柏曉路 ，周成均 ，劉利林，岳 浩 ，張 瑚 ，呂健雙

(1. 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071；2. 中國(guó)能建工程研究院高壓直流技術(shù)研究所，湖北 武漢 430071；3. 南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510663)

0 引言

為了滿足長(zhǎng)距離大容量輸電需求，國(guó)內(nèi)特高壓直流輸電線路工程迅猛發(fā)展[1-5]。截至2020年底，我國(guó)已建成投運(yùn)15條±800 kV特高壓直流線路和1條±1 100 kV特高壓直流線路。

隨著“一帶一路”倡議的實(shí)施，中國(guó)特高壓直流輸電技術(shù)向國(guó)外輸出的步伐加快，未來(lái)電網(wǎng)將向跨國(guó)、跨洲聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展。從超遠(yuǎn)距離輸電、超大容量輸電和減小輸電走廊等需求考慮，均有發(fā)展更高電壓等級(jí)輸電技術(shù)的趨勢(shì)。綜合技術(shù)實(shí)施的可行性，在現(xiàn)有直流電壓等級(jí)基礎(chǔ)上外推，初步選定±1 500 kV為更高的直流輸電電壓等級(jí)[6-7]。

國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有±1 500 kV特高壓直流輸電線路的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行±1 500 kV直流輸電線路電磁環(huán)境研究，可以為±1 500 kV特高壓直流輸電線路建設(shè)提供基礎(chǔ)性、理論性支撐。本文在確定±1 500 kV特高壓直流輸電線路電磁環(huán)境限值后，按照基本計(jì)算條件，圍繞電場(chǎng)效應(yīng)、磁場(chǎng)效應(yīng)、無(wú)線電干擾和可聽噪聲這四個(gè)方面，對(duì)±1 500 kV特高壓直流輸電線路的電磁環(huán)境進(jìn)行研究，得到不同海拔高度情況下導(dǎo)線型式、極間距和最小對(duì)地距離的推薦方案。

1 電磁環(huán)境限值

目前，國(guó)內(nèi)外沒(méi)有明確±1 500 kV直流輸電線路的電磁環(huán)境限值要求，可以借鑒±800 kV和±1 100 kV直流輸電線路限值要求，具體標(biāo)準(zhǔn)[8-9]如下：

1)地面合成電場(chǎng)強(qiáng)度(以下簡(jiǎn)稱“合成場(chǎng)強(qiáng)”)、離子流密度限值詳見表1。

表1 合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度限值

2)直流磁場(chǎng)：線下的磁感應(yīng)強(qiáng)度不應(yīng)超過(guò)10 mT。

3)無(wú)線電干擾：海拔在1 000 m及以下時(shí)，距正極導(dǎo)線對(duì)地投影20 m處、80%時(shí)間、80%置信度、0.5 MHz時(shí)的無(wú)線電干擾值不應(yīng)超過(guò)58 dB(μV/m)。

4)可聽噪聲：海拔在1 000 m及以下時(shí)，距正極導(dǎo)線對(duì)地投影20 m處，可聽噪聲50%值(L50)不應(yīng)超過(guò)45 dB(A)；海拔在1 000 m以上且經(jīng)過(guò)人煙稀少地區(qū)時(shí)，可聽噪聲可放松至50 dB(A)以下。

2 基本計(jì)算條件

系統(tǒng)和線路基本參數(shù)[10]如下：計(jì)算電壓為±1 500 kV，最高電壓為±1 530 kV，額定電流為6～8 kA，導(dǎo)線最低對(duì)地高度為33 m，導(dǎo)線平均對(duì)地高度為39 m，導(dǎo)線極間距為20～40 m，地線型號(hào)為JLB20A-350，地線最低對(duì)地高度為69 m，海拔為1 000 m。

目前，±800 kV直流線路導(dǎo)線一般采用6～8分裂，導(dǎo)線截面取630～1 250 mm2；±1 100 kV直流線路導(dǎo)線一般采用8分裂，導(dǎo)線截面取1 250 mm2。根據(jù)特高壓直流線路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，±1 500 kV直流線路擬選擇10～14分裂的導(dǎo)線型式作為參選導(dǎo)線方案，詳見表2。

表2 參選導(dǎo)線方案

3 電磁環(huán)境指標(biāo)計(jì)算

3.1 電場(chǎng)效應(yīng)

確定導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)是研究直流線路電場(chǎng)效應(yīng)的先決條件，常用的導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算方法有馬克特—門格爾(Market and Mengele)法、模擬電荷法和逐步鏡像法等。其中：馬克特—門格爾法計(jì)算簡(jiǎn)便，其精度一般可以滿足工程計(jì)算的要求，但不能準(zhǔn)確反映分裂子導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度；逐步鏡像法和模擬電荷法計(jì)算精度高，需要借助計(jì)算機(jī)完成計(jì)算。本次研究采用模擬電荷法計(jì)算導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)。

直流輸電線路合成電場(chǎng)由靜電場(chǎng)和空間電場(chǎng)組成，其計(jì)算方法有半經(jīng)驗(yàn)公式法、解析法、有限元法等，本次研究采用有限元法。

