有限元法

输电线路电磁环境是社会公众高度关注的问题，经常发生邻近居民阻止项目建设、投诉电磁环境伤害的纠纷事件。电磁环境已经成为电网建设及运营、电力供应的重大外部制约因素。电晕放电和电磁环境控制措施是在输电线路设计与建设阶段实施的，然而，输电线路投运后导线表面持续积污，表面状态粗糙度持续改变，引发电晕特性持续改变，电晕放电恶化，电磁环境劣化甚至超标，但目前不掌握定量性的变化规律，亟待解决；电磁环境预测是线路设计中极为重要的关键环节，目前工程上通用的平面镜像法缺乏对复杂状况的预测能力，需要补充提高；电磁环境纠纷往往起源于对电磁环境的过度忧虑，消除疑虑的人体电磁感应评估技术有待发展提高。 针对上述技术需求开展攻关，本项目提出了电网长期运行实际导线表面状态的定量测试方法，建立了长期运行导线表面特征图谱库，取得了以往未知的长期运行导线表面状态的变化规律和量化数据，发现了导线表面粗糙度随运行年限和污区等级变化的规律，提出了表面粗糙度 Ra 计算公式。实现了对运行中导线表面状态的量化评估，为电晕放电控制提供科学依据和指导。发现了长期运行输电导线电晕特性、电磁环境的变化规律及量化数据，提出了导线粗糙系数定量计算方法，指导输电线路设计实现电晕放电和电磁环境精准控制，避免长期运行后电晕放电恶化，确保输电线路全运行寿命期内电磁环境始终达标。建立了复杂地面情况下的输电线路工频电场模型，对斜坡地面首次采用几何变换处理方法，对一般复杂地面采用表面电荷模拟，实现了复杂情况下工频电场强度的预测评估，计算简化，效率提高，提高了复杂状况电磁环境预测能力。结合有限元法和模拟电荷法的各自优势，提出并建立了基于有限元法和模拟电荷法及表面电荷法的工频电场混合模型。建立了工频电磁场人体电磁感应模型，实现了人体电磁场分布计算，实现了人体电磁感应评估，提高了计算效率。 项目获授权发明专利 3 项，实用新型专利 1 项，软件著作权 2 项。发表论文 17 篇，SCI/EI收录 10 篇。项目成果自2015 年 1 月开始应用，目前已经在 170 条 110kV-500kV 输电线路设计中应用，在数百个环保技术服务、环评和安全卫生评价等项目中应用，效果良好。项目成果使输电线路全运行寿命期内电磁环境达标，避免超标影响电网建设运营、电力供应和人体健康，同时防止过度控制造成建设成本浪费，具有重大环境效益、经济效益和社会效益。具有很大的推广应用前景。项目通过科技成果鉴定，整体达到国际先进水平。

项目的实施可为电网电缆输电线跆故障智能诊断系统的工程化应用草定基础，也为进一步研究和全面实现电力电缆线路的故厚预警预报提供重要技术支荐，主要应用优势体现在以下几个方面： (1)构建电力电缆多源测试数据、运行状况、电缆基础参数与电力电缆运行状态的关联体系，以单条电力电缆为最小单元的电力电缆风险评估软件的应用可获得相关电缆运行状态的科学评估结果，为电缆线路运维部门主动规避故障风险提供辅助决策信息。同时，以电力电缆有限元分析软件为辅助，提出了有选择、有差别、有针对、有偏重的电力电缆运维检修工作策略，以达到电力电缆运维检修工作的经济最优。 (2)提出了基于有限元法的电缆三维立体电场分析方法，揭示了电缆本体及附件从缺陷产生到故障的电场分布演化机理，发现了其故障下的电势梯度和电场强度变化特征，实现了从电缆故障表象到原因的逆推。在实用性、先进性等各方面部达到了新的技术高度。 (3)提出丁工频、振荡波、超低频不同激励源下局部放电的等效评估方法，揭示丁三种不同激励源输入参数与电缆局部放电响应特性的关联关系，确定丁振荡波、超低频电压试验在电缆绝缘缺陷诊断中的最优应用场景。提出丁基于改进BP神经网络算法的电缆放电模式识别方法，从三维放电谱图中提取了正负半波的偏斜度、峰值个数等七个权值最优的特征量，准确辨识电缆产品质量不良、施工工艺不当的典型缺陷，解决了电缆局部放电类型识别率低的难题。本项目具备非常广阔的推广应用前景。

