±800 kV直流輸電導線表面電場及電磁環境研究

尚賀子

（河南省實驗中學文博學校，河南鄭州 450002）

±800 kV直流輸電導線表面電場及電磁環境研究

尚賀子

（河南省實驗中學文博學校，河南鄭州 450002）

為研究±800 kV特高壓直流輸電線路無線電干擾和可聽噪聲水平，使用模擬電荷法計算了一定幾何結構下的輸電導線表面的場強大小。在±10%范圍內改變導線高度、極間距、子導線直徑，分析以上各幾何因素對導線表面電場強度的影響。獲得了各條子導線表面的電場分布，以及不同子導線直徑所對應的無線電干擾和可聽噪聲水平。計算表明，使用±800 kV特高壓直流輸電導線結構，得到的電磁環境指標均符合國際標準。

高壓直流輸電；導線表面電場；電暈放電；無線電干擾；可聽噪聲

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.20

0 引言

隨著我國的快速發展，特高壓直流輸電在我國電網中所占比例與日俱增。特高壓輸電線路的電磁特性對其沿線所經地區的影響是線路設計和運行所要考慮的問題之一[1]。為使沿線居民的正常生活得到保障和經濟效益最大化，需探求導線表面場強大小以及影響輸電導線表面場強的因素，進而獲得一定場強下的無線電干擾和可聽噪聲水平。當特高壓直流輸電導線表面場強大于電暈起始場強時，導線周圍的空氣分子被電離成正負離子[2-4]，該過程伴隨導線上高頻電流脈沖的發生，并產生可聽噪聲。

使用模擬電荷法，將±800 kV雙極輸電導線使用成組的模擬線電荷替代，獲得了導線表面的場強分布。計算了導線高度、極間距和子導線直徑分別對導線表面場強的影響，為特高壓輸電線路的設計運行提供參考。

1 計算模型和方法

1.1 計算模型

對于高壓直流輸電線路和地面之間區域的電位分布，若使用Laplace方程描述，則寫為式（1）。

式中 φ——節點電位，V

計算模型的邊界條件：①導線表面電位φ=±800 kV；②地面電位φ=0 V。特高壓±800 kV直流輸電桿塔的典型結構如圖1所示[5]。設導線高度H為21 m，極間距Dp為22 m，導線分裂間距Ds為0.45 m，子導線直徑Dc為3.62 cm。

1.2 計算方法

使用模擬電荷法計算±800 kV特高壓直流輸電子導線表面的標稱電場分布。模擬電荷法（Charge Simulation Method，CSM）[6-7]是計算電場分布的主要方法之一。該方法將金屬電極表面連續分布的自由電荷用一組離散化的模擬電荷進行替代。只要通過一定條件算出模擬電荷，即可實現等效替代。模擬電荷法可看作是廣義的鏡像法，因為鏡像法同樣是基于邊界條件不變，將場域邊界上的電荷等效替代為該區域外的鏡像電荷。但模擬電荷法在數值處理和工程應用上優于鏡像法[8]。

根據電位疊加原理，對應于各匹配點Mj，逐一列寫由設定的模擬電荷所建立的電位方程組[8]，見式（2）。

圖1 高壓直流輸電桿塔結構示意

方程組（2）中的元素 Pij為[9]式（3）。

式中ε——空氣的介電常數，8.85×10-12F/m

（xi，yi）———第i個匹配點坐標

（Xj，-Yj），（Xj，Yj）———第j對模擬線電荷的坐標

2 計算結果

當輸電電壓等級一定時，影響子導線表面場強的因素有導線高度、極間距、分裂間距、子導線直徑等。由于不同幾何結構會對地面合成電場大小產生影響，而我國對輸電線路電磁環境有相應指標[10]，因此需要研究影響電場強度的因素。

每條子導線表面電場強度的最大值隨導線高度H的變化關系如圖2所示。極間距、子導線分裂間距、子導線半徑的取值與圖1相同。子導線表面電場強度隨導線高度的增加而減小。當導線高度H從基準值21 m的0.9倍18.9 m增加到基準值的1.1倍23.1 m時，即增加了22.2%，第5號子導線表面最大場強變化最為明顯，但也僅減小了1.3%，從22.05 kV/cm減小到21.76 kV/cm；第2號子導線表面最大場強的變化最不明顯，僅僅減小了0.85%，從22.40 kV/cm減小到22.21 kV/cm。