直流線路離子流場(chǎng)的計(jì)算方程為：

式中：Φ為合成場(chǎng)電位，V；φ為標(biāo)稱場(chǎng)電位，V；E′為標(biāo)稱場(chǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；ξ為合成場(chǎng)強(qiáng)與標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)比例系數(shù)；ρ＋、ρ－為正離子和負(fù)離子密度，C/m3；Ri為離子復(fù)合系數(shù)，m3/s；μ＋、μ－為正離子和負(fù)離子的遷移率，即單位場(chǎng)強(qiáng)下離子的運(yùn)動(dòng)速度，(cm/s)/(V/m)；ε0為介電常數(shù)；e為單位電荷。

計(jì)算導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)、地面標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)、晴天合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度的最大值列于圖1～圖4。

圖1 不同極間距下的導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)最大值

圖2 不同極間距下的地面標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)最大值

圖3 不同極間距下的地面合成場(chǎng)強(qiáng)最大值

圖4 不同極間距下的地面離子流密度最大值

由圖1～圖4可知，隨著極間距的增加，導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)緩慢減小，地面標(biāo)稱場(chǎng)強(qiáng)一直呈增大趨勢(shì)；地面合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度先呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，當(dāng)極間距增加到一定程度后，地面合成場(chǎng)強(qiáng)基本不變化，而地面離子流密度反而減小。

極間距對(duì)地面合成場(chǎng)強(qiáng)值影響有限，當(dāng)選擇合適的導(dǎo)線型式時(shí)，地面合成場(chǎng)強(qiáng)不是±1 500 kV直流輸電線路極間距選擇的控制因素；地面離子流密度值滿足限值要求，不控制±1 500 kV直流輸電線路設(shè)計(jì)。

3.2 磁場(chǎng)效應(yīng)

直流線路磁場(chǎng)是一恒定磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度決定于導(dǎo)線中的電流值[11]。計(jì)算導(dǎo)線電流為8 kA，導(dǎo)線對(duì)地距離為33 m，極間距為30 m時(shí)的磁場(chǎng)分布，如圖5所示。

圖5 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

由圖5可知，磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值約為44 m，遠(yuǎn)低于規(guī)程要求，±1 500 kV直流線路磁感應(yīng)強(qiáng)度指標(biāo)不受控。

3.3 無(wú)線電干擾

直流線路的無(wú)線電干擾可以利用經(jīng)驗(yàn)公式估算，這些公式是根據(jù)已運(yùn)行或試驗(yàn)線路的測(cè)量成果歸納得到的，一般采用國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)(International Special Committee on Radio Interference，CISPR)經(jīng)驗(yàn)公式。

CISPR推薦的適用于雙極直流輸電線路無(wú)線電干擾值RI的計(jì)算公式為：

式中：gmax為導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)最大值，kV/cm；r為導(dǎo)線半徑，cm；n為導(dǎo)線分裂數(shù)；Dr為正極導(dǎo)線與計(jì)算點(diǎn)的距離，m；ΔEw為氣象修正項(xiàng)，按1 km增加3.3 dB修正；ΔEf為干擾頻率修正項(xiàng)，Δ Ef= 5[1-2lg2(10f )]；f為所需計(jì)算的頻率，MHz。

式(2)計(jì)算的是晴天、50%概率的無(wú)線電干擾值。80%時(shí)間、80%置信度無(wú)線電干擾值則應(yīng)比該值偏大3 dB(μV/m)。

計(jì)算正極導(dǎo)線外20 m處的導(dǎo)線無(wú)線電干擾值，計(jì)算結(jié)果列于圖6。由圖6可知，隨極間距和導(dǎo)線截面的增大，無(wú)線電干擾值呈減趨勢(shì)。不同導(dǎo)線方案的無(wú)線電干擾值均低于限值要求，無(wú)線電干擾不是±1 500 kV直流輸電線路設(shè)計(jì)的制約因素。

圖6 不同極間距下無(wú)線電干擾值

3.4 可聽噪聲

直流線路的可聽噪聲可以利用經(jīng)驗(yàn)公式估算，這些公式是根據(jù)已運(yùn)行或試驗(yàn)線路的測(cè)量成果歸納得到的，最常用的預(yù)估計(jì)算公式是美國(guó)邦納維爾電力局(Bonneville Power Administration，BPA)和美國(guó)電力科學(xué)研究院(Electric Power Research Institute，EPRI)公 式，本次研究采用常用的EPRI經(jīng)驗(yàn)公式。

EPRI總結(jié)的直流線路可聽噪聲AN計(jì)算公式為：

式中：gmax為導(dǎo)線表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度，kV/cm；d為子導(dǎo)線直徑，cm；n為導(dǎo)線分裂數(shù)；RP為正極導(dǎo)線與計(jì)算點(diǎn)的距離，m；kn為修正項(xiàng)，當(dāng)n≥3時(shí)，kn=0；當(dāng)n=2時(shí)，kn=2.6 dB；當(dāng)n=1時(shí)，kn=7.5 dB。

