基于合成場強儀的輸電工程地面合成電場研究

張小慶,洪 倩,豐 佳,胡 笳,林旗力

(1.中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司,上海 200001;2.國網經濟技術研究院有限公司,北京 102209;3.國網浙江省電力有限公司,浙江 杭州 310007;4.浙江大學資源與環境學院,浙江 杭州 310058)

0 引言

±800 kV直流輸電技術以其輸電距離遠、功率大等特點,在我國特高壓電網系統得到了廣泛應用[1-2]。自2010年以來,已有數十項此類工程相繼投入運行,且未來仍有較多同類工程將開工建設。因此,針對±800 kV直流輸電工程的主要電磁環境影響因子地面合成電場開展研究,對保護生態環境和控制電磁公眾暴露水平有重要作用[3-4]。

郝黎明等[5]考慮金屬回流線的影響,對高壓直流輸電線路地面合成電場進行計算分析。其在導線電位懸浮工況下對合成電場中導體懸浮電位進行計算,從而明確不同回路地面合成電場的屏蔽特性。曲輝等[6]對高海拔地區特高壓桿塔產生的合成電場和電位轉移電流進行研究。該研究在離子流條件下計算特高壓桿塔合成電場以及電位轉移電流特性,建立特高壓桿塔帶電作業和電位轉移的有限元仿真模型,完成合成電場的計算研究。

本文以上述研究結果為基礎,選取國內已投運的典型±800 kV直流輸電工程,在其投運后的運行初期(竣工環保驗收階段)及運行5年后的運行后期(現階段)的相同位置開展地面合成電場實測工作,分析地面合成電場場強變化和分布特征,以提高特高壓直流輸電工程的運行質量。

1 典型工程選取

本文研究選擇的輸電工程為寧浙線。該工程于2014年開始建設、2016年投運。至本文研究開始時,該工程已正常運行5年,因而運行年限適中。該工程主要服務于用電增長迅速的浙江經濟發達地區。該地區一直保持高負荷電力輸送,運行工況長期維持高位。該工程輸電線路全長1 700多公里,自北向南涉及不同地形地貌和氣候條件,沿線區域環境較為典型。運行初期,且地面合成電場實測數據和地理坐標等相關信息齊全,實測點位可回溯性強。故寧浙線在工程技術、運行年限、工況負荷、環境條件、實測條件等方面具有代表性和可研究性。

2 實測方法及條件

2.1 實測方法

本文參照《直流輸電工程合成電場限值及其監測方法》(GB 39220—2020)標準,采用HDEM-01合成場強儀進行野外現場實測。儀器在檢定有效期范圍內,且2次實測的檢測單位也相同。2次實測雖然分別參照了《直流換流站與線路合成場強、離子流密度測量方法》(DL/T 1089—2008)和《直流輸電工程合成電場限值及其監測方法》(GB 39220—2020),但兩者在地面合成電場的測量方法上基本一致。2次實測均采用了檢定有效期內的場磨傳感器。場磨傳感器上積聚的電荷量由式(1)確定。

qs(t)=ε0EA(t)

(1)

式中:ε0為電容率;E為場強;A(t)為電場能量。

2.2 實測布點

±800 kV換流站廠界、衰減斷面、電磁環境敏感目標(居民房屋)以及輸電線路衰減斷面的實測點位、數量與運行初期保持一致[7-8]。輸電線路沿線電磁環境敏感目標考慮距離、線高、行政區劃等因素[9-10]。本文選取有代表性的20%電磁環境敏感目標進行實測。實測點位與運行初期保持一致。

達標性分析依然以標準中規定的E95< 25 kV/m且E80<15 kV/m為準。直流架空輸電線路下的耕地、園地、牧草地、畜禽飼養地、養殖水面、道路等場所的合成電場強度E95<30 kV/m。

2.3 實測條件

2.3.1 環境條件

運行初期實測時間為2016年12月及2017年4～5月。運行初期測試溫度為12～32 ℃、濕度為32%～55%、風速為0.4～1.8 m/s。運行后期實測時間為2021年5月及10～11月。運行后期測試溫度為16～31 ℃、濕度為40%～58%、風速為0.7～1.5 m/s。野外現場條件下很難確保2次實測環境條件完全一致。運行初期和后期2次實測的環境條件雖有一定波動,但溫度、濕度、風速等環境條件均滿足監測規范要求,氣象條件波動幅度較小。因此,2次實測數據具備可比性。檢測點之間的距離為10 m。檢測點數量為13個。

