萬保權(quán) 馮 華 何旺齡 豐 佳 李有春

(1.中國電力科學研究院電網(wǎng)環(huán)境保護國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007；3.華北電力大學電氣與電子工程學院，河北 保定 071003；4.國網(wǎng)金華供電公司，浙江 金華 321000)

我國青藏高原地區(qū)太陽能、風能等新能源儲量豐富，實現(xiàn)大規(guī)模清潔能源開發(fā)和遠距離輸送，是保證碳達峰、碳中和“30·60目標”的重要方案，國家電網(wǎng)有限公司明確提出將加快以輸送清潔能源為主的輸電通道建設。因此，未來在高海拔地區(qū)進一步建設特高壓輸電線路勢在必行。然而，人們在享受遠距離電力傳輸利益的同時也承受著電磁對人類健康的危害和對環(huán)境的污染。電磁輻射污染成為繼廢水、廢氣、固廢、噪聲污染之后的又一大影響居民身體健康的重要污染源[1-2]。聯(lián)合國人類環(huán)境會議已將電磁污染列為環(huán)境保護項目之一。當輸電線路的導線運行電壓等級提高時，導線表面場強會高于起暈場強發(fā)生電暈放電現(xiàn)象，產(chǎn)生電暈損失、可聽噪聲和無線電干擾等環(huán)境影響[3]，進而影響鄰近無線電設施及軍用臺站的正常工作及線路周圍居民健康[4]。因此，國家對于輸電線路的無線電干擾水平有明確的限值標準[5-6]。

高海拔地區(qū)空氣密度小，分子間平均自由程大，導線更容易發(fā)生電暈放電現(xiàn)象，對外輻射的無線電干擾強度也更大[7]。惡劣環(huán)境下，尤其是降雨條件下，導線表面的雨滴會導致場強發(fā)生畸變，加劇放電強度[8]。在相同運行電壓條件下，大截面多分裂導線能夠有效降低導線表面場強，進而降低線路電暈效應問題。因此，研究高海拔地區(qū)降雨條件下的大截面分裂導線束的電暈放電干擾無線電的特征對于高海拔地區(qū)交流輸電線路選型至關(guān)重要。

關(guān)于高海拔地區(qū)交流輸電線路的無線電干擾問題，CHARTIER等[9]230通過長期測試一條海拔1 953 m的500 kV同塔雙回線路，并對比相似線路的低海拔實測數(shù)據(jù)，提出了1/300 dB/m的無線電干擾海拔修正系數(shù)。與其同時，南非電力公司也開展了海拔1 600 m和海平面高度交流線路的導線電暈籠試驗，認為1/300 dB/m的海拔修正可以接受[10]。國內(nèi)學者在2013年利用可移動式電暈籠在我國湖北武漢(海拔23 m)、甘肅靖遠(海拔1 408 m)、青海西寧(海拔2 261 m)、青海共和(海拔2 943 m)以及西藏羊八井(海拔4 300 m)對不同分裂導線束進行了不同海拔的無線電干擾測量，提出了基于海拔高度的非線性修正方法[11]，為高海拔輸電線路的建設提供了一定技術(shù)支持。此外，有部分學者研究了單點放電、交直流細導線等條件下無線電干擾與電暈放電脈沖的關(guān)系，能夠較好地反映無線電干擾產(chǎn)生機理和表現(xiàn)特性[12]。然而，上述研究中采用的可移動式電暈籠長度及截面較小，空氣間隙裕度較小，難以有效測量大截面分裂導線束在不同降雨量條件下的無線電干擾特性。大氣參數(shù)對空氣間隙放電特性的影響十分復雜，電暈放電過程涉及復雜的電磁、熱力、光電學過程，且伴有許多隨機性因素，導致建立科學準確的仿真模型相對困難。當前微觀機理研究大多采用細銅絲或者單根細絞線進行小電暈籠試驗，而實際輸電線路主要采用多分裂鋼芯鋁絞線，空間尺度大，導線表面狀態(tài)復雜，現(xiàn)有物理模型尚不能擴展至實際交流線路的無線電干擾預測。

