高压交流、直流输电线路环境电场对比研究

陈 伟，魏化军，温如春，孙 彦，罗 超，查智明

(1.上海市辐射环境监督站，上海 200065;2.安徽省电力环境监测研究中心站，安徽 合肥 230601)

0 引言

近年来，±800 kV 以上的高压直流输电线路和1000 kV 以上的高压交流输电线路都得到了较大的发展，但其优势主要体现在超长距离、大容量输电方面。目前，国内国内电网的主网架仍主要是由500 kV 电压等级的高压交流输电线路组成的，±500 kV 高压直流输电线路则正在逐渐成为区域间较长距离送电网的重要组成部分。因此，本文选择常见的500 kV 电压等级的交流架空输电线路与同样电压等级的±500 kV 直流架空输电线路进行交流、直流线路电场环境影响的分析和比较。

1 交流、直流线路下方环境电场的区别

直流输电线路和交流输电线路在空间形成的电场分布具有各自不同的特点。交流输电线路导线发生电晕时，由于交流电压随时间作周期性变化，对应电压上半个周期因电晕放电产生的离子，在下半个周期因电压极性改变，又几乎全被拉回导线，带电离子只在导线周围很小的区域内作往返运动，在相导线之间和相导线与大地之间的广大空间不存在带电离子［1］。因此，交流输电线路周围只会产生相对场强水平较低、仅由导线本身产生的工频电场。

高压直流输电线路在正常运行时，同样会有一定程度的电晕放电现象。直流输电线路两极导线之间、极导线与大地之间充满的离子电荷在电场的作用下移动形成离子流，使导线周围的电场强度增大。因此，直流输电线路导线周围非电离区的空间电场由两部分产生:导线上离子电荷直接产生的电场称为标称电场或静电场;空间离子电荷在电场的作用下做定向运动，形成离子流，离子流场与导线本身产生的静电场(标称电场)叠加形成合成电场，成为直流输电工程项目的关键性电磁环境影响因子。

2 交流、直流线路环境电场监测方法及场强限值比较

目前，我国交流和直流输电线路环境电场强度监测规范，主要有《高压交流架空送电线路、变电站工频电场和磁场测量方法》(DL/T 988－2005)和《直流换流站与线路合成场强、离子流密度测量方法》(DL/T 1089－2008)。

《高压交流架空送电线路、变电站工频电场和磁场测量方法》适用于“所有电压等级的交流高压送电线路和变电站”，并对交流架空送电线路项目工频电场测量作了明确的规定;而《直流换流站与线路合成场强、离子流密度测量方法》则适用于±800 kV 及以下的换流站和直流输电线路的合成场强、离子流密度的测量，为直流输电环境监测提供了技术上的参考和依据，并对直流输变电项目合成场强测量仪器和测量方法作了明确的规定。

在场强水平控制和管理方面，交流输电线路电场环境管理主要的依据是《500 kV 超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》(HJ/T 24－1998)，其目的在于指导500 kV 超高压送变电工程电磁辐射环境影响报告书的编写，目前也是我国对高压交流输电线路项目进行竣工环境保护验收监测和评价的主要参考依据之一。

而直流输电线路电场环境管理主要的依据则是《±800 kV 特高压直流线路电磁环境参数限值》。从实际工作情况来看，针对±500 kV 直流架空输电线路的电场环境一般会参考上述标准规定的穿越居民区的限值水平进行监督和管理。

通过对上述两种不同类型输电线路对应标准的具体内容进行比较后可以发现，除了在工频电场强度测量时均需要控制人员和周围环境中的固定物体与测量仪器的距离足够大，以防止造成大的电场畸变而导致测量结果不准确之外，高压直流架空输电线路地面合成电场强度和高压交流架空输电线路工频电场强度在测量方法和限值要求等方面，均有着较为明显的不同之处:

(1)监测内容不同。对高压直流架空输电线路而言，其对环境造成的电磁影响中离子流场部分在电场监测数据中有着强烈的体现，实际要求测量的为地面合成场强;而高压交流架空输电线路而言，则空间电荷被交变的电场束缚在导线附近，对于离导线较远的区域基本上没有影响，因此实际监测的是线路本身直接在周围空间形成的电场强度，且监测高度建议为距地1.5 m。

(2)测量仪器不同。在测量仪器方面，两者因测量的对象不同，使用的测量仪器必然不相同，但与工频电场测量仪器所不同的重点在于，对直流合成场强的测量仪器设备要求中，标准特别强调了“具有自动记录功能”，以满足高压直流架空输电线路地面合成场强连续测量和较大数据采集量的需要。

(3)天气条件要求不同。高压交流架空输电线路周围工频电场强度测量时，主要考虑避免通过测量仪表的支架泄漏电流而造成测量结果的不准确，因此在天气条件方面提出环境湿度应在80%以下的要求;而高压直流架空输电线路地面合成场强测量受风速的影响较大，标准规定了测量应在风速小于2 m/s 时进行，但实际监测过程中发现即使风速仅为1 m/s 左右，也会在一定程度上造成合成电场分布发生畸变，因此较为理想的状态是尽可能选择在无风或微风期间，使用多个合成电场检测探头同时进行测量。