油-纸界面的局部放电是油浸式变压器中油-纸绝缘失效的主要原因之一。文中在多分支流注放电数值模型的基础上进一步考虑油-纸界面的电荷输运特性，构建油-纸绝缘系统中的多分支流注放电模型，并利用有限元法分别对天然酯绝缘油和绝缘纸介电常数配比、针电极与纸板的间距影响下的沿面放电特性进行研究。结果表明，针电极与纸板的间距及绝缘油与绝缘纸的介电常数配比均会显著影响流注分支；针电极与纸板的间距越小，油-纸界面处的流注分支间的抑制越明显，油-纸界面的流注对z-轴流注的影响更显著；当绝缘油介电常数比纸板大时，流注在油中的发展和分支更为显著，反之则流注更易沿纸板表面发展及在油-纸界面聚集电荷。

超特高压交流架空输电线路运行时，导线上的电荷将在空间产生工频电场，工频电场的波长为6×106m,远大于所讨论的电磁系统的最大线度尺寸，所以可将工频电场视为准静态场，它所产生的效应可按静态场来进行处理和分析。 现在常用的计算电磁场的方法有：有限差分法、有限元法和模拟电荷法。对于高压静电场无界空间问题而言，模拟电荷法更适用。模拟电荷法的基本思想在于用设置在电极内部或不同介质区中的若干个虚设电荷模拟电极表面上电荷分布及介质分界面上的束缚电荷。由静电场理论可知，电位满足拉普拉斯方程或泊松方程。根据惟一性定理，用这些虚设的模拟电荷代替电极表面连续分布的电荷或介质表面连续分布的束缚电荷，只要这些模拟电荷在边界上产生的电位满足给定的边界条件，那么可以用这些虚设的模拟电荷来计算整个场域的电场。 本课题采用模拟电荷法对架空输电线路产生的工频电场进行计算，建立架空输电线路周边典型建筑物的几何参数等效模型，计算其周围场域中不同位置的电场强度，分析其分布规律和对周围电磁环境的影响，并对架空输电线路一侧有建筑物时的

综合管廊是建于城市地下用于容纳两类及以上城市工程管线的构筑物及附属设施。2016 年 2 月 2 日，国务院发布《国务院关于深入推进新型城镇化建设的若干意见》【国发办〔2016〕8 号】，提出实施城市地下管网改造工程，推动城市新区、各类园区、成片开发区的新建道路同步建设地下综合管廊，老城区要结合地铁建设、河道治理、道路整治、旧城更新、棚户区改造等逐步推进地下综合管廊建设，鼓励社会资本投资运营地下综合管廊。目前，综合管廊建设已经成为一个新兴的市政建设行业，我院着手将已掌握的新技术、好方法移植到城市综合管廊建设中。近年来，随着信息技术及三维设计的迅速发展，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）正在成为城市综合管廊建设及运行维护管理的一个必然趋势，这也是昆明院转型升级的一个有力支撑。建筑信息模型（BIM）是以工程项目各项信息数据为基础，建立整个建筑模型的理念和方法。以 BIM 模型为基础，通过集成设计、施工、运行各阶段的相关信息，实时反映工程进度状态，相关各方共享集成信息，以达到缩短开发周期、降低能耗，提高安全管理能力的目的。时空效应指在管廊施工过程中，由于基坑开挖和回填，造成施工范围内土体随施工过程的变形，这种变形将影响临近构筑物的安全。综合管廊建于城市，周边通常有既有的构筑物，传统设计难以考虑时空效应。本设计模式通过有限元法(FEM，Finite Element Method)数值技术模拟时空效应。不需要作过多假设，不仅能有效解决传统地下工程计算精度不足的问题，而且能模拟复杂的施工过程，因而成为行之有效的工程分析手段。

为了准确分析油浸式电力变压器绕组端部漏磁场的分布情况，以油浸式三相变压器绕组为例，使用AnsoftMaxwell2D计算软件建立其纵切面简化模型并进行二维磁场分析，得出了油浸式电力变压器绕组漏磁场的分布。为了降低绕组涡流损耗，采用三种措施改善漏磁场的分布情况，通过对比这三种措施得到的结果，得出相应的结论；同时，使用工程上常用计算公式法和有限元法计算绕组涡流损耗值，并比较两种方法得到的结果，说明仿真结果可靠性，以及在变压器实际工程应用研究具有一定参考价值。