綜合而言，國外在進行不同海拔無線電干擾研究時，測點相對較少，導線類型單一，且導線截面和分裂數(shù)都較小，海拔2 000 m以上數(shù)據(jù)非常稀少。國內(nèi)研究雖然討論了不同海拔對線路無線電干擾的影響規(guī)律，對于前期高海拔地區(qū)線路建設起到了重要的支撐作用，但涉及多分裂、大截面導線較少，且沒有細化研究不同降雨量對線路放電干擾無線電的影響規(guī)律。考慮到高海拔、降雨等環(huán)境氣候和天氣條件對于線路電暈放電和無線電干擾具有強烈的影響，本研究利用青海高海拔(2 261 m)特高壓交流電暈籠測量系統(tǒng)，對3種大截面多分裂導線(型號分別為8×LGJ720、8×LGJ900、10×LGJ720)在不同降雨量條件下的無線電干擾特性進行了試驗研究，討論了不同導線表面場強、不同降雨量對線路無線電干擾的影響規(guī)律，研究結(jié)果對于高海拔地區(qū)輸電線路電磁污染控制和環(huán)境保護具有技術(shù)支撐作用。

1 電暈籠測量系統(tǒng)

1.1 高海拔特高壓交流電暈籠

電暈籠具有投資小，更換導線以及調(diào)整導線結(jié)構(gòu)方便，試驗時可以有效控制導線表面場強和氣候環(huán)境條件等優(yōu)點，為此本研究采用電暈籠系統(tǒng)對不同型式分裂導線的電暈特性進行測量。由于真型導線試驗，特別是6分裂及以上的導線束，需要更高的加壓電源，良好的設備絕緣，因此大尺寸的電暈籠才能有效復現(xiàn)實際導線的運行狀態(tài)。本研究建立的電暈籠長度35 m，橫截面為8 m×8 m，電暈籠配備3套導線連接金具，可分別組裝1～12分裂的分裂導線(見圖1)。電暈籠試驗電源為額定容量400 kV·A、額定電壓800 kV的單相交流試驗變壓器，采用無暈導線引入，最高可模擬交流1 500 kV電壓等級的實際導線電暈情況。電暈籠測試系統(tǒng)內(nèi)配備淋雨裝置，可進行不同降雨量條件下的導線電暈效應試驗，用于分析不同降雨量對導線電暈效應的影響。電暈籠淋雨裝置由淋雨噴頭、送水管路、大小閥門、過濾器、止回閥、潛水泵和遠方的變頻控制柜、閉環(huán)控制模塊等組成。降雨量可以通過閥門和變頻器控制進行調(diào)整，降雨量在1.5～50.0 mm/h內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

圖1 高海拔特高壓交流電暈籠Fig.1 The high altitude ultra-high-voltage corona cage

1.2 試驗導線類型

本次試驗采用3種類型的大截面鋼芯鋁絞線，導線型號分別為8×LGJ720、8×LGJ900、10×LGJ720。導線型號及子導線直徑見表1?？紤]到在子導線直徑或?qū)Ь€分裂數(shù)相同的情況下，導線分裂間距對線路無線電干擾激發(fā)函數(shù)的影響很小[9]235，本次試驗固定導線分裂間距為400 mm。

表1 試驗導線類型

1.3 試驗條件及測量回路

在本次試驗中，測量時環(huán)境溫度在16～25 ℃，風速不超過3 m/s。試驗過程中，分別在降雨量為0(干燥狀態(tài))、1.5、2.0、6.0、12.0、18.0 mm/h等不同條件下的導線無線電干擾特性進行測試。

無線電干擾測量系統(tǒng)包括高壓耦合電容(Cc)、測量回路以及無線電干擾接收機(見圖2)。無線電干擾電壓主要通過FSH4頻譜分析儀(德國Rohde & Schwarz公司)測量，測量頻率參照國際無線電干擾委員會(CISPR)的建議選取0.5 MHz；采用HOBO小型氣象觀測站(美國Onset公司)進行環(huán)境參數(shù)測量，包括氣壓、降雨量、風速等。降雨量傳感器測量分辨率為0.2 mm/h，最大量程為100 mm/h。

圖2 無線電干擾測量系統(tǒng)Fig.2 Schematic of radio interference measurement system

2 數(shù)據(jù)測量與分析

2.1 導線表面場強

試驗過程中，為了便于比較試驗數(shù)據(jù)，通常以導線表面場強作為主要參考變量。以導線10×LGJ720為例，對其在電暈籠中1 kV施加電壓下的場強分布進行測定，結(jié)果見圖3。由圖3可知，由于內(nèi)部屏蔽效應，分裂導線束每個子導線表面的場強分布并不均勻。因此，需要提取不同子導線表面的最大場強進行平均，作為導線表面場強的參考量。

圖3 電暈籠中導線10×LGJ720在1 kV施加電壓下的場強分布Fig.3 Electric field distribution of 10×LGJ720 in corona cage with the voltage of 1 kV

