蒿文華， 周艷君

(內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司錫林郭勒超高壓供電局，內(nèi)蒙古 錫林浩特026000)

±160kV柔性直流輸電線路電磁環(huán)境研究

蒿文華， 周艷君

(內(nèi)蒙古電力(集團(tuán))有限責(zé)任公司錫林郭勒超高壓供電局，內(nèi)蒙古 錫林浩特026000)

為了改善±160kV柔性直流輸電線路的電磁環(huán)境，闡述了地面電場(chǎng)及離子電流密度的計(jì)算方法，將直流輸電線路簡化為二維結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上對(duì)1×JL/LB1A-300/40和1×JL/LB1A-630/45兩種鋼芯鋁絞線的地面合成電場(chǎng)及離子電流密度進(jìn)行了預(yù)估，從而計(jì)算出導(dǎo)線離地面的最小高度，為線路的拆遷范圍提供了理論依據(jù)。研究結(jié)果表明，直流線路會(huì)使地面場(chǎng)強(qiáng)增加并出現(xiàn)離子電流現(xiàn)象，增加導(dǎo)線對(duì)地高度能夠降低地面電場(chǎng)強(qiáng)度及離子電流密度，線路的拆遷范圍不受電磁環(huán)境控制。

柔性直流輸電線路；地面合成電場(chǎng)；離子電流密度

目前，中國南方電網(wǎng)在汕頭南澳島近區(qū)進(jìn)行“大型風(fēng)電場(chǎng)柔性直流輸電接入技術(shù)研究與開發(fā)”示范工程建設(shè)，規(guī)劃建成一個(gè)電壓等級(jí)為±160kV，輸送容量為200MW的4端柔性直流輸電系統(tǒng)，服務(wù)于青澳、牛頭嶺、云澳和塔嶼風(fēng)電場(chǎng)。配套線路包括風(fēng)電場(chǎng)升壓站至新建換流站的110kV交流線路、青澳換流站至金牛換流站±160kV直流線路、金牛換流站至塑城換流站±160kV直流線路以及塑城換流站至塑城變電站的110kV交流線路。新建輸電線路均按單回路設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)輸送容量，青澳換流站至金牛換流站±160kV直流線路采用1×JL/LB1A-300/40鋼芯鋁絞線，金牛換流站至塑城換流站±160kV直流線路采用1×JL/LB1A-630/45鋼芯鋁絞線。在實(shí)際的工程實(shí)施中，需要保證直流輸電線路的電磁環(huán)境[1-4]，降低可聽噪聲指標(biāo)。本文將直流輸電線路進(jìn)行二維簡化，對(duì)其電磁環(huán)境的相關(guān)參量進(jìn)行理論計(jì)算，并對(duì)上述兩種鋼芯鋁絞線的地面合成電場(chǎng)及離子電流進(jìn)行預(yù)估，結(jié)合相應(yīng)的可聽噪聲指標(biāo)，為直流輸電線的設(shè)計(jì)高度提供合理建議。

1 地面電場(chǎng)及離子電流密度

直流線路電暈[5，6]放電所產(chǎn)生的電荷在空間形成電離區(qū)和極間區(qū)。電離區(qū)內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度很高，電子碰撞電離以電子崩的形式產(chǎn)生很多帶電粒子，與導(dǎo)線極性相反的帶電粒子向?qū)Ь€方向運(yùn)動(dòng)，最后進(jìn)入導(dǎo)線或在導(dǎo)線表面被中和。極性相同的粒子背離導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)，這樣極間區(qū)充滿了與導(dǎo)線同極性的離子。由于空間電荷本身產(chǎn)生電場(chǎng)，大大加強(qiáng)了由導(dǎo)線電荷產(chǎn)生的靜電場(chǎng)(又稱標(biāo)稱電場(chǎng))，同時(shí)形成離子電流。地面場(chǎng)強(qiáng)的增加和離子電流的出現(xiàn)是直流輸電線路電磁環(huán)境問題區(qū)別于交流線路的重要特征之一。直流輸電線路下方的標(biāo)稱電場(chǎng)和合成電場(chǎng)如圖1所示。

圖1 干導(dǎo)線雙極運(yùn)行時(shí)地面標(biāo)稱電場(chǎng)與合成電場(chǎng)(H=5m)

