改善同塔混壓雙回直流輸電線路電磁環境研究

戚無限，郝思鵬，周葉，荀道玉

（南京工程學院 電力工程學院，南京 211167）

引言

我國資源分布和經濟發展的不平衡，需要建設大規模、高容量的高壓直流輸電線將中西部電能輸送到東部地區。超高壓±500 kV 與特高壓±800 kV 直流輸電適合中、遠距離輸電，兩者同塔建設能夠優化資源配置，實現對不同距離和不同負荷容量的電能輸送[1-2]。多電壓等級混合和輸送功率的提高，線路的電磁環境影響愈發顯著。文獻[3]通過增加線路間距和對地高度來改善直流輸電線路的電磁環境。文獻[4]采用改變輸電線路分裂間距和數量的方法減弱電磁環境影響。文獻[5]提出對高壓直流線路下方增添屏蔽線的的方法來減弱線路電磁環境。本文提出改變直流輸電極導線的空間布置方式，重構極導線電暈后正負離子的空間分布數量狀態來改善直流輸電線路的電磁環境影響。現有雙回混壓直流輸電線路大多數采用的是“干”式桿塔，上層橫擔架設±800 kV 輸電線，下層橫擔架設±500 kV 輸電線。“干”式桿塔由于兩極導線水平距離的限制，會占用較寬的輸電走廊。為減弱電磁對環境影響和減少線路走廊寬度，將架設的±500 kV 輸電線由水平排列變為垂直排列?？紤]到桿塔高度和建設經濟成本，上層橫擔架設的±800 kV 輸電線需保持原有的水平排列，但可以改變導線間水平間距和導線離地高度。

以酒杯直線塔為基礎，針對輸電走廊狹窄地區，提出三種雙回直流輸電線路布置方式，拓展直流輸電線路排布方案。新方案下高壓直流線路由于幾何架構變化，其電暈效應、電磁環境與常規布局相比存在一定差別；對高壓直流輸電線路的方案布置進行研究，這對其安全電磁環境和未來線路桿塔架構變化趨勢具有重要意義。本文基于Kaptzov 假設的有限元解法對新方案布置下高壓直流線路的地面離子流濃度、合成場強、走廊寬度以及風速影響等方面進行了研究分析，并對比常規布局下的電磁環境，選取新方案布置的較優方案并提出改善建議。

1 同塔雙回直流線路布置

文獻[2]提出±800 kV/±500 kV 同塔常規布局以±800 kV 線路為上層線路，其電磁環境影響較小，常規布局方式如圖1 所示。因此，文中方案布置方案選取±800 kV 線路為上層水平線路，±500 kV 線路為下層垂直排列線路。

圖1 混壓直流常規布局

1.1 桿塔結構

考慮到新方案布置下桿塔的建造難度和經濟成本，文中提出的直流輸電導線新方案布置以酒杯型直線塔的導線垂直排列為基礎，拓展酒杯型直線塔的雙回導線布局，同時構建雙回復合型酒杯直線塔，具體桿塔結構如圖2 所示[6]。根據《±800 kV 直流輸電架空線設計規范》，±800 kV 導線推薦采用夾角為（90~120）°的V 型絕緣子串；±800 kV 導線空氣間隙取5.6 m。為了后續對比常規布局下的電磁環境，新方案布置下導線的最大高度不超過常規布局下導線的最大高度且最低導線高度相同。

圖2 雙回復合型酒杯直線塔

1.2 新線路布置方案

結合上述的桿塔形式和原“干”式塔線路布置條件，為了減少輸電走廊寬度，文中計算的±800 kV/±500 kV同塔混壓方案布置方式主要考慮三種布局形式，如圖3所示。

圖3 混壓直流線路新布置方案

方案1 將原±500 kV 線路垂直排列，±800 kV 線路保持原水平間距且離地高度取最低限值21.5 m。方案2 在方案1 的基礎上將±800 kV 線路離地高度保持與原“干”式桿塔布置下相同。方案3 在方案2 的基礎上縮減±500 kV 線路垂直排列距離。

