方芳,黃韜,呂建紅,陽(yáng)金純,陶莉

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

±500 kV直流架空線路地面合成場(chǎng)實(shí)測(cè)與計(jì)算

方芳,黃韜,呂建紅,陽(yáng)金純,陶莉

(國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長(zhǎng)沙410007)

采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和仿真計(jì)算相結(jié)合的方法，研究±500 kV直流架空線路地面合成電場(chǎng)及離子流密度的分布規(guī)律，并討論相關(guān)參數(shù)的設(shè)定問(wèn)題，驗(yàn)證基于Deutsch假設(shè)的解析計(jì)算法的工程實(shí)用性，為特/超高壓直流輸電線路的初步設(shè)計(jì)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、竣工環(huán)保驗(yàn)收等環(huán)節(jié)提供技術(shù)支持。

高壓直流；輸電線路；合成電場(chǎng)；Deutsch假設(shè)；電磁環(huán)境

高壓直流輸電技術(shù)需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題是其產(chǎn)生的空間合成電場(chǎng)對(duì)線路走廊附近電磁環(huán)境的影響。直流輸電線路因電暈放電產(chǎn)生的空間離子流場(chǎng)顯著地增強(qiáng)了空間電場(chǎng),使得其電場(chǎng)分布規(guī)律不同于交流線路。為了滿足湖南省特高壓直流建設(shè)的需要,為超高壓直流輸電線路尤其是特高壓直流線路的初步設(shè)計(jì)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、竣工環(huán)保驗(yàn)收等環(huán)節(jié)提供技術(shù)指導(dǎo),以及為線路電磁環(huán)境糾紛處理、運(yùn)行單位的日常管理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐,需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算對(duì)高壓直流輸電線路的電場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行深入研究。

目前高壓直流輸電線路電場(chǎng)計(jì)算方法有解析法、半經(jīng)驗(yàn)公式法和有限元法。解析法〔1,2〕以Deutsch假設(shè)為基礎(chǔ),計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)際吻合較好；半經(jīng)驗(yàn)公式法〔3〕簡(jiǎn)單,但使用限制較多；有限元法〔4〕理論計(jì)算精度最高,但程序編制復(fù)雜、計(jì)算耗時(shí)長(zhǎng),不適合大區(qū)域空間計(jì)算。

文中以 Deutsch假設(shè)〔2〕為基礎(chǔ),計(jì)算了±500 kV江城線湖南境內(nèi)某檔距段地面處合成電場(chǎng)強(qiáng)度和離子流密度,并與該線路實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比。

1 計(jì)算方法

根據(jù)Deutsch假設(shè),空間電荷只影響電場(chǎng)幅值而不影響其方向,合成電場(chǎng)Es與標(biāo)稱電場(chǎng)E的關(guān)系可表示為

式(1)—(2)中,A為標(biāo)量函數(shù),Es與E為向量,J為電流密度,K為離子遷移率,ρ為空間電荷密度。

根據(jù)電磁場(chǎng)理論,

聯(lián)立式(1)—(4),得

若不考慮正、負(fù)極起暈特性的差異,則利用Peek公式〔5〕可估算正負(fù)極導(dǎo)線表面起暈電場(chǎng)E0:

式 (7)中 m為導(dǎo)線表面粗糙系數(shù),r為子導(dǎo)線半徑。

若考慮正、負(fù)極起暈特性的差異,利用Peek公式〔5〕可分別估算正、負(fù)極導(dǎo)線表面起暈電場(chǎng)E0＋和E0－:

對(duì)于給定的ρe,由式 (6)得到的ρ(φ)計(jì)算得到相應(yīng)的平均電荷密度ρm,如式 (10)所示:

平均電荷密度ρm又可表示為

通過(guò)弦截迭代法〔6〕,最終可得到起暈后導(dǎo)線表面的電荷密度ρe。可進(jìn)一步通過(guò)式 (5)和式(6)分別求得標(biāo)量函數(shù)A和電荷密度ρ,代入式(1),(2)即可分別計(jì)算出合成電場(chǎng)Es與離子電流密度J。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為了驗(yàn)證Deutsch解析法的工程實(shí)用性,選取±500 kV江城線湖南境內(nèi)某檔距段面對(duì)地面合成電場(chǎng)和離子流進(jìn)行了實(shí)測(cè)。

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)所用主要儀器見(jiàn)表1。

2.2 線路參數(shù)

線路主要參數(shù)見(jiàn)表2。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)布置

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖1所示:試驗(yàn)斷面位于檔距中央,從負(fù)極側(cè)向正極側(cè)共布置10個(gè)合成場(chǎng)探頭和離子流板,同時(shí)測(cè)試10個(gè)點(diǎn)的合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度,其中第6個(gè)點(diǎn)位于兩極中心處 (未布置合成場(chǎng)探頭和離子流板),5,6,7這3個(gè)點(diǎn)間隔3.5m,其余各測(cè)點(diǎn)均間隔5.0m。以第6個(gè)點(diǎn)為原點(diǎn) (O點(diǎn)),垂直于導(dǎo)線建立如圖1(a)所示二維直角坐標(biāo)系。