2.3.2 工況條件

直流輸電工程地面合成電場強度主要受運行電壓的影響。運行初期正極導線電壓為778～801 kV、負極導線電壓為-800～-781 kV。運行后期正極導線電壓為733～781 kV、負極導線電壓為-772～-742 kV。電壓參數差異和波動小,具備可比性[11]。

3 監測結果與分析

地面合成電場E80和E95值變化趨勢如圖1所示。

圖1 地面合成電場E80和E95值變化趨勢

由圖1可知,2次實測的地面合成電場E80和E95值變化趨勢一致,并且當測點與中心線距離分別為-20 m與+20 m時(即圖1中虛線所示負極和正極導線處),合成電場強度分別出現了最大值與最小值。這說明合成電場監測結果有效。為了確保最終結果的可靠性,本文選取E95的絕對值開展分析。

3.1 換流站

3.1.1 廠界

±800 kV換流站外廠界相同位置處地面合成電場監測結果如圖2所示。

圖2 ±800 kV換流站外廠界相同位置處地面合成電場監測結果

由圖2可知:運行初期地面合成電場整體略小于運行后期,但78%的變化差值小于1 kV/m,整體變化幅度很小,變化趨勢整體上也基本一致;2次實測的最大值均出現在直流輸電線路出線位置附近,表明換流站廠界地面合成電場強度受直流出線影響最大,與一般規律相符。寧東換流站監測數據整體高于浙江換流站。這是由于電場強度會隨著輸電線對地高度的增加而降低,而寧東換流站周邊地形平坦、浙江換流站周邊地形起伏較大,因此結果與一般規律相符。寧東換流站71%的實測值小于2 kV/m,而浙江換流站100%的實測值小于1 kV/m。這表明換流站本體產生的地面合成電場強度整體水平在運行初期和后期均較低。換流站廠界合成電場強度受直流線路進出線的影響較大,距離進出線位置越近的廠界點受直流線路電場影響越大,監測值相應就越高。寧東換流站6#、7#、8#監測點的位置距離直流進出線較近,因此監測值相對較高。這符合一般規律。

3.1.2 衰減斷面

±800 kV換流站外衰減斷面相同位置處地面合成電場實測結果如圖3所示。

圖3 ±800 kV換流站外衰減斷面相同位置處地面合成電場實測結果

由圖3可知:衰減斷面處運行初期的地面合成電場強度整體小于后期,與廠界實測結果規律一致。寧東換流站實測數據表現出隨著與圍墻距離的增加而減弱的衰減趨勢。但浙江換流站2次實測數據的衰減趨勢不明顯,且有隨著與圍墻距離增加強度增強的趨勢。這主要是因為浙江換流站周邊地形復雜,衰減斷面監測點位距離直流輸電線路較近,受直流輸電線路產生的合成電場影響較大。2次實測數值最大值均不超過4 kV/m,且地面合成電場整體處于較低水平。

3.2 輸電線路

3.2.1 衰減斷面

寧浙線±800 kV特高壓直流輸電工程覆蓋范圍較大。其主要工程段包括寧夏段、陜西段、河南段、安徽段以及浙江段。本文以上述不同工程段為例,對直流輸電工程衰減斷面合成電場進行實測研究。±800 kV直流輸電線路運行初期及后期的衰減斷面合成電場測試結果如圖4所示。

圖4 ±800 kV直流輸電線路運行初期及后期的衰減斷面合成電場測試結果

由圖4可知:直流輸電線路地面合成電場野外現場實測數據受工況、天氣、地形等因素影響較大,導致正、負極導線兩側數據的對稱性較差;部分數據隨距離衰減的趨勢不明顯且波動較大,與理論預測的一般規律的差異較大;整體上仍能體現最大值在極導線附近、隨著與極導線距離增加強度逐漸減弱的基本特征。寧夏段中,運行初期的實測值整體高于后期,且數據的波動幅度較小。陜西段中:在-60～0 m之間,初期的實測值明顯高于后期;在30 m后,初期實測值與后期實測值逐漸接近;在50 m以后,二者基本重合。山西段與河南段中,前期的實測數據明顯高于后期,并且最大差值出現在-20～-10 m范圍內。在0 m之后,河南段的初期實測結果仍高于后期,而山西段的初期實測結果低于后期。安徽段中,后期的實測值曲線大部分位于初期實測值曲線的上方,并且合成電場強度最大值出現在后期實測結果中。浙江段中,在20～60 m的范圍內:初期的實測值明顯高于后期,且呈現先上升后下降的趨勢;后期實測結果波動幅度較小。

