±800 kV特高压直流输电线路电磁干扰研究

张庆辉，齐亚红

（河南工业大学信息科学与工程学院，河南郑州450001）

±800 kV特高压直流输电线路电磁干扰研究

张庆辉，齐亚红

（河南工业大学信息科学与工程学院，河南郑州450001）

直流输电线路在正常电压运行下允许一定程度的电晕放电，电晕放电产生电晕损失，引起无线电干扰及可听噪声。分析了±800 kV特高压直流输电线路的无线电干扰及可听噪声，采用逐步镜像法计算导线表面电位梯度，分析无线电干扰及可听噪声的计算方法，编写计算程序，计算结果表明：改变导线截面、导线对地高度、分裂间距及导线分裂数可降低无线电干扰及可听噪声的水平。

特高压直流；电晕放电；逐步镜像法；无线电干扰；可听噪声

0 引言

随着电压等级的升高，对于特高压直流输电线路，线路导线表面电场强度提高，造成电晕放电，随之引起的无线电干扰和可听噪声对周围环境的影响越来越不容忽视，且已成为设计特高压直流线路必须考虑的重要因素。利用逐步镜像法计算导线表面电位梯度，针对特高压直流输电线路的无线电干扰水平和可听噪声进行分析，对无线电干扰和可听噪声的控制限制、计算方法进行研究，并利用仿真结果分析线路参数对无线电干扰及可听噪声的影响。

1 导线表面电位梯度计算

直流输电线路的电晕现象引起无线电干扰和可听噪声，导线表面电场强度是影响导线电晕放电的最主要因素，要确定线路结构对无线电干扰及可听噪声的影响，首先要确定导线表面电场强度。在工程分析中，计算导线表面电位梯度的方法主要有Markt-Megele法、模拟电荷法和逐步镜像法［1-3］。Markt-Megele法的计算适合4分裂数及以下有较好的准确性；模拟电荷法的计算比较准确，但模拟电荷的位置和电荷量不易确定，且计算所需时间较长。对比以上这两种计算方法，逐步镜像法有效避免了这些问题，因此本文采用逐步镜像法。

逐步镜像法的基本思想是在一个多导体系统中，镜像电荷替代导体内部的原导体，使导线表面维持等电位面，这一边界条件被满足后，导体表面的电场强度则可由这些镜像电荷计算得到。采用逐步镜像法计算时，对子导线是单独处理，因此这种计算能够考虑到子导线所处位置不同引起电荷分布不均的情况以及导线之间的相互影响。

1.1 各子导线电荷值

电荷值Q由Maxwell电位系数法求出：

式中：［Q］为电荷矩阵；［U］为电压矩阵；［P］为电位系数矩阵。

自电位系数由式（2）表示，互电位系数由式（3）表示。

式中：hi为导线i距离地面的平均高度；Dij为导线i与导线j的镜像之间的距离；dij为导线i与导线j之间的距离；ε0为真空的介电常数，ε0=8.854×10-12F/m；req为分裂导线等效半径。

1.2 计算镜像电荷

将1.1中所求的各子导线上的电荷值用一系列镜像电荷表示，使导线表面维持等电位面。求某一导线内的镜像电荷时，先假设除该导线外所有导线的电荷都集中在各导线的中心，每一电荷在该导线内的镜像电荷大小等于原电荷但符号相反，位于该导线中心至每一电荷的连线上，距该导线中心距离为

式中：dij为第j个电荷与第i根导线之间的距离；ri为第i根导线的半径。

1.3 校核导线的表面电压

首先确定子导线内部镜像电荷的位置、符号和大小，选择子导线表面若干点处，计算出电位，并同实际电位相比较，正式计算前要确定计算误差在规定范围内。导线间的最小距离与导线半径之比决定了镜像次数，比值越大镜像次数越少；当比值大于10时，镜像1次就能使计算误差足够小［4-5］。对于特高压输电线路，分裂间距与导线半径之比均大于10，因此在此计算过程中只需进行1次镜像。