2.4 測(cè)試結(jié)果

在圖1中所示測(cè)點(diǎn)共進(jìn)行2次試驗(yàn),同時(shí)測(cè)試斷面各點(diǎn)的地面合成電場(chǎng)強(qiáng)度和離子流密度,每次試驗(yàn)測(cè)試時(shí)長(zhǎng)為30min。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析,分別得到2次試驗(yàn)的合成場(chǎng)95%測(cè)值和離子流密度90%測(cè)值共4組數(shù)據(jù),見(jiàn)表3。

由表3中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知,地面合成電場(chǎng)強(qiáng)度和離子流密度最大值分別為－8.49 kV/m和2.6 nA/m2,均小于DL/T 1088—2008《±800 kV特高壓直流線路電磁環(huán)境參數(shù)限值》中規(guī)定的限值要求。

3 計(jì)算驗(yàn)證與討論

依據(jù)第1節(jié)介紹的Deutsch解析法編制計(jì)算程序,對(duì)表3中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算校核,實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本一致。

3.1 計(jì)算參數(shù)選取

計(jì)算中,直流線路參數(shù)選取參見(jiàn)表2,導(dǎo)線表面粗糙系數(shù) (m)及離子遷移率 (K)選取如下所述。

導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)m的取值直接影響起暈場(chǎng)強(qiáng)的大小。對(duì)于光滑潔凈的導(dǎo)線來(lái)說(shuō),m＝1。而實(shí)際中的輸電線路,由于導(dǎo)線的絞合、表面污穢、水滴和局部損傷的影響,表面粗糙度能降至0.3～0.6之間。加拿大的TESHMONT咨詢公司參與過(guò)中國(guó)的葛上直流、天廣直流等線路的設(shè)計(jì)研究,是一家國(guó)際上較為權(quán)威的咨詢機(jī)構(gòu),在計(jì)算三常直流線路地面合成場(chǎng)強(qiáng)時(shí),采用m＝0.381〔7〕。文中m的取值參照TESHMONT咨詢公司取為0.381。

宋明理學(xué)包含兩大流派——“程朱理學(xué)”和“陸王心學(xué)”，這兩大流派代表人物的觀點(diǎn)中有相同之處也有不同之處，學(xué)生難以區(qū)分，因此教師可提供以下幾則材料幫助學(xué)生分析理解“程朱理學(xué)”與“陸王心學(xué)”的異同。

不同學(xué)者所建議的離子遷移率K差異較大〔8〕,正、負(fù)離子遷移率取值在1.2～2.0 m2/V·s間變化。不同學(xué)者所使用的離子遷移率差異較大,這可能是由其計(jì)算的輸電線路所處的環(huán)境所決定的。對(duì)于離子遷移率這一參數(shù)的選取,雖然尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可循,但研究普遍認(rèn)為離子遷移率與計(jì)算所得地面離子流密度的大小呈線性關(guān)系 (離子遷移率取值越大,地面離子流密度越大),但對(duì)計(jì)算所得地面合成場(chǎng)強(qiáng)影響較小。文中參考Zhao Tiebin等人較為保守的取值 (較大取值)〔9〕,取K＝1.7×10－4m2/V·s。

3.2 計(jì)算與實(shí)測(cè)比較分析

計(jì)算與實(shí)測(cè)比較結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果均表明,由于負(fù)極導(dǎo)線的起暈電壓小于正極起暈電壓,負(fù)極導(dǎo)線側(cè)相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的地面合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度總體要大于負(fù)極側(cè)。當(dāng)考慮正負(fù)極起暈場(chǎng)強(qiáng)差別時(shí),計(jì)算得到的地面合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度與實(shí)測(cè)結(jié)果符合較好。當(dāng)不考慮正負(fù)極起暈場(chǎng)強(qiáng)差別時(shí),負(fù)極側(cè)的地面合成場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算值與實(shí)測(cè)較為接近,而正極側(cè)明顯高于實(shí)測(cè)值。