計(jì)算正極導(dǎo)線外20 m處的導(dǎo)線可聽噪聲值，計(jì)算結(jié)果詳見圖7。

圖7 不同極間距下可聽噪聲值

由圖7可知，隨著極間距和導(dǎo)線截面的增大，可聽噪聲值呈減小趨勢(shì)。極間距為30 m時(shí)，采用14、12、10分裂導(dǎo)線方案，導(dǎo)線截面分別不應(yīng)小于 720 mm2、1 000 mm2和 1 400 mm2；極間距為32 m時(shí)，采用14、12、10分裂導(dǎo)線方案，導(dǎo)線截面分別不應(yīng)小于720 mm2、1 000 mm2和1 250mm2?？梢姡陕犜肼暿恰? 500 kV直流輸電線路設(shè)計(jì)的控制條件。

4 設(shè)計(jì)參數(shù)選擇

4.1 導(dǎo)線截面和極間距選擇

根據(jù)前述結(jié)論，可聽噪聲是±1 500 kV直流輸電線路設(shè)計(jì)的控制條件。在不同海拔和極間距情況下，計(jì)算不同導(dǎo)線的可聽噪聲值列于表3。

表3 不同極間距和海拔高度情況下可聽噪聲值 dB(A)

海拔低于2 000 m時(shí)，可聽噪聲按45 dB(A)的限值考慮，海拔在2 000～3 000 m之間時(shí)，可聽噪聲按人煙稀少地區(qū)50 dB(A)的限值考慮。為了便于施工和運(yùn)維，盡量減少分裂根數(shù)和導(dǎo)線總截面，不同海拔高度情況下推薦的導(dǎo)線方案和極間距見表4。

表4 不同海拔高度情況下推薦的導(dǎo)線方案和極間距

由 表 4可 知，12×JL/G3A-1000/45和10×JL/G3A-1250/70導(dǎo)線方案的適用性較廣，宜作為推薦導(dǎo)線方案。在1 000～2 000 m海拔的情況下，通過(guò)增大極間距、提高導(dǎo)線對(duì)地高度等方法將可聽噪聲控制在限值內(nèi)。

4.2 導(dǎo)線最小對(duì)地距離選擇

一般來(lái)說(shuō)，導(dǎo)線最小對(duì)地距離選擇的控制因素是雨天合成場(chǎng)強(qiáng)[12]。海拔在1 000 m及以下時(shí)，計(jì)算12×JL/G3A-1000/45和10×JL/G3A-1250/70兩種導(dǎo)線方案在不同導(dǎo)線對(duì)地距離情況下的地面合成場(chǎng)強(qiáng)最大值，其極間距分別取30 m和32 m，計(jì)算結(jié)果列于圖8和圖9。

圖8 不同對(duì)地距離下晴天地面合成場(chǎng)強(qiáng)最大值

圖9 不同對(duì)地距離下雨天地面合成場(chǎng)強(qiáng)最大值

由圖8和圖9可知，隨著導(dǎo)線最小對(duì)地距離的增大，地面合成場(chǎng)強(qiáng)呈減小趨勢(shì)。根據(jù)晴天、雨天地面合成場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算成果得到相應(yīng)導(dǎo)線推薦的最小對(duì)地距離，結(jié)果見表5。

表5 推薦的導(dǎo)線最小對(duì)地距離

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究±1 500 kV特高壓直流輸電線路電磁環(huán)境計(jì)算，得到的主要結(jié)論如下：

1)隨著導(dǎo)線極間距的增加，地面標(biāo)稱電場(chǎng)最大值一直呈增大趨勢(shì)；地面合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度最大值先呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，當(dāng)極間距增加到一定程度后，地面合成場(chǎng)強(qiáng)最大值基本不變化，而地面離子流密度最大值反而減小。磁感應(yīng)強(qiáng)度由線路中心向兩側(cè)逐漸減小，無(wú)線電干擾和可聽噪聲值隨導(dǎo)線截面和極間距的增大而減小。

2)地面離子流密度、磁場(chǎng)效應(yīng)和無(wú)線電干擾不是±1 500 kV直流輸電線路設(shè)計(jì)的制約因素。

3)可聽噪聲是±1 500 kV直流輸電線路設(shè)計(jì)的控制條件。極間距為30 m時(shí)，采用14、12、10分裂導(dǎo)線方案，導(dǎo)線截面分別不應(yīng)小于720 mm2、1 000 mm2和 1 400 mm2；極間距為32 m時(shí)，采用14、12、10分裂導(dǎo)線方案，導(dǎo)線截面分別不應(yīng)小于720 mm2、1 000 mm2和1 250 mm2。

4)在不同海拔高度情況下，12×JL/G3A-1000/ 45和10×JL/G3A-1250/70導(dǎo)線方案的適用性較廣，可作為推薦導(dǎo)線方案，極間距分別取30 m和32 m。

5)一般非居民區(qū)和居民區(qū)的導(dǎo)線最小對(duì)地距離分別取33 m 和37 m。