±800 kV特高壓直流輸電線路電磁干擾研究

張慶輝，齊亞紅

（河南工業大學信息科學與工程學院，河南鄭州450001）

±800 kV特高壓直流輸電線路電磁干擾研究

張慶輝，齊亞紅

（河南工業大學信息科學與工程學院，河南鄭州450001）

直流輸電線路在正常電壓運行下允許一定程度的電暈放電，電暈放電產生電暈損失，引起無線電干擾及可聽噪聲。分析了±800 kV特高壓直流輸電線路的無線電干擾及可聽噪聲，采用逐步鏡像法計算導線表面電位梯度，分析無線電干擾及可聽噪聲的計算方法，編寫計算程序，計算結果表明：改變導線截面、導線對地高度、分裂間距及導線分裂數可降低無線電干擾及可聽噪聲的水平。

特高壓直流；電暈放電；逐步鏡像法；無線電干擾；可聽噪聲

0 引言

隨著電壓等級的升高，對于特高壓直流輸電線路，線路導線表面電場強度提高，造成電暈放電，隨之引起的無線電干擾和可聽噪聲對周圍環境的影響越來越不容忽視，且已成為設計特高壓直流線路必須考慮的重要因素。利用逐步鏡像法計算導線表面電位梯度，針對特高壓直流輸電線路的無線電干擾水平和可聽噪聲進行分析，對無線電干擾和可聽噪聲的控制限制、計算方法進行研究，并利用仿真結果分析線路參數對無線電干擾及可聽噪聲的影響。

1 導線表面電位梯度計算

直流輸電線路的電暈現象引起無線電干擾和可聽噪聲，導線表面電場強度是影響導線電暈放電的最主要因素，要確定線路結構對無線電干擾及可聽噪聲的影響，首先要確定導線表面電場強度。在工程分析中，計算導線表面電位梯度的方法主要有Markt-Megele法、模擬電荷法和逐步鏡像法［1-3］。Markt-Megele法的計算適合4分裂數及以下有較好的準確性；模擬電荷法的計算比較準確，但模擬電荷的位置和電荷量不易確定，且計算所需時間較長。對比以上這兩種計算方法，逐步鏡像法有效避免了這些問題，因此本文采用逐步鏡像法。

逐步鏡像法的基本思想是在一個多導體系統中，鏡像電荷替代導體內部的原導體，使導線表面維持等電位面，這一邊界條件被滿足后，導體表面的電場強度則可由這些鏡像電荷計算得到。采用逐步鏡像法計算時，對子導線是單獨處理，因此這種計算能夠考慮到子導線所處位置不同引起電荷分布不均的情況以及導線之間的相互影響。

1.1 各子導線電荷值

電荷值Q由Maxwell電位系數法求出：

式中：［Q］為電荷矩陣；［U］為電壓矩陣；［P］為電位系數矩陣。

自電位系數由式（2）表示，互電位系數由式（3）表示。

式中：hi為導線i距離地面的平均高度；Dij為導線i與導線j的鏡像之間的距離；dij為導線i與導線j之間的距離；ε0為真空的介電常數，ε0=8.854×10-12F/m；req為分裂導線等效半徑。

1.2 計算鏡像電荷

將1.1中所求的各子導線上的電荷值用一系列鏡像電荷表示，使導線表面維持等電位面。求某一導線內的鏡像電荷時，先假設除該導線外所有導線的電荷都集中在各導線的中心，每一電荷在該導線內的鏡像電荷大小等于原電荷但符號相反，位于該導線中心至每一電荷的連線上，距該導線中心距離為

式中：dij為第j個電荷與第i根導線之間的距離；ri為第i根導線的半徑。

1.3 校核導線的表面電壓

首先確定子導線內部鏡像電荷的位置、符號和大小，選擇子導線表面若干點處，計算出電位，并同實際電位相比較，正式計算前要確定計算誤差在規定范圍內。導線間的最小距離與導線半徑之比決定了鏡像次數，比值越大鏡像次數越少；當比值大于10時，鏡像1次就能使計算誤差足夠小［4-5］。對于特高壓輸電線路，分裂間距與導線半徑之比均大于10，因此在此計算過程中只需進行1次鏡像。