新方案布置和常規布局采用的導線參數相同，具體參數見表1。

表1 導線參數

2 電磁環境計算及限值

2.1 電磁環境限值

考慮到特高壓直流輸電作為長距離高跨度的輸電骨干線路，大多建于野外以及非居民區，因此文中±800 kV/±500 kV 同塔雙回混壓直流線路采用的電磁環境限制為GB 50790-2013《±800 kV 直流架空輸電線路設計規范》中對非居民區的電磁環境限值的規定，具體限制如下：晴天時地面合成電場不超過30 kV/m，最大地面離子流濃度不超過100 nA/m2[7]。

2.2 計算方法

李凌燕、杜志葉等學者從±800 kV/±500 kV 同塔雙回混壓直流線路常規布局的角度，基于Deutsch假設的電力線解析法，對不同極導線排列方式下±800 kV/±500 kV 混壓雙回直流線路的電磁環境進行了詳細的分析[8]。基于Deutsch 假設的電力線解析法，可以將二維模型簡化為一維模型進行求解地面離子流濃度和合成電場。本文所用基于Kaptzov 假設的有限元解法無需簡化線路模型，相比于基于Deutsch 假設的電力線解析法具有更高的嚴謹性和科學性[9,10]。

文中采用有限元法計算同塔雙回混壓直流線路的離子流密度和合成電場。此方法求解過程中運用了Kaptzov假設。Kaptzov 假設認為導線起暈后，導線表面場強保持起暈場強不變，即E0=Ec（E0為起暈場強，Ec為導線表面電場強度）[9]。

高壓直流輸電線路普遍使用Peek 公式計算線路起暈場強，其公式如下所示：

式中：

E0—導線起暈場強；

m—導線粗糙系數（一般取0.47~0.6）；

δ—空氣相對密度；

req—分裂導線等效半徑。

直流輸電線路的合成電場和離子流場可由麥克斯韋方程組表示：

式中：

Es—合成電場；

ρ—離子電荷密度；

ε0—介電常數；

J—離子流密度；

μ—離子遷移率。

2.3 計算模型

文中采用Comsol 軟件進行建模仿真，由于桿塔以及周圍樹木會使電場和離子流分布在其表面發生畸變，但畸變電場和畸變離子流分布不作為文章研究的重點，因此假設直流輸電線路不受桿塔影響并將其轉化為二維模型考慮[12]。文中在COMSOL 中以靜電模塊和稀物質傳遞模塊構建耦合物理場對離子流場和合成電場進行求解。

在COMSOL 中使用有限元法求解離子流場和合成電場這類非線性問題時，其網格劃分的精細程度決定了其計算精度以及計算量[13]。綜合考慮直流輸電線路模型實際情況，文中對仿真模型的網格劃分采取內密外松的方法，即在導線表面及其周圍采取高密度網格；在導線較遠及其邊界采取稀疏網格。以方案3 為例，有限元網格劃分圖如圖4 所示。

圖4 有限元網格劃分

3 離子流密度和合成電場計算

文中采用Kaptzov 假設計算離子流密度，需自行初定導線表面電荷密度 0ρ，其表達式如下所示:

式中：

U0—起暈電壓；

Es—地面最大標稱場強；

U—導線運行電壓；

h—導線高度。

判斷是否滿足Kaptzov 假設以及空間電荷密度是否收斂的判斷公式為：

式中：

ρs(n)—第n 次迭代的導線表面電荷密度；

Emax—導線表面最大電場強度。

直流線路表面電荷密度迭代方程為：

3.1 方案布置下離子流濃度和合成電場

離子遷移率是合成電場和離子流場計算中重要的參數，事實上它會受到電場強弱，大氣狀態等影響，但文中主要關注于地面區域，場強相對較小，遷移率受其影響不大，所以計算中認為遷移率恒定。根據有限元理論，基于COMSOL 靜電模塊和稀物質傳遞模塊，設置正離子遷移率為1.5×10-4m2/（V·s）負離子遷移率為1.7×10-4m2/（V·s），離子復合系數2×10-12m3/s[14,15]。方案布置下直流線路地面離子流濃度和合成電場橫向分布曲線如圖5、6 所示，其最大值如表2 所示。