對于每條子導線表面電場強度的最大值隨極間距Dp的變化，計算表明子導線表面電場強度隨極間距的增加而減小。當極間距Dp從基準值22 m的0.9倍19.8 m增加到基準值的1.1倍時，即增加了22.22%，第1號子導線表面最大場強變化最為明顯，減小了4.52%。第4號子導線表面最大場強的變化最不明顯，減少了3.18%。

對于每條子導線表面電場強度的最大值隨子導線直徑Dc的變化，計算表明子導線表面電場強度隨子導線直徑的增加而迅速減小。當子導線直徑Dc從基準值的0.9倍3.258 cm增加到基準值的1.1倍3.982 cm時，即增加了22.22%，第4號子導線表面最大場強變化最為明顯，減小了14.80%，第1號子導線表面最大場強的變化最不明顯，減小了14.58%。計算還表明，當子導線直徑以基礎值3.62 cm浮動±10%時，子導線表面場強的最大值可以浮動±8%左右。導線高度、極間距、分裂間距以某一基礎值變化±10%時，子導線表面場強的最大值分別變化±1%、2%、0.5%左右。這表明，與導線高度、極間距相比，子導線直徑對子導線表面電場強度影響最為明顯。

圖2 子導線表面場強最大值隨導線高度的變化

3 無線電干擾和可聽噪聲的計算

無線電干擾和可聽噪聲水平是描述輸電線路重要的電磁環境參數。由于高壓直流輸電線路的電暈放電，放電脈沖將在空中產生高頻電磁波，可能對無線電通信產生影響，因此需要計算可接受的無線電干擾范圍。此外，電暈放電還會有“咝咝”的噪聲，也需要定量計算噪聲的強度。基于導線表面電場強度的結果，可以計算無線電干擾（Radio Interference，RI）和可聽噪聲（Audible Noise，AN）。根據參考文獻[11，12]，線路無線電干擾和可聽噪聲的計算公式見式（4）和式（5），觀測點的對地高度是1.5 m，導線結構尺寸與圖1相同。

式中 Emax——導線表面最大場強值，kV/cm

n———導線為分裂數，n=6

d———觀測高度，d=1.5 m

計算結果表明，子導線直徑為4.4 cm時，無線電干擾最大值為 53.3 dB（μV/m），仍小于電磁環境限值 55 dB（μV/m）。當子導線半徑＞4.4 cm時，距導線水平距離20 m外處的可聽噪聲也未超過限值45 dB（A）。

4 結論

使用模擬電荷法定量計算了±800 kV特高壓直流輸電線路子導線表面電場強度的分布和最大值；基于無線電干擾和可聽噪聲的經驗公式，計算了±800 kV直流輸電線路地面附近的無線電干擾和可聽噪聲水平，取得了如下結論。

（1）與導線高度和極間距相比，子導線直徑是影響子導線表面電場強度最重要的幾何參數。當子導線直徑以基礎值浮動±10%時，子導線表面場強的最大值可以浮動±8%。

（2）導線高度和極間距以某一基礎值變化±10%時，子導線表面場強的最大值分別變化±1%和±2%。

（3）使用±800 kV特高壓直流輸電線路幾何參數，計算得到的地面附近的無線電干擾和可聽噪聲水平均低于國際標準的限值。

［1］趙畹君.高壓直流輸電工程技術［M］.北京:中國電力出版社，2011.

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［3］Z.Zou，X.Cui，T.Lu，X.Bian.Measurement method of ionic mobilities in direct current corona discharge in air［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2016，23（3）:1879-1885.

［4］Z.Zou，J.Xu，X.Cui，T.Lu.Analysis of the direct current ionised field near the field mill probe with a hat-shaped electrode［J］.IET Science，Measurement&Technology，2017，11（1）:111-117.

［5］甄永贊.高壓直流輸電線路離子流場的高效數值方法及其應用的研究［D］.北京:華北電力大學，2011.

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［7］M.W.Khalid;Z.A.Hamouz.Transmission linesinduced currents in human bodies using charge simulation method ［C］.IEEE International Conference on Power and Energy，2012.

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［10］中華人民共和國國家發展和改革委員會.DL/T 1088—2008，±800 kV特高壓直流線路電磁環境參數限值［S］.

［11］Methods of Calculation of Radio Interference From High Voltage Overhead Transmission Lines.DL/T 691-1999.

［12］IEEE Standard for the Measurement of Audible Noise From Overhead Transmission Lines.IEEE Std.656-1992.

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〔編輯 凌 瑞〕