zhǎng)度固定在0.5個(gè)電氣長(zhǎng)度)。在理想情況(無損)下，半波長(zhǎng)線路首端電壓和末端電壓幅值相等、相位相反，首端輸入阻抗等于負(fù)載阻抗，相當(dāng)于負(fù)載直接接在電源上。理想情況下，半波長(zhǎng)線路的穩(wěn)態(tài)功率極限可以達(dá)到無窮大，但實(shí)際中輸送功率要受沿線電壓電流分布、線路絕緣水平和線路損耗等因素制約。

目前，針對(duì)輸電線路傳輸特性研究方法主要有兩種：一種是軟件模擬仿真；另一種是動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)(動(dòng)模試驗(yàn))。利用軟件仿真優(yōu)點(diǎn)是省時(shí)省力，但不能完整的考慮比較復(fù)雜的條件，例如：土壤電阻率、鄰近線路、線路混合架設(shè)等。動(dòng)模試驗(yàn)是根據(jù)相似理論，用和原型系統(tǒng)具有相同物理性質(zhì)的相似元件建立起來的，將長(zhǎng)距離輸電線路分成很多個(gè)π型等效電路，只能反映線路上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的特性，不能反映沿線的特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種輸電線路縮尺等效物理實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，包括如下步驟：

1)首先設(shè)定輸電線路縮尺的等效物理實(shí)驗(yàn)是以超遠(yuǎn)距離、大容量的半波長(zhǎng)(3000km)輸電方式，半波長(zhǎng)輸電線路的尺寸等于光速在一個(gè)周期內(nèi)的傳播距離，即λ＝3×10⁸/f(m) (1)

式中，f以Hz為單位。

半波長(zhǎng)為

2)描述輸電線路的主要參數(shù)是傳播常數(shù)γ和特征阻抗Zc，

其中，輸電線路的單位長(zhǎng)阻抗Z＝R+jωL，導(dǎo)納Y＝G+jωC；R為單位長(zhǎng)電阻，L為電感，G為電導(dǎo)和C為電容，ω為頻率；

輸電線路縮尺等效物理實(shí)驗(yàn)的縮尺倍數(shù)與頻率及半波長(zhǎng)的關(guān)系如表1所示，

表1頻率、半波長(zhǎng)以及縮尺倍數(shù)的關(guān)系

3)輸電線路上的電壓、電流分布的形式表示為

U(z)＝U₊e^-γz+U_{_}e^γz (5)

其中入射波振幅U₊和反射波振幅U_-的具體值取決于輸電線路端接電源的強(qiáng)度和負(fù)載的阻抗；

4)將半波長(zhǎng)輸電線路的尺寸縮短到1/N，為了保證波形的不變，則將傳播常數(shù)γ增大N倍，同時(shí)特征阻抗Zc保持不變，即

γ→Nγ (7)

Z_c→Z_c (8)

由于

為了達(dá)到上述效果，應(yīng)有：

ω→Nω (11)

L→L (12)

C→C (13)

R→NR (14)

因此，ω頻率需要提高到N倍，同時(shí)保證單位長(zhǎng)L和C保持不變，由此要求：

(1)輸電線路的縱向長(zhǎng)度(即半波長(zhǎng)輸電線路的長(zhǎng)度)縮減到之前的1/N；

(2)輸電線路的橫向尺寸：對(duì)地高度、不同導(dǎo)線之間的間距，以及導(dǎo)線的半徑均需等比例縮減，即縮減到之前的1/N₁；

(3)導(dǎo)線的電導(dǎo)率增加到之前的N₂倍，以保證單位長(zhǎng)度的電阻正好增加N倍。

為了保證單位長(zhǎng)度的電阻正好增加N倍，則N₁和N₂滿足

上面的計(jì)算沒有考慮集膚效應(yīng)，即使考慮集膚效應(yīng)，式(23)給出的關(guān)系也是成立的，過程如下：

ω₂＝Nω,

式中μ為磁導(dǎo)率、σ為導(dǎo)體電導(dǎo)率。

因此，式(23)給出了導(dǎo)線半徑縮尺倍數(shù)和電導(dǎo)率增加倍數(shù)應(yīng)滿足一定的協(xié)同關(guān)系。

所述導(dǎo)線半徑縮尺倍數(shù)和電導(dǎo)率增加倍數(shù)應(yīng)滿足的協(xié)同關(guān)系的具體的縮尺方案為：

縮尺方案1：等比例縮尺

等比例縮尺是指導(dǎo)線半徑以及線路橫向尺寸的縮尺程度與長(zhǎng)度縮尺程度相同，即：

N₁＝N

N₂＝N (26)

此時(shí)，導(dǎo)線的電導(dǎo)率需等比例增加N倍。

縮尺方案2：等電導(dǎo)率縮尺

等電導(dǎo)率縮尺是指導(dǎo)線的電導(dǎo)率不變，即：

N₂＝1

此時(shí)，導(dǎo)線的橫向尺寸縮尺比例為縱向尺寸縮尺比例的平方根。

縮尺方案3：等半徑縮尺

等半徑縮尺是指導(dǎo)線的半徑，線路的橫向尺寸保持不變，即：

N₁＝1

N₂＝1/N (28)