1.4 计算导线表面电位梯度

将子导线表面圆周等分为若干个点，按公式（5）、（6）、（7）计算导线表面圆周每个计算点的电位梯度，求出最大电位梯度。

式中：（x，y）为子导线表面计算点坐标；（xi，yi）为镜像电荷i的坐标；dip为子导线表面计算点与镜像电荷i的距离；Dip为子导线表面计算点与镜像模拟电荷i的距离；m为总的镜像电荷数。

2 无线电干扰及可听噪声的计算

2.1 无线电干扰的限值及计算

国家标准和电力行业标准规定：距直流架空输电线路正极性导线对地投影外20 m处，如图1所示，由电晕产生的0.5 MHz无线电干扰场强80%//80%值见表1。我国建议750 kV输电线路无线电干扰的控制限值设置为55～58 dB［8-9］。

表1 GB15707-1995规定的无线电干扰限值

图1 无线电干扰的参考距离（X=20 m）

直流输电线路无线电干扰的计算公式有很多，德国、意大利、美国、日本和加拿大等都有各自的计算公式，而这些公式多是经验公式，计算过程很复杂。1982年国际无线电干扰特别委员会（CISPR）提出的适用于双极直流线路无线电干扰的计算公式［10-11］

式中：RI为距正极性导线D处的无线电干扰场强值，dB（μV/m）；gmax为导线表面最大场强，kV/cm；r为子导线半径，cm；n为导线分裂数；D为距正极性导线的距离，m；ΔEf为干扰频率修正项。

式（8）计算方法的前四项是在好天气情况下，频率为0.5 MHz，距正极导线20 m处的无线电干扰值。干扰频率为0.5 MHz时，ΔEf=0，即0.5 MHz为基准频率；对于0.15～30 MHz的频率段，ΔEf=5［1－2（lg10f）2］，式中f为测量频率，MHz。

由图2可知，对于80%时间概率、具有80%置信度［11］的无线电干扰场强值可在该值基础上增加3～4 dB得到。

图2 交流和直流送电线路的无线电干扰水平的累计分布

另外CISPR还指出：无线电干扰的横向分布图应在高出地面2 m的某处确定，该处与边导线对地投影的距离不得超过200 m，超过这一距离，无线电干扰则可以忽略不计。

2.2 可听噪声的限值及计算

可听噪声的限值，我国相应的标准有：GB3096—1993《城市区域环境噪声标准》，GB12348—1990《工业企业厂界噪声标准》等，都是以同一范围区域划分规定噪声标准。这些噪声标准分白昼和夜间两个水平，以适用于居住、商业、工业混杂区标准为例：夜间50 dB，白昼60 dB。按国家噪声标准，特高压输电线路的可听噪声不应超过55 dB［12］。

直流输电线路可听噪声的来源主要是正极性导线，可听噪声的计算可以利用经验公式进行计算。

1）美国电力科学研究院（EPRI）推荐公式。

式中：gmax为导线最大表面场强，kV/cm；d为子导线直径，cm；n为导线分裂数；D为正极性导线到计算点之间的距离，m；kn为导线分裂数修正项，当n≥3时，kn=0 dB；当n＝2时，kn＝2.6 dB；当n=1时，kn＝7.5 dB。

式（9）计算的是夏季晴天可听噪声的50%值，适用于导体表面场强15 kV/cm＜E＜30 kV/cm、子导线直径2 cm＜d＜5 cm以及导线分裂根数1＜n＜6的情况。春秋季节时的可听噪声可在此计算值的基础上减小2 dB。

2）美国邦纳维尔（BPA）推荐公式。

其中，deq=0.66n0.64d（n＞2）；deq=d（n=1，2）

式中：gmax为导线最大表面场强，kV/cm；d为子导线直径，mm；D为正极性导线到计算点之间的距离，m；n为子导线根数。

因为本文所计算的可听噪声是最严重情况时的噪声，而在夏季可听噪声的影响最为严重，因此在分析时可听噪声的计算使用EPRI推荐公式来计算。

3 线路结构参数对无线电干扰及可听噪声的影响

3.1 导线截面积及对地高度的影响

导线电压±800 kV，极间距为22 m，分裂间距为0.45 m。可分别取6×LGJ-500/35型、6×LGJ-630/45型、6×LGJ-720/50型、6×LGJ-800/55型、6×LGJ-900/ 60型导线作为研究对象，利用逐步镜像法计算导线表面最大场强，代入公式（8）和（9），计算不同导线方案对地高度在正极导线投影外20 m处无线电干扰及可听噪声曲线如图3、图4所示。