目前，由于直流輸電線路線下離子電流場(chǎng)的仿真研究忽略電暈放電的瞬態(tài)過程，只考慮電暈放電產(chǎn)生電荷及電荷在空間中的分布問題，因此可用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)直流輸電線路離子電流場(chǎng)進(jìn)行理論求解，從而得到電暈損失、地面合成電場(chǎng)強(qiáng)度和離子電流密度。

經(jīng)過試驗(yàn)證明，電力線路產(chǎn)生的電場(chǎng)和離子電流強(qiáng)度對(duì)外部環(huán)境電場(chǎng)的影響比較小，直流線路產(chǎn)生的電場(chǎng)和離子電流一般通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，很難通過實(shí)際應(yīng)用中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。本文對(duì)計(jì)算方案進(jìn)行介紹，并在工程實(shí)際應(yīng)用中開展監(jiān)測(cè)和對(duì)比，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)僅作為驗(yàn)證結(jié)論的正確性，不作為驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性依據(jù)。

2 計(jì)算方法

2.1 計(jì)算方程

將直流輸電線路簡化為二維結(jié)構(gòu)，描述直流離子電流場(chǎng)特性主要方程如下：

泊松方程為

div gradΦ=(ρ--ρ+)/ε0

(1)

正/負(fù)電流密度方程為

(2)

電流連續(xù)性方程為

(3)

總電流密度方程為

j=j++j-

(4)

式中：Φ為電勢(shì)，V；ρ+、ρ-為正、負(fù)空間電荷密度，C/m2；j+、j-、j為正、負(fù)、總離子電流密度，A/m2；k+、k-為正、負(fù)離子遷移率，m2/Vs；W為風(fēng)速，m/s；ε0為空氣介電常數(shù)，其值為8.854×10-12F/m；e為電子電量，1.602×10-19C；R為離子復(fù)合系數(shù)。

空間電位Φ(或電場(chǎng)E)、電荷密度ρ+、ρ-是空間坐標(biāo)的函數(shù)，應(yīng)使用以上公式(1)—(4)對(duì)兩者進(jìn)行求解。根據(jù)方程的非線性特征，實(shí)際求解相當(dāng)困難，要引入各種假設(shè)對(duì)方程進(jìn)行簡化。

2.2 假設(shè)條件

1)空間電荷存在于直流線路下的整個(gè)空間內(nèi)，導(dǎo)線表面電暈放電形成的電離層與空間尺寸相比小很多，忽略此電離層的厚度。

2)正、負(fù)離子遷移率k+、k-與電場(chǎng)強(qiáng)度無關(guān)，是常數(shù)。

3)忽略空間電荷的擴(kuò)散效應(yīng)。

4)起暈后導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度維持在起暈場(chǎng)強(qiáng)(KAptzov假設(shè))。

2.3 邊界條件處理

地面和接地線電勢(shì)Φ=0，輸電線表面電勢(shì)為直流輸電系統(tǒng)標(biāo)稱電壓。此外，確定電暈場(chǎng)分布還需要電場(chǎng)或電荷的邊界條件，本算法使用KAptzov假設(shè)作為邊界條件，即導(dǎo)線表面起暈后場(chǎng)強(qiáng)維持起暈場(chǎng)強(qiáng)。

正極附近

(5)

負(fù)極附近

(6)

2.4 計(jì)算流程

雙極場(chǎng)中獨(dú)立未知量有3個(gè)，這里選取Φ、ρ+、ρ-，將計(jì)算方程化簡合并，得到：

(7)

其中

(8)

計(jì)算電場(chǎng)的基本過程是通過邊界條件由泊松方程和式(7)、(8)計(jì)算未知量電位、正負(fù)電荷密度?？梢韵裙潭姾擅芏确植迹蟪鲆欢姾擅芏确植枷碌目臻g電場(chǎng)，再固定空間電場(chǎng)，計(jì)算電荷密度分布，如此往復(fù)直到電場(chǎng)和電荷密度分布穩(wěn)定，具體的流程如圖2所示。

圖2 電場(chǎng)和電荷密度計(jì)算流程圖

經(jīng)過圖2的計(jì)算步驟，可以得到空間各網(wǎng)格點(diǎn)處的電場(chǎng)和電荷密度。地面合成電場(chǎng)和離子電流密度由計(jì)算結(jié)果的地面部分直接得到。