此時(shí)，導(dǎo)線的電導(dǎo)率需等比例減小到1/N。

實(shí)際中，導(dǎo)線都采用金屬材料，其電導(dǎo)率幾乎不能改變，因此，

縮尺方案2：等電導(dǎo)率縮尺；

由于要改變導(dǎo)線的電導(dǎo)率，縮尺方案2的等電導(dǎo)率縮尺不易實(shí)現(xiàn)；因此優(yōu)選方案1和3，其中，線路橫向尺寸同時(shí)縮減到之前的導(dǎo)線電導(dǎo)率不變，線路長(zhǎng)度縮短N(yùn)倍，頻率提高N倍時(shí)，線路單位長(zhǎng)L和C保持不變。

自電位系數(shù)P_ii和互電位系數(shù)P_ij分別為：

q＝P^-1u＝Cu,Y＝j(luò)ωC (31)

式中q為線電荷密度，u為導(dǎo)線對(duì)地電壓，P為電位系數(shù)矩陣。

由上式可見，線路橫向參數(shù)x、y、r都縮減到之前的時(shí)，P_ii和P_ij都不變，因此線路單位長(zhǎng)C在縮尺前后保持不變。

自阻抗Z_ii和互阻抗Z_ij的計(jì)算公式如下：

式中p為電磁波在大地中的復(fù)透射深度，μ為磁導(dǎo)率、σ為電導(dǎo)率。

由上式可見，線路橫向參數(shù)x、y、r都縮減到之前的p縮減到之前的μ₀不變，因此線路單位長(zhǎng)L在縮尺前后保持不變。

本發(fā)明的有益效果是可以保證輸電線路縮尺前后的等效性，準(zhǔn)確模擬真實(shí)輸電線路。具有線路容易搭建、等效性好等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是一種三角形排列方式輸電線路幾何示意圖。

圖2是一種水平排列方式輸電線路幾何示意圖。

圖3 PSCAD仿真模型。

圖4原線路激勵(lì)源電壓。

圖5原線路負(fù)載電壓。

圖6縮尺線路激勵(lì)源電壓。

圖7縮尺線路負(fù)載電壓。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出一種輸電線路縮尺等效物理實(shí)驗(yàn)方法，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明。

實(shí)施例1

如圖1所示，某交流1000kV特高壓輸電線路的導(dǎo)線呈三角形排列。選取工作頻率f為10kHz，縮尺200倍，選取導(dǎo)線電導(dǎo)率不變的縮尺方案，即：N＝200，N₁＝14.14，N₂＝1，縮尺前后的線路參數(shù)如表2所示。

表2導(dǎo)線三角形排列、縮尺200倍時(shí)縮尺前后線路參數(shù)

實(shí)施例2

如圖1所示，某交流1000kV特高壓輸電線路導(dǎo)線呈三角形排列。選取工作頻率f為100kHz，縮尺2000倍，選取導(dǎo)線電導(dǎo)率不變的縮尺方案，即：N＝2000，N₁＝44.72，N₂＝1，縮尺前后的線路參數(shù)如表3所示。利用PSCAD仿真，驗(yàn)證縮尺前后線路的等效性，半波長(zhǎng)輸電的原模型和縮尺模型都如圖3所示；

表3導(dǎo)線三角形排列、縮尺2000倍時(shí)縮尺前后線路參數(shù)

其中給定電壓源線電壓幅值為1000kV，兩種模型的電壓幅值和負(fù)載大小取值一樣，負(fù)載大小分別取匹配負(fù)載值Z_C，0.5Z_C，2Z_C，開路四種情況。其中原模型的輸電線長(zhǎng)度為3000km，導(dǎo)線半徑43.48cm，電壓源頻率為50Hz；縮尺模型中輸電線長(zhǎng)度為1.5km，導(dǎo)線半徑0.972cm，電壓源頻率100kHz，特征阻抗為245Ω。

當(dāng)負(fù)載Z＝Zc時(shí)，原模型和縮尺模型激勵(lì)源電壓波形變化和負(fù)載電壓變化分別如圖4至圖7所示；兩種模型下的負(fù)載電壓幅值結(jié)果如表4所示，同理其他兩種負(fù)載情況相對(duì)誤差在0.7％以內(nèi)，等效性較好。

實(shí)施例3

如圖2所示，某交流1000kV特高壓輸電線路導(dǎo)線水平排列。選取工作頻率f為10kHz，縮尺200倍，選取導(dǎo)線電導(dǎo)率不變的縮尺方案，即：N＝200，N₁＝14.14，N₂＝1，縮尺前后的線路參數(shù)如表5所示。

表4兩種模型下的負(fù)載電壓

表5導(dǎo)線水平排列、縮尺200倍時(shí)縮尺前后線路參數(shù)