表2 各布置下地面最大離子流濃度和最大合成電場

圖5 各布置下地面離子流濃度

由圖5 可知，方案布置下地面離子流濃度在桿塔左右的變化不再為對稱趨勢。由表2 可得，常規2、方案1以及方案3 的地面最大離子流濃度滿足非居民區限值要求。在方案布置中，地面離子流濃度最低的是方案3，地面離子流濃度峰值為61.21 nA/m2，其峰值位置出現在桿塔的右側區域；桿塔左側區域的峰值地面離子流濃度僅為9.58 nA/m2，比右側離子流濃度低84.34 %，這是因為在新方案布置中線路左右兩側正負極性不同所致。

比較表2 中各最大合成電場，符合非居民區地面場強最大30 kV·m-1限值要求的只有常規2 和方案3。由圖6 可知，新方案布置下地面最大合成電場也呈現出不對稱性。桿塔右側為地面合成電場峰值區，其中方案3的合成電場最小，為27.12 kV·m-1，優于常規2 布局下29.25 kV·m-1的合成電場峰值，較常規2 低7.28 %。在桿塔左側區域，方案2 和方案3 的地面合成電場峰值要小于右側；其中方案3 的左側合成電場僅為14.73 kV·m-1，較右側合成電場峰值低45.68 %。

圖6 各布置下的地面合成電場

綜合上述各布置下地面離子流濃度、合成電場的比較分析，方案3 通過改變直流輸電極導線的空間布置能夠有效改善直流輸電線路的電磁環境，并且形成一個電磁影響較弱的低值域側。

3.2 空間離子分布狀態分析

由于改變了直流輸電極導線的空間布置，極導線電暈后所產生離子在空間中的分布狀態也隨之變化。直流輸電線路電暈后離子在線路周圍空間的分布密度和范圍是離子流濃度、合成電場的關鍵影響因素。常規2 和方案3 的離子分布狀態如圖7、8 所示。

圖7 常規2 布置下離子分布狀態

圖8 方案3 布置下離子分布狀態

常規2 布局下極導線同側為同極性，在電暈后正負離子沿線路中心成對稱狀態，在線路中心區域發生正負離子中和反應。由于線路同側的離子極性相同，空間分布狀態因同極性離子互斥而擴散，使合成電場在線路中心遠端的收斂趨勢變緩，但同側同離子的分布狀態會產生一定的屏蔽性作用，降低離子流濃度和合成電場的峰值。

方案3 改變了極導線的空間布置，離子空間分布狀態不再呈現對稱。垂直排列中負極性導線電暈后產生負離子中和右上方以及下方極導線電暈后產生的正離子，并與左上方負離子形成屏蔽作用，減弱了右側線路的電磁影響。左上方負離子由于同極性間的擴散作用，與垂直排列中正極性導線電暈后產生的正離子發生中和反應，降低了左側區域離子流濃度和合成電場，形成不對稱電磁環境中低值域側。

3.3 走廊寬度

高壓直流輸電線路走廊寬度的關鍵因素是線路的合成場強，線路走廊寬度按照極導線靠近居民區時居民房屋所處地面處最大未畸變電場不超過15 kV/m 的標準確定最大走廊寬度[16]。文中常規布局和新方案布置下各線路走廊寬度如表3 所示。

表3 線路走廊寬度

由表3 可知：不同線路布置下的走廊寬度差別較大，常規2 布置下的走廊寬度最大，約為其余布置下的兩倍寬度，這主要因為是常規2 布局下桿塔同側導線為同極性，電暈放電后離子為同極性，從而導致合成電場衰減較慢，加大了走廊寬度。方案3 下的走廊寬度最小，僅為31.5 m，優于所有常規布局，適用于輸電走廊狹窄區域；并且方案3 的左側區域地面合成場強均小于15 kV/m，整體區域均滿足居民區合成電場限值。從圖6 中方案3的合成電場趨勢來看，其合成電場具有不對稱性，左側合成電場總體上遠小于右側，且收斂速度大于右側。在直流輸電線路經過居民區外圍時，可以考慮使用線路方案3 布置，將低合成電場側靠近居民側，可在一定程度上節約走廊資源、降低工程造價以及減少線路強拆區域范圍。