3 塔型的選擇

由于塔型不同，不同極性導(dǎo)線之間的距離也不相同，極間距離越小，不同極性導(dǎo)線之間的距離越近，因此導(dǎo)線的表面電場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)越高，電暈也就越嚴(yán)重，對(duì)線路下方的合成電場(chǎng)及離子電流密度起到一定的增強(qiáng)作用。另一方面，極間距離越小，正負(fù)離子電流之間的抵消作用就越明顯，因而對(duì)合成電場(chǎng)及離子電流密度起到一個(gè)削弱作用。這兩個(gè)因素哪一個(gè)占據(jù)主導(dǎo)地位，使用的兩種導(dǎo)線型號(hào)應(yīng)對(duì)比極簡距離最大和最小塔型情況下的標(biāo)稱電場(chǎng)、合成電場(chǎng)和地面離子電流密度。

對(duì)于1×JL/LB1A-300/40導(dǎo)線，對(duì)應(yīng)采用16Z31塔型(極間距離最小)和16Z32塔型(極間距離最大)，導(dǎo)線最小對(duì)地高度為6m，計(jì)算得到不同塔型線下的標(biāo)稱電場(chǎng)、合成電場(chǎng)及離子電流密度如表1所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)于1×JL/LB1A-300/40而言，采用極間距離更小的1型塔，線路下方的合成電場(chǎng)及離子電流密度更大。在干導(dǎo)線情況下，由于不同塔型的導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)與起暈場(chǎng)強(qiáng)之差差別較大，地面合成電場(chǎng)及離子電流密度較大。在濕導(dǎo)線情況下，由于兩個(gè)塔型都已經(jīng)嚴(yán)重起暈，因此差別較小。

表1 采用1×JL/LB1A-300/40時(shí)不同塔型的電磁環(huán)境對(duì)比

對(duì)于1×JL/LB1A -630/45導(dǎo)線，對(duì)應(yīng)采用16Z62塔型(極間距離最小)和16Z63塔型(極間距離最大)，導(dǎo)線最小對(duì)地高度同樣為6m，計(jì)算得到不同塔型線下的標(biāo)稱電場(chǎng)、合成電場(chǎng)及離子電流密度如表2所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)于1×JL/LB1A-630/45而言，采用極間距離最小的2型塔，線路下方的合成電場(chǎng)及離子電流密度最大。

表2 采用1×JL/LB1A-630/45時(shí)不同塔型的電磁環(huán)境對(duì)比

4 地面合成電場(chǎng)及離子電流的預(yù)估結(jié)果

4.1 1×JL/LB1A-300/40地面合成電場(chǎng)及離子電流預(yù)估

雙極運(yùn)行時(shí)，輸電線路下方的地面最大合成電場(chǎng)和離子電流密度最大值計(jì)算結(jié)果如圖3—圖6所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，由于在干導(dǎo)線情況下，導(dǎo)線最小對(duì)地高度由5m增加至7.5m，地面最大合成電場(chǎng)強(qiáng)度幅值由17.32kV/m下降至10.09kV/m，地面離子電流密度幅值由68.05nA/m2下降至17.57nA/m2；在濕導(dǎo)線情況下，導(dǎo)線最小對(duì)地高度由5m增加至7.5m，地面最大合成電場(chǎng)強(qiáng)度幅值由29.6kV/m下降至13.9kV/m，地面離子電流密度幅值由248.7nA/m2下降至30.3nA/m2，因此增加導(dǎo)線對(duì)地高度是降低地面電場(chǎng)強(qiáng)度及離子電流密度的有效途徑。

圖3 導(dǎo)線最小對(duì)地高度對(duì)合成電場(chǎng)的影響(干導(dǎo)線)

圖4 導(dǎo)線最小對(duì)地高度對(duì)離子電流密度的影響(干導(dǎo)線)

圖5 導(dǎo)線最小對(duì)地高度對(duì)合成電場(chǎng)的影響(濕導(dǎo)線)

圖6 導(dǎo)線最小對(duì)地高度對(duì)離子電流密度的影響(濕導(dǎo)線)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，±160kV直流輸電線路受電磁環(huán)境控制的導(dǎo)線最小對(duì)地高度實(shí)際上是由濕導(dǎo)線情況下地面離子電流密度確定。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，導(dǎo)線最小對(duì)地高度需6m。為此，計(jì)算了導(dǎo)線最小對(duì)地高度為6m時(shí)的電磁環(huán)境，如表3所示。

