±160kV柔性直流輸電線路電磁環境研究

蒿文華， 周艷君

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

±160kV柔性直流輸電線路電磁環境研究

蒿文華， 周艷君

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

為了改善±160kV柔性直流輸電線路的電磁環境，闡述了地面電場及離子電流密度的計算方法，將直流輸電線路簡化為二維結構，在此基礎上對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及離子電流密度進行了預估，從而計算出導線離地面的最小高度，為線路的拆遷范圍提供了理論依據。研究結果表明，直流線路會使地面場強增加并出現離子電流現象，增加導線對地高度能夠降低地面電場強度及離子電流密度，線路的拆遷范圍不受電磁環境控制。

柔性直流輸電線路；地面合成電場；離子電流密度

目前，中國南方電網在汕頭南澳島近區進行“大型風電場柔性直流輸電接入技術研究與開發”示范工程建設，規劃建成一個電壓等級為±160kV，輸送容量為200MW的4端柔性直流輸電系統，服務于青澳、牛頭嶺、云澳和塔嶼風電場。配套線路包括風電場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計。根據系統輸送容量，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。在實際的工程實施中，需要保證直流輸電線路的電磁環境[1-4]，降低可聽噪聲指標。本文將直流輸電線路進行二維簡化，對其電磁環境的相關參量進行理論計算，并對上述兩種鋼芯鋁絞線的地面合成電場及離子電流進行預估，結合相應的可聽噪聲指標，為直流輸電線的設計高度提供合理建議。

1 地面電場及離子電流密度

直流線路電暈[5，6]放電所產生的電荷在空間形成電離區和極間區。電離區內電場強度很高，電子碰撞電離以電子崩的形式產生很多帶電粒子，與導線極性相反的帶電粒子向導線方向運動，最后進入導線或在導線表面被中和。極性相同的粒子背離導線運動，這樣極間區充滿了與導線同極性的離子。由于空間電荷本身產生電場，大大加強了由導線電荷產生的靜電場(又稱標稱電場)，同時形成離子電流。地面場強的增加和離子電流的出現是直流輸電線路電磁環境問題區別于交流線路的重要特征之一。直流輸電線路下方的標稱電場和合成電場如圖1所示。

圖1 干導線雙極運行時地面標稱電場與合成電場(H=5m)

目前，由于直流輸電線路線下離子電流場的仿真研究忽略電暈放電的瞬態過程，只考慮電暈放電產生電荷及電荷在空間中的分布問題，因此可用數值計算方法對直流輸電線路離子電流場進行理論求解，從而得到電暈損失、地面合成電場強度和離子電流密度。

經過試驗證明，電力線路產生的電場和離子電流強度對外部環境電場的影響比較小，直流線路產生的電場和離子電流一般通過理論計算和實驗室驗證，很難通過實際應用中的監測數據對比驗證計算結果。本文對計算方案進行介紹，并在工程實際應用中開展監測和對比，監測數據僅作為驗證結論的正確性，不作為驗證計算的準確性依據。

2 計算方法

2.1 計算方程

將直流輸電線路簡化為二維結構，描述直流離子電流場特性主要方程如下：

泊松方程為

div gradΦ=(ρ--ρ+)/ε0

(1)

正/負電流密度方程為

(2)

電流連續性方程為

(3)

總電流密度方程為

j=j++j-

(4)

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

空間電位Φ(或電場E)、電荷密度ρ+、ρ-是空間坐標的函數，應使用以上公式(1)—(4)對兩者進行求解。根據方程的非線性特征，實際求解相當困難，要引入各種假設對方程進行簡化。

2.2 假設條件

1)空間電荷存在于直流線路下的整個空間內，導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、負離子遷移率k+、k-與電場強度無關，是常數。

3)忽略空間電荷的擴散效應。

4)起暈后導線表面電場強度維持在起暈場強(KAptzov假設)。

2.3 邊界條件處理

地面和接地線電勢Φ=0，輸電線表面電勢為直流輸電系統標稱電壓。此外，確定電暈場分布還需要電場或電荷的邊界條件，本算法使用KAptzov假設作為邊界條件，即導線表面起暈后場強維持起暈場強。

正極附近

(5)

負極附近

(6)

2.4 計算流程

雙極場中獨立未知量有3個，這里選取Φ、ρ+、ρ-，將計算方程化簡合并，得到：

(7)

其中

(8)

計算電場的基本過程是通過邊界條件由泊松方程和式(7)、(8)計算未知量電位、正負電荷密度。可以先固定電荷密度分布，求出一定電荷密度分布下的空間電場，再固定空間電場，計算電荷密度分布，如此往復直到電場和電荷密度分布穩定，具體的流程如圖2所示。