1.4 計算導線表面電位梯度

將子導線表面圓周等分為若干個點，按公式（5）、（6）、（7）計算導線表面圓周每個計算點的電位梯度，求出最大電位梯度。

式中：（x，y）為子導線表面計算點坐標；（xi，yi）為鏡像電荷i的坐標；dip為子導線表面計算點與鏡像電荷i的距離；Dip為子導線表面計算點與鏡像模擬電荷i的距離；m為總的鏡像電荷數。

2 無線電干擾及可聽噪聲的計算

2.1 無線電干擾的限值及計算

國家標準和電力行業標準規定：距直流架空輸電線路正極性導線對地投影外20 m處，如圖1所示，由電暈產生的0.5 MHz無線電干擾場強80%//80%值見表1。我國建議750 kV輸電線路無線電干擾的控制限值設置為55～58 dB［8-9］。

表1 GB15707-1995規定的無線電干擾限值

圖1 無線電干擾的參考距離（X=20 m）

直流輸電線路無線電干擾的計算公式有很多，德國、意大利、美國、日本和加拿大等都有各自的計算公式，而這些公式多是經驗公式，計算過程很復雜。1982年國際無線電干擾特別委員會（CISPR）提出的適用于雙極直流線路無線電干擾的計算公式［10-11］

式中：RI為距正極性導線D處的無線電干擾場強值，dB（μV/m）；gmax為導線表面最大場強，kV/cm；r為子導線半徑，cm；n為導線分裂數；D為距正極性導線的距離，m；ΔEf為干擾頻率修正項。

式（8）計算方法的前四項是在好天氣情況下，頻率為0.5 MHz，距正極導線20 m處的無線電干擾值。干擾頻率為0.5 MHz時，ΔEf=0，即0.5 MHz為基準頻率；對于0.15～30 MHz的頻率段，ΔEf=5［1－2（lg10f）2］，式中f為測量頻率，MHz。

由圖2可知，對于80%時間概率、具有80%置信度［11］的無線電干擾場強值可在該值基礎上增加3～4 dB得到。

圖2 交流和直流送電線路的無線電干擾水平的累計分布

另外CISPR還指出：無線電干擾的橫向分布圖應在高出地面2 m的某處確定，該處與邊導線對地投影的距離不得超過200 m，超過這一距離，無線電干擾則可以忽略不計。

2.2 可聽噪聲的限值及計算

可聽噪聲的限值，我國相應的標準有：GB3096—1993《城市區域環境噪聲標準》，GB12348—1990《工業企業廠界噪聲標準》等，都是以同一范圍區域劃分規定噪聲標準。這些噪聲標準分白晝和夜間兩個水平，以適用于居住、商業、工業混雜區標準為例：夜間50 dB，白晝60 dB。按國家噪聲標準，特高壓輸電線路的可聽噪聲不應超過55 dB［12］。

直流輸電線路可聽噪聲的來源主要是正極性導線，可聽噪聲的計算可以利用經驗公式進行計算。

1）美國電力科學研究院（EPRI）推薦公式。

式中：gmax為導線最大表面場強，kV/cm；d為子導線直徑，cm；n為導線分裂數；D為正極性導線到計算點之間的距離，m；kn為導線分裂數修正項，當n≥3時，kn=0 dB；當n＝2時，kn＝2.6 dB；當n=1時，kn＝7.5 dB。

式（9）計算的是夏季晴天可聽噪聲的50%值，適用于導體表面場強15 kV/cm＜E＜30 kV/cm、子導線直徑2 cm＜d＜5 cm以及導線分裂根數1＜n＜6的情況。春秋季節時的可聽噪聲可在此計算值的基礎上減小2 dB。

2）美國邦納維爾（BPA）推薦公式。

其中，deq=0.66n0.64d（n＞2）；deq=d（n=1，2）

式中：gmax為導線最大表面場強，kV/cm；d為子導線直徑，mm；D為正極性導線到計算點之間的距離，m；n為子導線根數。

因為本文所計算的可聽噪聲是最嚴重情況時的噪聲，而在夏季可聽噪聲的影響最為嚴重，因此在分析時可聽噪聲的計算使用EPRI推薦公式來計算。

3 線路結構參數對無線電干擾及可聽噪聲的影響

3.1 導線截面積及對地高度的影響

導線電壓±800 kV，極間距為22 m，分裂間距為0.45 m。可分別取6×LGJ-500/35型、6×LGJ-630/45型、6×LGJ-720/50型、6×LGJ-800/55型、6×LGJ-900/ 60型導線作為研究對象，利用逐步鏡像法計算導線表面最大場強，代入公式（8）和（9），計算不同導線方案對地高度在正極導線投影外20 m處無線電干擾及可聽噪聲曲線如圖3、圖4所示。