图3 不同导线类型对地高度的无线电干扰值

从图3和图4可以看出，随着子导线截面积的增加，无线电干扰和可听噪声有所减小；导线对地高度也是影响无线电干扰及可听噪声的主要因素，导线对地高度由16 m增加到22 m，RI的值减小2.5 dB左右；导线对地高度每增加2 m，可听噪声的值减小1 dB左右，有明显的减小。

在特高压直流输电线路设计中，增加导线截面积，可作为一种改善电磁干扰的措施。

图4 不同导线类型对地高度的可听噪声值

3.2 分裂间距的影响

针对6×LGJ-720/50型导线，不同分裂间距对无线电干扰及可听噪声的影响规律如图5、图6所示，导线对地距离h=18 m，极间距Dc=22 m。

图5 不同分裂间距的无线电干扰

图6 不同分裂间距的可听噪声

从图中曲线可知，随着分裂间距的变化，无线电干扰和可听噪声呈现U形变化，存在最小值，当分裂导线在分裂间距为35 cm左右时，RI和AN的值最小。

在特高压直流输电线路设计中，针对不同的子导线，选择合适的分裂间距使得导线表面电场强度达到最小，做到有效的降低无线电干扰和可听噪声。

3.3 导线分裂数的影响

针对导线LGJ-720/50，不同导线分裂数对无线电干扰及可听噪声的影响规律如图7、图8所示，导线对地距离h=18 m，极间距Dc=22 m，分裂间距Sc=0.45 m。

图7 不同导线分裂数的无线电干扰

图8 不同导线分裂数的可听噪声

从图7中曲线可知，随着导线分裂数的增加，无线电干扰水平和可听噪声水平明显降低。当分裂数由4增加到5时，正极投影20 m处的无线电干扰水平降低10 dB左右；但是当分裂数大于6后，继续增加分裂数，线路的无线电干扰水平改善并不明显。从图8可知，当导线分裂数由4增加到6时，可听噪声的水平由54 dB减小到43 dB左右，但是当分裂数大于6之后，继续增加分裂数，线路的可听噪声没有明显改变。因此，增加导线分裂数是控制电磁干扰的有效措施。

4 结语

增加导线截面积可以有效减小RI及AN的值，算例分析中的各种导线类型计算的RI和AN均符合国家标准。

增大导线对地高度、分裂间距及导线分裂数是降低无线电干扰和可听噪声水平的有效措施，对RI及AN的影响最为显著的是导线分裂数的改变。

对于±800 kV特高压直流线路，导线各参数对RI及AN的影响有着近似相同的变化关系。

［1］杨力.特高压输电技术［M］.北京：中国水利水电出版社，2011.

［2］刘振亚.特高压电网［M］.北京：中国经济出版社，2005.

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［9］GB15707—1995高压交流架空送电线无线电干扰限值［S］.

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［12］GB30962—1993城市区域噪声标准［S］.

Research of Electromagnetic Interference for±800 kV UHVDC Transmission Line

Under normal voltage operation DC transmission line allows a certain degree of corona discharge，which causes corona loss and leads to radio interference and audible noise.This paper analyses the radio interference and audible noise of±800 kV UHV dc transmission lines，using successive image method to calculate the conductor surface voltage gradient，analyzing the calculation methods of radio interference and audible noise，and compiling calculation program.The calculation results show that the radio interference and audible noise level are reduced by the conductor cross section，conductor height，bundle spacing and split conductor number.

UHVDC；corona discharge；successive image method；radio interference；audible noise

TM721

：B

：1007－9904（2014）01－0034－05

2013-10-22

张庆辉（1974—），男，工学博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向为嵌入式系统及应用、电子信息科学、电力系统自动化等；

齐亚红（1988—），女，硕士研究生，主要研究方向为特高压输电线路电磁环境。