(4)数据处理方式不同。因高压直流架空输电线路地面合成场强的连续测量中，测量数据分散性较大，根据标准的要求，不仅要求每个测点每次测量数据不少于100 个，而且规定了其数据处理采用的是累计概率的方法进行;而高压交流架空输电线路电场强度监测数据则采用的是多次测量求平均值法，在空间电场稳定的情况下，同一个测点读取5 个数据已能满足需要。

(5)场强标准限值不同。输电线路途经的居民区或住宅民房附近时，对交流输电线路国家推荐的是暂以4 kV/m 作为居民区工频电场评价标准，而对直流输电线路，由于采用的是累计概率的数据处理方法，因此不仅有25 kV/m 的限值，而且规定80%的测量值不得超过15 kV/m(此值一般被作为直流输电线路穿越居民区时的实际控制限值)。从两者的限值标准来看，我国目前针对直流架空线路下方地面合成场强制定的限值标准值远高于交流输电线路下方的工频电场强度推荐值，即使按照80%的测量值限值来看，也已达到了工频电场强度4kV/m 推荐限值的近4 倍。

3 交、直流线路工频电场强度分布模拟对比

设定500 kV 交流架空输电线路按单回三相水平形式布置，±500 kV 直流架空输电线路按双极水平形式布置，交流、直流铁塔均悬挂四分裂或六分裂导线。500 kV 单回交流线路和±500 kV 双极直流线路杆塔型式示意图见图1。

图1 交流、直流杆塔型式示意

500 kV 单回交流线路和±500 kV 双极直流线路基本参数见表1。

表1 基本参数

图2是给定参数条件下，500 kV 单回交流输电线路和±500 kV 双极直流输电线路下方电场强度分布的模拟曲线示意。

图2 交流、直流线路电场强度分布模拟示意

从图中可以较为直观的看出，同为500kV 电压等级的交流、直流高压输电线路，两者下方环境电场水平分布情况明显不同，具有各自鲜明的特点:

(1)高压直流输电线路下方标称电场和合成电场的场强峰值均远大于高压交流输电线路下方工频电场的场强峰值。计算结果的数据显示，在本文给定的条件下，直流输电线路下方合成场强峰值虽未超过最大合成场强30 kV/m 的限值，但均超过普遍认可的穿越居民区时的合成场强控制要求。

(2)对于上述相导线(或极导线)成水平方式布置的高压交流(或直流)输电线路，其下方环境电场强度峰值均出现在边相导线(或极导线)外侧的附近，而在出现两个峰值之间的走廊范围内，局部区域会形成一个非常明显的场强极小区。尤其是对直流输电线路而言，因正负离子抵消作用，理论上会在中心线处出现0 场强的点。

(3)从使用4 分裂和6 分裂导线情况来看，在子导线截面一定的条件下，增加分裂导线数目会使得高压交流输电线路下方的工频电场强度和高压直流输电线路下方的标称场强水平提高，场强峰值分别增大了约12.6%和11.7%，但却使得高压直流输电线路下方合成电场强度峰值降低了约11.5%。因此，可将适当增加导线分裂数作为控制高压直流输电线路下方合成电场水平的有效措施;而对高压交流输电线路而言，导线分裂数则不宜过多，以防导致线路下方环境工频电场水平过大。

4 减弱高压输电线路电场环境影响的措施

目前在进行高压架空输电线路设计中，主要且被普遍采用的是提高导线对地高度的方法，来降低线下及周围空间的场强，以实现在一定程度上减弱高压输电线路下方空间电场对周围环境及敏感目标的影响。对于架空输电线路穿越居民住宅区或人群活动频繁、居留密集的环境敏感区域时，需要将线下环境中的场强值控制在一个较低的水平。此时，当导线架设高度超过一定高度后，再单纯的依靠进一步提高导线架设高度来实现减小场强影响，将会带来某些技术上的困难，同时还会使得经济效益与社会效益造成较大的冲突。

从国内外的研究现状来看，针对高压交流架空输电线路电磁环境影响控制方面的研究远较高压直流输电线路深入和广泛。对于高压交流架空输电线路而言，不同国家通常会根据自身的实际情况，采取不同的方法来控制其对公众的影响。美国采取征购线路走廊和限制走廊内及走廊边缘工频电场的办法，前苏联则在线下一定范围内限制人员进入线路走廊，日本采取的是大幅抬高相导线对地距离的办法［2］。我国受国内电力通道沿途地形复杂，可用土地资源稀少，耕地受到严格保护，输电线路走廊拆迁费用极高，而大量输电线路进入城镇区域后又不得不途经人群密集区域等因素的影响和制约，国外采取的很多办法并不适合直接应用于我国高压交流输电线路运行期间的电磁场强水平控制和环境保护。