此外,由圖2中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知,2次試驗(yàn)數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)波動(dòng),而表2中線路運(yùn)行電壓等參數(shù)幾乎沒(méi)有變化,說(shuō)明影響直流線路下地面合成場(chǎng)和離子流密度的因素并不僅限于表2中的相關(guān)參數(shù)。而理論計(jì)算已經(jīng)證明,若線路運(yùn)行參數(shù)不變,直流標(biāo)稱電場(chǎng)也不發(fā)生改變。因此可以推測(cè),必然是直流線路的離子流場(chǎng)發(fā)生了變化,離子流場(chǎng)與標(biāo)稱電場(chǎng)疊加后,才導(dǎo)致合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度發(fā)生了相應(yīng)波動(dòng),這一點(diǎn)是交、直流輸電線路線下電場(chǎng)產(chǎn)生機(jī)理的最顯著差異。Deutsch假設(shè)認(rèn)為空間帶電離子只沿標(biāo)稱場(chǎng)的電力線運(yùn)動(dòng),實(shí)際上是一種非常理想的假設(shè)。實(shí)際線路下,風(fēng)速的影響不可忽略不計(jì)。在風(fēng)力的作用下,空間帶電離子的運(yùn)動(dòng)受空氣粒子的碰撞可能會(huì)偏離電力線的相應(yīng)軌跡,導(dǎo)致離子流場(chǎng)發(fā)生變化,最終使合成電場(chǎng)發(fā)生隨機(jī)性的波動(dòng)。目前,有限元法已經(jīng)能計(jì)算恒定風(fēng)速作用下的合成電場(chǎng),但實(shí)際風(fēng)速和風(fēng)向具有較大的隨機(jī)性,用恒定風(fēng)速矢量來(lái)描述線路附近空間范圍內(nèi)的風(fēng)力場(chǎng)并不完全符合實(shí)際,因此有限元法的工程實(shí)用價(jià)值有限。綜合來(lái)看,基于Deutsch假設(shè)的解析法在靜風(fēng)條件下合成場(chǎng)的計(jì)算中仍然是一種實(shí)用性很強(qiáng)的工程算法,推薦在直流線路的初步設(shè)計(jì)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)中使用該方法對(duì)直流線路的電磁環(huán)境進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4 結(jié)論

基于Deutsch假設(shè)的解析計(jì)算法是一種有效、實(shí)用的工程算法,能夠基本滿足直流輸電線路地面合成電場(chǎng)和離子流密度預(yù)測(cè)的精度要求。建議在特/超高壓直流輸電線路的初步設(shè)計(jì)、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、竣工環(huán)保驗(yàn)收等環(huán)節(jié)中采用該算法作為技術(shù)指導(dǎo)。

不考慮正、負(fù)極導(dǎo)線起暈場(chǎng)強(qiáng)差別時(shí),計(jì)算結(jié)果能夠基本反映負(fù)極導(dǎo)線側(cè)的地面合成電場(chǎng)和離子流密度分布；考慮正、負(fù)極導(dǎo)線起暈場(chǎng)強(qiáng)差別時(shí),計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果更為接近。

影響直流線路合成電場(chǎng)和離子流密度的因素較多,需要進(jìn)一步研究正、負(fù)極導(dǎo)線的起暈特性和相關(guān)參數(shù)設(shè)定,才能更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)直流線路的地面合成電場(chǎng)和離子流密度分布。

〔2〕傅賓蘭.高壓直流輸電線路地面合成場(chǎng)強(qiáng)與離子流密度計(jì)算〔J〕.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),1987,7(5):57-63.

〔3〕JOHNSON G B.Degree of corona saturation for HVDC transmission lines〔J〕.IEEE Transactions on Power Delivery,1990,5(2): 695-703.

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〔5〕Sarma M P.Corona performance of high-voltage transmission lines〔M〕.England:Research Studies Press Ltd.,2000:179-211.

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〔7〕Teshmont Consultants Inc.Gezhouba－Shanghai±500 kV transmission system report on transmission line studies〔R〕.Winnipeg: Teshmont Consultants Inc,1983.

〔8〕崔翔.高壓直流輸電線路離子流場(chǎng)計(jì)算方法研究進(jìn)展〔J〕.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2012,32(36):130-141.

〔9〕Zhao Tiebin.Measurement and calculation of hybrid HVAC and HVDC power line corona effects〔D〕.Ohio:The Ohio State University,1995.

Test and calculation research of total electrical field at ground level for±500 kV HVDC overhead transm ission line

FANG Fang,HUANG Tao,LV Jian-hong,YANG Jin-chun,TAO Li
(State Grid Electric Power Corporation Research Institute,Changsha 410007,China)

The distribution rules of total electric field and ion current density at ground level of±500 kV HVDC Lines are investigated through combination of testand simulationmethods,and the simulation parametersare also discussed.The field test result is consistentwith the resultof simulation,so the engineering probability of analytic calculationmethod based on Deutsch method has been verified.The Deutsch method can provide technical support in preliminary design,environmental impact assessment and environmental protection acceptance of HVDC transmission lines.

HVDC；transmission line；total electric field；Deutsch assumption；electromagnetic environment

TM752.1

B

1008-0198(2014)01-0001-04

方芳(1967),女,大學(xué)本科,工程師,主要從事電力系統(tǒng)電磁環(huán)境試驗(yàn)與研究工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.01.001

2013-06-03

國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司重點(diǎn)科技項(xiàng)目 (KZ12K16004)

黃韜(1988),男,工學(xué)碩士,助理工程師,主要從事電力系統(tǒng)電磁環(huán)境與電磁兼容的試驗(yàn)與研究工作。

呂建紅 (1981),男,工學(xué)博士,工程師,主要從事電力系統(tǒng)電磁環(huán)境與電磁兼容的試驗(yàn)與研究工作。