2.2 不同場強下的無線電干擾水平

通過調(diào)節(jié)電暈籠中施加電壓改變導線表面場強，經(jīng)計算，電暈籠施加電壓分別為262.5、315.0、367.5、412.0 kV時，導線表面場強分別為10、12、14、16 kV/cm，對3種大截面分裂導線束在不同表面場強和降雨量條件下的無線電干擾水平進行了測量，結(jié)果見圖4。可以看出，隨著導線表面場強的增加，3種大截面分裂導線束的無線電干擾水平均呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢。但是隨著表面場強的增大，無線電干擾增加量總體有所減小，這主要是由于導線電暈放電較為劇烈時，存在一定的放電飽和效應所導致。當降雨量保持在1.5 mm/h，導線表面場強從10 kV/cm增加到12 kV/cm時，8×LGJ720、8×LGJ900、10×LGJ720的無線電干擾增量分別為10.8、10.6、11.9 dB，但是當表面場強從14 kV/cm增加到16 kV/cm時，無線電干擾增量分別為6.7、5.7、5.5 dB。

圖4 大截面分裂導線束在不同表面場強和降雨量下的無線電干擾水平Fig.4 Radio interference level of three types of large section conductor bundles in different field strength and rain rate conditions

此外，通過對比不同降雨量條件下導線無線電干擾水平可以發(fā)現(xiàn)，8×LGJ720在10、12 kV/cm的低表面場強條件下，導線無線電干擾隨著降雨量增加呈現(xiàn)出近似線性增加的趨勢。導線表面場強為12 kV/cm時，當降雨量從1.5 mm/h增至12.0 mm/h，無線電干擾水平增加了9.7 dB。但當場強為14、16 kV/cm，降雨量≥2.0 mm/h時，降雨量對無線電干擾的影響相對較小。

對于8×LG900、10×LGJ720，導線表面場強為10、12、14 kV/cm時，降雨量從0 mm/h增加到2.0 mm/h，無線電干擾呈現(xiàn)增大趨勢；當降雨量>2.0 mm/h，場強≥12 kV/cm時，降雨量對于無線電干擾的影響很小。

綜上可知，隨著導線表面場強的增大，導線表面電暈放電強度增大，由此產(chǎn)生的無線電干擾水平也明顯增加，但當導線表面場強足夠大時，導線表面的電暈放電點呈現(xiàn)出一定程度的飽和趨勢從而導致增量逐漸減小。同樣，在強降雨狀態(tài)和高表面場強條件下，導線表面電暈放電劇烈，且呈現(xiàn)出飽和趨勢，因此降雨量增加對無線電干擾水平的影響明顯減弱。此外，由于導線表面的電暈放電點具有一定的排斥性，某一放電點周圍非常近的區(qū)域放電程度會明顯減弱，該因素也會對無線電干擾的變化區(qū)域有一定影響。

試驗的過程中，本研究利用紫外成像對導線表面的放電情況進行了拍攝，選取10×LGJ720在14 kV/cm條件下的紫外放電圖為例(見圖5)，可以看出干燥條件下導線表面的電暈放電主要集中于一個特定區(qū)域且放電劇烈，該區(qū)域可能存在導線傷痕或者表面較為粗糙。而降雨條件下，由于雨滴的作用使得導線表面的電暈放電點呈現(xiàn)出相對比較均勻的情況。由此可知，盡管導線在干燥和降雨條件下的無線電干擾水平類似，但是放電形態(tài)明顯不同。

圖5 導線10×LGJ720在14 kV/cm下的紫外放電Fig.5 Ultraviolet discharge image of 10×LGJ720 with the electric field intensity of 14 kV/cm

3 結(jié)論與建議

利用海拔2 261 m的特高壓交流電暈籠，對8×LGJ720、8×LGJ900、10×LGJ720共3種大截面分裂導線束的無線電干擾特性開展了試驗研究。對于8×LGJ720，導線表面場強在10、12 kV/cm時，無線電干擾水平隨著降雨量的增大呈現(xiàn)出近似線性增大的趨勢。對于8×LGJ900、10×LGJ720，當降雨量>2.0 mm/h，表面場強≥12 kV/cm時，雨量對于無線電干擾的影響很小。盡管導線在干燥和降雨條件下無線電干擾值較為接近，但是表面電暈放電的形態(tài)存在不同。

根據(jù)測量數(shù)據(jù)，建議高海拔地區(qū)新能源外送通道建設導線選型時，當降雨量>2.0 mm/h、表面場強≥12 kV/cm時，推薦使用8×LGJ900、10×LGJ720導線，其無線電干擾水平平滑度較好，對環(huán)境的干擾更加緩和；當導線表面場強<12 kV/cm、降雨量<2.0 mm/h時，推薦使用8×LGJ720，其無線電干擾水平相對較低，投資成本小。