目前，国内学者在对500 kV 以及更高电压等级的交流架空输电线路电磁环境影响进行研究的基础上，总结出一些有效解决方案，包括选择合适的相导线布置、调整相间距和分裂间距、在线路走廊与房屋之间区域种植适当高度的树木等［2－8］等，适用于控制高压交流架空输电线路下方工频电场强度。

而对高压直流架空输电线路而言，国外科研机构已经做了一定数量高压直流输电方面的相关理论研究，且认为采用这一电压等级的直流输电是可行的，但仍认为还需进一步的研究和环境及生态影响方面的长期调查。美国以及欧洲的部分国家在交流特高压和±500 kV、±800 kV 及其以上电压等级直流输电方面的基础研究也已取得许多成果，但对该类项目环境影响问题方面，各国目前都还尚处于有待进一步深入研究的阶段［9－11］。

目前，要减小高压直流架空输电线路下方电场水平，仍以适当降低直流输电线路电压等级、增加导线对地高度最为直接有效。另外，通过增加高压直流输电线路分裂导线数目等可增加导线总表面积的方法，也能够在一定程度上降低高压直流输电线路下方合成电场水平，在目前标准对直流输电线路以合成电场进行限值管理的情况下，可作为控制直流线路周围电磁环境的有效措施之一;而通过调节极导线水平间距和分裂导线分裂间距等方法对直流输电线路下方合成场强进行控制时，一方面效果并不明显，另一方面还会受到较多其他因素的制约，一般在实际工程中较少使用。

从我国高压直流输电技术发展的现状来看，一方面，当前直流输电科研和建设单位本身积累的经验相对较少，更多的是在实际设计和建设中发现问题、解决问题;另一方面，我国目前对直流输电的研究重点仍放在设备和技术的改进上，对其可能造成的环境影响问题关注偏少。因此，为了实现高压直流输电经济效益和社会效益的优化，控制高压直流架空输电线路下方地面合成场强水平，确保不会对公众造成超过标准限值的电磁环境影响，建议从其建设初期进行源头控制。设计单位应谨慎考虑、优化设计高压直流输变电类工程项目。由于特高压直流输送容量更大、电压等级更高，需考虑的因素更复杂，尤其是对环境的影响更是多方面和长期性的。对于超长距离、超高电压等级的直流输电线路走廊，应在其选址阶段加强科学评估，对线路路径选择以及系统方案比较等主要技术原则应进行充分论证，优化线路走向，减少穿越居民密集区域，严格控制线路走廊外居民住宅或长期有人居留建筑与线路的直线距离，为规划部门实现科学、合理规划提供可靠的决策依据。

5 结语

目前，500 kV 高压交流输电线路已在城市区域电网建设中广泛采用和建设、运行;而新兴的±500 kV 高压直流输电线路在跨省的区域间长距离送电网建设中也已开始形成一定的规模。现有研究表明，对高压直流输电线路和交流输电线路，仍以适当降低运行电压等级、增加导线对地高度是最为有效的控制线路下方环境电场强度的方式。当前针对高压交流输电线路的研究已较为成熟和深入，研究人员已总结出一系列具有较强针对性且适合我国国内现状，适用于控制线路下方环境电场强度的有效解决方案。相对而言，高压直流输电线路研究积累的经验则较少，更多的是在实际设计和建设中发现问题、解决问题，因此，在平衡高压直流输电经济效益和社会效益双优化的基础上加强源头控制对其具有重要的现实意义。

［1］刘振亚.特高压直流输电工程电磁环境［M］.北京:中国电力出版社，2009.

［2］邵方殷.我国特高压输电线路的相导线布置和工频电磁环境［J］.电网技术，2005，29(8):1－7.

［3］邵俊楠，李 轶.同塔双回输电线路相序排列方式对电场强度的影响分析［J］.新疆电力技术，2010，104(1):81－82.

［4］刘华麟，吴湘黔，彭俊宏.云广1000 kV 特高压输电线路周围工频电磁环境研究［J］.贵州电力技术，2006，(8):17－20.

［5］黄 伟，郭 昊，王 恩，等.500 kV 输电线路电磁环境的matlab 仿真分析［J］.江西电力职业技术学院学报，2011，24(1):12－15.

［6］张 晓，陈稼苗，周 浩，等.750 kV 超高压交流输电线路电磁环境研究［J］.华东电力，2008，36(3):34－38.

［7］李 伟，张 波，何金良，等.超特高压交流输电线路电晕对地面电场的影响［J］.高电压技术，2008，34(11):2288－2294.

［8］程 炜，刘黎刚，张艳芳，等.特高压输电线路工频电场的数值仿真研究［J］.高压电器，2012，48(2):1－6.

［9］袁清云.特高压直流输电技术现状及在我国的应用前景［J］.电网技术，2005，29(14):1－3.

［10］袁清云.我国特高压直流输电发展规划与研究成果［J］.电力设备，2007，8(3):1－4.

［11］张文亮，于永清，李光范，等.特高压直流技术研究［J］.中国电机工程学报，2007，27(22):1－7.