本發(fā)明屬于高壓架空輸電技術領域，特別涉及一種輸電線路的縮尺等效物理實驗方法。

背景技術：

21世紀以來，隨著世界能源需求增大，各國對電力資源開發(fā)也開始加速。但大多一次能源的分布都距離負荷中心較遠，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、中國西北的煤炭資源等。超遠距離、大容量輸電技術正重新引起各國學者的重視。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，正在研究點對點、超遠距離、大容量的半波長(3000km)輸電方式。

特高壓半波長交流輸電線路相對于常規(guī)特高壓線路有兩個特點：一是線路長，物理尺寸約3000km(電氣尺寸0.5個波長)；二是具有敏感性(長度固定在0.5個電氣長度)。在理想情況(無損)下，半波長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載阻抗，相當于負載直接接在電源上。理想情況下，半波長線路的穩(wěn)態(tài)功率極限可以達到無窮大，但實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；另一種是動態(tài)模擬試驗(動模試驗)。利用軟件仿真優(yōu)點是省時省力，但不能完整的考慮比較復雜的條件，例如：土壤電阻率、鄰近線路、線路混合架設等。動模試驗是根據(jù)相似理論，用和原型系統(tǒng)具有相同物理性質的相似元件建立起來的，將長距離輸電線路分成很多個π型等效電路，只能反映線路上各個節(jié)點的特性，不能反映沿線的特性。

技術實現(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驗方法，其特征在于，包括如下步驟：

1)首先設定輸電線路縮尺的等效物理實驗是以超遠距離、大容量的半波長(3000km)輸電方式，半波長輸電線路的尺寸等于光速在一個周期內的傳播距離，即λ＝3×10⁸/f(m) (1)

式中，f以Hz為單位。

半波長為

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，輸電線路的單位長阻抗Z＝R+jωL，導納Y＝G+jωC；R為單位長電阻，L為電感，G為電導和C為電容，ω為頻率；

輸電線路縮尺等效物理實驗的縮尺倍數(shù)與頻率及半波長的關系如表1所示，

表1頻率、半波長以及縮尺倍數(shù)的關系

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度和負載的阻抗；

4)將半波長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，同時特征阻抗Zc保持不變，即

γ→Nγ (7)

Z_c→Z_c (8)

由于

為了達到上述效果，應有：

ω→Nω (11)

L→L (12)

C→C (13)

R→NR (14)

因此，ω頻率需要提高到N倍，同時保證單位長L和C保持不變，由此要求：

(1)輸電線路的縱向長度(即半波長輸電線路的長度)縮減到之前的1/N；

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

(3)導線的電導率增加到之前的N₂倍，以保證單位長度的電阻正好增加N倍。

為了保證單位長度的電阻正好增加N倍，則N₁和N₂滿足

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

ω₂＝Nω,

式中μ為磁導率、σ為導體電導率。

因此，式(23)給出了導線半徑縮尺倍數(shù)和電導率增加倍數(shù)應滿足一定的協(xié)同關系。

所述導線半徑縮尺倍數(shù)和電導率增加倍數(shù)應滿足的協(xié)同關系的具體的縮尺方案為：

縮尺方案1：等比例縮尺

等比例縮尺是指導線半徑以及線路橫向尺寸的縮尺程度與長度縮尺程度相同，即：

N₁＝N

N₂＝N (26)

此時，導線的電導率需等比例增加N倍。

縮尺方案2：等電導率縮尺

等電導率縮尺是指導線的電導率不變，即：

N₂＝1

此時，導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

等半徑縮尺是指導線的半徑，線路的橫向尺寸保持不變，即：

N₁＝1

N₂＝1/N (28)

此時，導線的電導率需等比例減小到1/N。

實際中，導線都采用金屬材料，其電導率幾乎不能改變，因此，

縮尺方案2：等電導率縮尺；

由于要改變導線的電導率，縮尺方案2的等電導率縮尺不易實現(xiàn)；因此優(yōu)選方案1和3，其中，線路橫向尺寸同時縮減到之前的導線電導率不變，線路長度縮短N倍，頻率提高N倍時，線路單位長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＝jωC (31)

式中q為線電荷密度，u為導線對地電壓，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，P_ii和P_ij都不變，因此線路單位長C在縮尺前后保持不變。

自阻抗Z_ii和互阻抗Z_ij的計算公式如下：

式中p為電磁波在大地中的復透射深度，μ為磁導率、σ為電導率。

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，準確模擬真實輸電線路。具有線路容易搭建、等效性好等優(yōu)點。

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原線路激勵源電壓。

圖5原線路負載電壓。

圖6縮尺線路激勵源電壓。

圖7縮尺線路負載電壓。

具體實施方式

本發(fā)明提出一種輸電線路縮尺等效物理實驗方法，下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細說明。

實施例1

如圖1所示，某交流1000kV特高壓輸電線路的導線呈三角形排列。選取工作頻率f為10kHz，縮尺200倍，選取導線電導率不變的縮尺方案，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導線三角形排列、縮尺200倍時縮尺前后線路參數(shù)

實施例2

如圖1所示，某交流1000kV特高壓輸電線路導線呈三角形排列。選取工作頻率f為100kHz，縮尺2000倍，選取導線電導率不變的縮尺方案，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，驗證縮尺前后線路的等效性，半波長輸電的原模型和縮尺模型都如圖3所示；

表3導線三角形排列、縮尺2000倍時縮尺前后線路參數(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載大小取值一樣，負載大小分別取匹配負載值Z_C，0.5Z_C，2Z_C，開路四種情況。其中原模型的輸電線長度為3000km，導線半徑43.48cm，電壓源頻率為50Hz；縮尺模型中輸電線長度為1.5km，導線半徑0.972cm，電壓源頻率100kHz，特征阻抗為245Ω。

當負載Z＝Zc時，原模型和縮尺模型激勵源電壓波形變化和負載電壓變化分別如圖4至圖7所示；兩種模型下的負載電壓幅值結果如表4所示，同理其他兩種負載情況相對誤差在0.7％以內，等效性較好。

實施例3

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

表4兩種模型下的負載電壓

表5導線水平排列、縮尺200倍時縮尺前后線路參數(shù)