4 風速對合成電場影響

在地面離子流濃度、合成電場和走廊寬度的比較中，方案3 布置下的各項電磁影響指標均為最小，故選取基于方案3 的導線布置方式來研究不同風速下合成電場的變化。

4.1 不同風速下的變化分析

特高壓直流輸電線路基本建于空曠的野外，環境中對合成電場影響最常見的因素是自然風[17]。文章在耦合物理場中設定橫向勻速風，分別沿X 軸正負方向定風速w 為1 m/s，3 m/s，5 m/s，7 m/s 和9 m/s。圖9、11 顯示了方案3 布局下在不同風速下的合成電場變化趨勢。

圖9 方案3 左側風不同風速下的合成電場

圖10 左橫風5 m/s 時電荷分布

圖11 方案3 右側風不同風速下的合成電場

圖12 右橫風5 m/s 時電荷分布

左側橫風時（即橫風從X 負半軸吹向正半軸），方案3 下近風側合成電場隨風速的增加呈現減小趨勢，其中風速從1 m/s 增加到3 m/s 時，合成電場減少幅度較大；（5~9）m/s 風速下合成電場減少幅度逐漸減少。遠風側的合成電場隨風速的增長呈現增大趨勢；并且隨著風速的增加，遠風側合成電場的高值區域范圍也隨之增大。造成遠風側合成電場變化趨勢的原因是方案3 布置下遠風側的最上層和最下層極導線均為正極，左側橫風會加劇遠風側正極性導線的電暈效應，增加區域正離子濃度并且擴大分布范圍，從而提升合成電場峰值以及其高值區域范圍。

右側橫風時（即橫風從X 正半軸吹向負半軸），方案3 下近風側整體的合成電場呈現減少趨勢；遠風側合成電場的峰值呈現先增大后減少趨勢。由于正負極性導線電暈的原理不同，右側橫風時遠風側合成電場變化趨勢的原因是：最上層和最下層負極導線電暈后因橫風游離出的電子隨風速偏移，且區域空氣中無足夠的正離子與之中和反應，從而造成末端區域合成電場呈擴散增大趨勢。但由于風速的不斷增大，區域內的電子濃度降低從而高風速后合成電場呈現減少趨勢。

結合上述對圖9、11 中合成電場在不同風速風向下的變化趨勢分析，方案3 布置下直流線路合成電場峰值位置均沿風向偏移。近風側的合成電場整體均為減小趨勢，橫風吹散近風側中正離子與電子的分布狀態，減弱區域離子自身產生靜電場，從而減弱合成電場。遠風側合成電場的變化趨勢需根據線路架構和正負極性導線布置方式來具體分析。

4.2 不對稱電磁環境分析

在不同風向與風速中，方案3 特有的低值域不對稱電磁環境體現出了優異的抗風性。不對稱電磁環境中的低值域側在左右橫風的干擾下，合成電場整體變化幅度較小，最大9 m/s 風速時其最大值低于18 kV·m-1，滿足±800 kV 直流輸電線路居民區最大合成電場限值25 kV·m-1。

實際的工程建設中，在多風的走廊狹窄區域需注意自然風對特高壓直流線路合成電場的影響。為了減弱橫風對合成電場的影響，建議在多風區域建設特高壓直流線路時，可以適當提高原桿塔的高度，增加導線離地距離；與此同時，預留出充足的走廊寬度可以解決合成電場高值區域范圍擴大的情況[18]。

5 結論

本文基于雙回復合型酒杯直線塔，提出改善混壓雙回直流輸電線路電磁環境的新布置方案。案例仿真結果表明：

1）在電磁環境方面，新布置方案中方案3 的地面離子流濃度、合成電場要優于現有雙回直流線路常規布局；同時方案3 布置下的高壓直流線路走廊寬度更小，在輸電走廊狹窄區域或臨近居民區時有明顯優勢。

2）新方案布置較常規布局來說，其電磁環境最大的特點是不對稱性，其低值域側在峰值比較和不同風速影響下均體現出其自身的低值性與穩定性。在工程中將電磁影響較弱的低值域側靠近居民區或電磁限制嚴格區域，這將減弱高壓直流線路對居民生活環境的干擾并節約日益緊張的輸電走廊資源。

改變直流輸電極導線的空間布置方式，重構極導線電暈后正負離子的空間分布數量狀態來改善電磁環境影響的研究在文中首次提出，其線路布置與桿塔設計還需更深一步的研究。