衰減斷面實測位置線高分別為寧夏段30 m、陜西段40 m、山西段35 m、河南段30 m、安徽段32 m、浙江段52 m。其中:浙江段線高明顯偏高,實測數據偏低,可比性不強;寧夏、陜西段雖因環境條件限制,未能獲取全部斷面數據,但現有數據仍有較強的表征性;山西、河南及安徽段的監測數據可比性好、表征性強。根據實測數據分析,同一相對位置條件下(如線路中心線地面、正或負極導線線下地面等),地面合成電場強度與線高、距離的相關性不強。這表明野外現場環境中直流輸電線路地面合成電場分布特征不明顯。

3.2.2 電磁環境敏感目標

輸電線路電磁環境敏感目標在初期實測時已經進行了全部監測;在后期實測時考慮行政區劃分布、線高和距離,選擇距離相對較近、線高相對較低、初期監測數據相對較大、具有代表性的點位。因此,輸電線路電磁環境敏感目標數據同樣來源于2次實測。

電磁環境敏感目標處初期與后期合成電場差值結果如圖5所示。

圖5 電磁環境敏感目標處初期與后期合成電場差值結果

直流輸電線路沿線電磁環境敏感目標相同位置處,地面合成電場運行初期實測值為0.07～18.2 kV/m、后期實測值為0.05～11.92 kV/m。由圖5可知,初期與后期差值為正的數據占總數的84%。整體上,初期實測值明顯高于后期監測值,差值波動范圍為0～10.66 kV/m。78%的波動幅度小于5 kV/m,表明波動的幅度相對較小。電磁環境敏感目標處合成電場強度區間分布結果如表1所示。

表1 電磁環境敏感目標處合成電場強度區間分布結果

由表1可知,合成電場強度實測值中,初期的62%、后期的78%分布在0～ 5 kV/m區間;初期的14%、后期的8%分布在10～20 kV/m區間,占比較低。區間分布表明直流輸電線路沿線電磁環境敏感目標處的合成電場強度在初期和后期均能夠維持在較低水平,并能夠滿足E95≤25 kV/m、E80≤15 kV/m的標準限值要求。

3.2.3 沿線合成電場水平變化

根據實測數據資料,寧浙線直流輸電線路沿線地面合成電場本底值范圍為0.04～0.6 kV/m,運行5年后的本次實測值范圍為0.05～11.92 kV/m。這表明地面合成電場水平明顯升高。但實測結果中:小于1 kV/m且與本底值水平接近的地面合成電場占總數的44%;1～5 kV/m區間的地面合成電場占30%,5～10 kV/m區間占18%,大于等于10 kV/m占8%。本文研究考慮距離、線高、行政區劃等因素,選取有代表性的電磁環境敏感目標作為實測目標,因而實測結果能夠反映沿線地面合成電場水平實際情況。

4 結論

±800 kV換流站本體產生的地面合成電場較低,運行初期與后期周邊地面合成電場強度較為接近,但總體上運行后期略高于初期。換流站外地形平坦區域地面合成電場有隨著與圍墻距離的增加而逐漸減弱的趨勢。圍墻45 m外的電磁環境敏感目標地面合成電場水平較低,接近本底值,表明此距離外地面合成電場受換流站本體的影響很小。野外條件下地面合成電場受環境因素影響較大,±800 kV直流輸電線路地面合成電場分布與理論預測規律存在差異,但仍能體現合成電場強度減弱等相關特征。±800 kV直流輸電線路衰減斷面、電磁環境敏感目標處的地面合成電場實測值均體現出運行初期高于運行后期的特征。這可能與運行后期輸電線路導線毛刺減少、電暈現象減弱有關。這表明運行5年后的±800 kV直流輸電線路地面合成電場強度相對于運行初期會減弱。在運行5年后,對比地面合成電場本底值可知:±800 kV直流輸電線路沿線相同位置處地面合成電場44%的實測值能夠維持在本底值水平;小于5 kV/m的實測值占74%。這個結果表明,工程運行提高了沿線區域地面合成電場整體水平,但提高的幅度有限。