圖3 不同導線類型對地高度的無線電干擾值

從圖3和圖4可以看出，隨著子導線截面積的增加，無線電干擾和可聽噪聲有所減小；導線對地高度也是影響無線電干擾及可聽噪聲的主要因素，導線對地高度由16 m增加到22 m，RI的值減小2.5 dB左右；導線對地高度每增加2 m，可聽噪聲的值減小1 dB左右，有明顯的減小。

在特高壓直流輸電線路設計中，增加導線截面積，可作為一種改善電磁干擾的措施。

圖4 不同導線類型對地高度的可聽噪聲值

3.2 分裂間距的影響

針對6×LGJ-720/50型導線，不同分裂間距對無線電干擾及可聽噪聲的影響規律如圖5、圖6所示，導線對地距離h=18 m，極間距Dc=22 m。

圖5 不同分裂間距的無線電干擾

圖6 不同分裂間距的可聽噪聲

從圖中曲線可知，隨著分裂間距的變化，無線電干擾和可聽噪聲呈現U形變化，存在最小值，當分裂導線在分裂間距為35 cm左右時，RI和AN的值最小。

在特高壓直流輸電線路設計中，針對不同的子導線，選擇合適的分裂間距使得導線表面電場強度達到最小，做到有效的降低無線電干擾和可聽噪聲。

3.3 導線分裂數的影響

針對導線LGJ-720/50，不同導線分裂數對無線電干擾及可聽噪聲的影響規律如圖7、圖8所示，導線對地距離h=18 m，極間距Dc=22 m，分裂間距Sc=0.45 m。

圖7 不同導線分裂數的無線電干擾

圖8 不同導線分裂數的可聽噪聲

從圖7中曲線可知，隨著導線分裂數的增加，無線電干擾水平和可聽噪聲水平明顯降低。當分裂數由4增加到5時，正極投影20 m處的無線電干擾水平降低10 dB左右；但是當分裂數大于6后，繼續增加分裂數，線路的無線電干擾水平改善并不明顯。從圖8可知，當導線分裂數由4增加到6時，可聽噪聲的水平由54 dB減小到43 dB左右，但是當分裂數大于6之后，繼續增加分裂數，線路的可聽噪聲沒有明顯改變。因此，增加導線分裂數是控制電磁干擾的有效措施。

4 結語

增加導線截面積可以有效減小RI及AN的值，算例分析中的各種導線類型計算的RI和AN均符合國家標準。

增大導線對地高度、分裂間距及導線分裂數是降低無線電干擾和可聽噪聲水平的有效措施，對RI及AN的影響最為顯著的是導線分裂數的改變。

對于±800 kV特高壓直流線路，導線各參數對RI及AN的影響有著近似相同的變化關系。

［1］楊力.特高壓輸電技術［M］.北京：中國水利水電出版社，2011.

［2］劉振亞.特高壓電網［M］.北京：中國經濟出版社，2005.

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［8］陸家榆，鞠勇.±800 kV直流輸電線路電磁環境限值研究［J］.中國電力，2006，39（10）：37-42.

［9］GB15707—1995高壓交流架空送電線無線電干擾限值［S］.

［10］DL/T 691—1999高壓架空送電線路無線電干擾計算方法［S］.

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［12］GB30962—1993城市區域噪聲標準［S］.

Research of Electromagnetic Interference for±800 kV UHVDC Transmission Line

Under normal voltage operation DC transmission line allows a certain degree of corona discharge，which causes corona loss and leads to radio interference and audible noise.This paper analyses the radio interference and audible noise of±800 kV UHV dc transmission lines，using successive image method to calculate the conductor surface voltage gradient，analyzing the calculation methods of radio interference and audible noise，and compiling calculation program.The calculation results show that the radio interference and audible noise level are reduced by the conductor cross section，conductor height，bundle spacing and split conductor number.

UHVDC；corona discharge；successive image method；radio interference；audible noise

TM721

：B

：1007－9904（2014）01－0034－05

2013-10-22

張慶輝（1974—），男，工學博士，副教授，碩士生導師，主要研究方向為嵌入式系統及應用、電子信息科學、電力系統自動化等；

齊亞紅（1988—），女，碩士研究生，主要研究方向為特高壓輸電線路電磁環境。