表3 導(dǎo)線對(duì)地高度為6m時(shí)的電磁環(huán)境

由表3可知，輸電線路產(chǎn)生的可聽噪聲小于31dB，遠(yuǎn)小于民房附近可聽噪聲40dB的限值要求。因此，線路由電磁環(huán)境控制的拆遷范圍實(shí)際上由地面合成電場(chǎng)控制。以濕導(dǎo)線情況下地面合成電場(chǎng)強(qiáng)度不超過15kV/m為限，計(jì)算得到線路在不同對(duì)地高度下的拆遷范圍，如表4所示。當(dāng)導(dǎo)線最小對(duì)地高度達(dá)到7.5m時(shí)，由于地面最大地面合成電場(chǎng)強(qiáng)度已經(jīng)小于15kV/m，因此線路的拆遷范圍不受電磁環(huán)境控制。

表4 由地面合成電場(chǎng)控制的線路拆遷范圍(左邊為負(fù)極性)

4.2 1×JL/LB1A-630/45地面合成電場(chǎng)及離子電流預(yù)估

根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，采用1×JL/LB1A-630/45地面合成電場(chǎng)，干導(dǎo)線情況下，導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度小于起暈電場(chǎng)強(qiáng)度，線路并無電暈發(fā)生，地面離子電流密度為零。

雙極運(yùn)行情況下輸電線路下方在雨天時(shí)的地面合成電場(chǎng)和離子電流密度如圖7、圖8所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，導(dǎo)線最小對(duì)地高度由3.5m增加至9m，地面最大合成電場(chǎng)強(qiáng)度由18.3kV/m下降至5.6kV/m，地面離子電流密度的下降幅度較地面合成電場(chǎng)更加迅速，由466.7nA/m2下降至14.6nA/m2。受到地面離子電流密度控制，導(dǎo)線最小對(duì)地高度需為5m。

圖7 導(dǎo)線最小對(duì)地高度對(duì)合成電場(chǎng)的影響(濕導(dǎo)線)

結(jié)合上述的分析，導(dǎo)線的對(duì)地高度由濕導(dǎo)線情況下的地面離子電流密度控制。當(dāng)導(dǎo)線最小對(duì)地高度為5m時(shí)，線路下方的電磁環(huán)境如表5所示。但是，實(shí)際的最小對(duì)地高度還需綜合導(dǎo)線對(duì)地要求的電氣距離確定。

圖8 導(dǎo)線最小對(duì)地高度對(duì)離子電流密度的影響(濕導(dǎo)線)

表5 導(dǎo)線對(duì)地高度為5m時(shí)的電磁環(huán)境

由表5可知，輸電線路產(chǎn)生的可聽噪聲小于29dB，遠(yuǎn)小于民房附近可聽噪聲40dB的限值要求。此外，在考慮了導(dǎo)線決定導(dǎo)線對(duì)地距離的其他因素后，導(dǎo)線的最小對(duì)地距離肯定大于4.5m。即使導(dǎo)線最小對(duì)地高度只有4.5m，線路下方濕導(dǎo)線情況下地面合成電場(chǎng)強(qiáng)度最大值也為13.85kV/m，小于15kV/m，說明線路的拆遷范圍不受電磁環(huán)境控制。

5 結(jié) 語

本文對(duì)直流輸電線路電磁環(huán)境相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算方法進(jìn)行了二維簡化，根據(jù)假設(shè)條件進(jìn)行邊界條件處理，降低了實(shí)際計(jì)算難度。根據(jù)簡化的計(jì)算方法， 分別對(duì)兩種鋼芯鋁絞線的地面電場(chǎng)強(qiáng)度和離子電流密度進(jìn)行了預(yù)估，得到了干/濕導(dǎo)線離地面的最小高度，有利于工程實(shí)施中確定線路的拆遷范圍。

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(編輯 侯世春)

Research on the electromagnetic environment of ±160kV flexible HVDC transmission line

HAO Wenhua, ZHOU Yanjun

(Xilingol EHV Power Supply Bureau, Inner Mongolia Power (Group) Co.,Ltd, Xilin Hot 026000, China)

In order to improve the electromagnetic environment of ±160kV flexible HVDC transmission line, the calculation method of ground electric field and ion current density is elaborated respectively. The DC transmission line is simplified to the 2D structure and ground total electric field and ion current density of two kinds of aluminum cable steel reinforced named 1×JL/LB1A-300/40 and 1×JL/LB1A-630/45 are forecasted. Therefore the minimum height from conductor to ground is calculated, which provides theoretical basis for the line disconnection scope.

flexible HVDC transmission lines; ground total electric field; ion current density

2016-11-26。

蒿文華(1991—)，女，助理工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。

TM752

A

2095-6843(2017)02-0154-05