圖2 電場和電荷密度計算流程圖

經過圖2的計算步驟，可以得到空間各網格點處的電場和電荷密度。地面合成電場和離子電流密度由計算結果的地面部分直接得到。

3 塔型的選擇

由于塔型不同，不同極性導線之間的距離也不相同，極間距離越小，不同極性導線之間的距離越近，因此導線的表面電場強度就會越高，電暈也就越嚴重，對線路下方的合成電場及離子電流密度起到一定的增強作用。另一方面，極間距離越小，正負離子電流之間的抵消作用就越明顯，因而對合成電場及離子電流密度起到一個削弱作用。這兩個因素哪一個占據主導地位，使用的兩種導線型號應對比極簡距離最大和最小塔型情況下的標稱電場、合成電場和地面離子電流密度。

對于1×JL/LB1A-300/40導線，對應采用16Z31塔型(極間距離最小)和16Z32塔型(極間距離最大)，導線最小對地高度為6m，計算得到不同塔型線下的標稱電場、合成電場及離子電流密度如表1所示。根據計算結果，對于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及離子電流密度更大。在干導線情況下，由于不同塔型的導線表面場強與起暈場強之差差別較大，地面合成電場及離子電流密度較大。在濕導線情況下，由于兩個塔型都已經嚴重起暈，因此差別較小。

表1 采用1×JL/LB1A-300/40時不同塔型的電磁環境對比

對于1×JL/LB1A -630/45導線，對應采用16Z62塔型(極間距離最小)和16Z63塔型(極間距離最大)，導線最小對地高度同樣為6m，計算得到不同塔型線下的標稱電場、合成電場及離子電流密度如表2所示。根據計算結果，對于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及離子電流密度最大。

表2 采用1×JL/LB1A-630/45時不同塔型的電磁環境對比

4 地面合成電場及離子電流的預估結果

4.1 1×JL/LB1A-300/40地面合成電場及離子電流預估

雙極運行時，輸電線路下方的地面最大合成電場和離子電流密度最大值計算結果如圖3—圖6所示。根據計算結果，由于在干導線情況下，導線最小對地高度由5m增加至7.5m，地面最大合成電場強度幅值由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；在濕導線情況下，導線最小對地高度由5m增加至7.5m，地面最大合成電場強度幅值由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，因此增加導線對地高度是降低地面電場強度及離子電流密度的有效途徑。

圖3 導線最小對地高度對合成電場的影響(干導線)

圖4 導線最小對地高度對離子電流密度的影響(干導線)

圖5 導線最小對地高度對合成電場的影響(濕導線)

圖6 導線最小對地高度對離子電流密度的影響(濕導線)

根據上述計算結果，±160kV直流輸電線路受電磁環境控制的導線最小對地高度實際上是由濕導線情況下地面離子電流密度確定。根據計算結果，導線最小對地高度需6m。為此，計算了導線最小對地高度為6m時的電磁環境，如表3所示。

表3 導線對地高度為6m時的電磁環境

由表3可知，輸電線路產生的可聽噪聲小于31dB，遠小于民房附近可聽噪聲40dB的限值要求。因此，線路由電磁環境控制的拆遷范圍實際上由地面合成電場控制。以濕導線情況下地面合成電場強度不超過15kV/m為限，計算得到線路在不同對地高度下的拆遷范圍，如表4所示。當導線最小對地高度達到7.5m時，由于地面最大地面合成電場強度已經小于15kV/m，因此線路的拆遷范圍不受電磁環境控制。

表4 由地面合成電場控制的線路拆遷范圍(左邊為負極性)

4.2 1×JL/LB1A-630/45地面合成電場及離子電流預估

根據表2的計算結果，采用1×JL/LB1A-630/45地面合成電場，干導線情況下，導線表面最大電場強度小于起暈電場強度，線路并無電暈發生，地面離子電流密度為零。

雙極運行情況下輸電線路下方在雨天時的地面合成電場和離子電流密度如圖7、圖8所示。根據計算結果，導線最小對地高度由3.5m增加至9m，地面最大合成電場強度由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，導線最小對地高度需為5m。

圖7 導線最小對地高度對合成電場的影響(濕導線)

結合上述的分析，導線的對地高度由濕導線情況下的地面離子電流密度控制。當導線最小對地高度為5m時，線路下方的電磁環境如表5所示。但是，實際的最小對地高度還需綜合導線對地要求的電氣距離確定。

圖8 導線最小對地高度對離子電流密度的影響(濕導線)

表5 導線對地高度為5m時的電磁環境

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

5 結 語

本文對直流輸電線路電磁環境相關指標的計算方法進行了二維簡化，根據假設條件進行邊界條件處理，降低了實際計算難度。根據簡化的計算方法， 分別對兩種鋼芯鋁絞線的地面電場強度和離子電流密度進行了預估，得到了干/濕導線離地面的最小高度，有利于工程實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，主要研究方向為電力系統自動化。

TM752

A

2095-6843(2017)02-0154-05