直流架空输电线路合成电场屏蔽措施分析

周象贤，刘岩

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

输配电技术

直流架空输电线路合成电场屏蔽措施分析

周象贤，刘岩

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014）

直流输电线路电晕放电所产生的空间离子会使得地面附近的电场大幅增加，产生合成电场问题。为了降低线路下方某些敏感区域的合成电场，需要采取一些屏蔽措施。采用通量线法对屏蔽线和屏蔽网2种合成电场屏蔽措施进行定量计算分析，结果显示屏蔽网的屏蔽效果更好，屏蔽线更适合用于大区域的合成电场屏蔽。指出了这2种屏蔽措施在实际应用中需要注意的问题。

直流输电线路；合成电场；屏蔽线；屏蔽网；措施

0 引言

近年来，随着我国西电东输工程的建设，已经有越来越多的直流架空输电线路投入了运营。直流线路的电晕放电与交流线路差别较大，因为交流线路电压周期性正负交替，电晕放电所产生的离子会在交流线路附近往复运动，但不会运动到离线路较远的区域。而直流线路的电压极性是恒定的，线路电晕所产生的离子始终会朝着一定的方向运动，当一部分离子运动到地面附近时，会使得地面电场增大2~3倍，这就是所谓合成电场问题。

当离子运动到地面附近时，会对悬浮或接地不良导体充电，使得导体电位提高，当有人员接触时会形成暂态电击感[1]。此外，空间离子还可能会对线路下方的储油设施等敏感目标构成一定的威胁[2]。根据我国相关标准规定，直流线路设计时已经能够保证线路下方最大地面合成电场不超过30kV/m，直流线路走廊边缘处合成电场不超过15kV/m，离子流密度不超过100 μA/m2[3]。因此，对于已建直流线路附近出现较为敏感的目标时，研究如何对目标附近局部区域的合成电场进行抑制具有重要意义。

目前，见诸报道的合成电场抑制措施包括屏蔽线和屏蔽网2种。屏蔽线主要用于抑制较大范围区域的合成电场[4]，它可以架设在既有的线路杆塔上，所需费用不高，效果显著。屏蔽网可以用于抑制小范围内的合成电场，其效果较屏蔽线更为显著[5]，但造价也更昂贵。

本文利用现有计算方法对屏蔽线和屏蔽网的合成电场抑制作用进行了分析，指出了这2种方法在实际应用中所需要注意的问题。

1 计算方法

合成电场问题的简化数学模型可以写为[6]：

式中：φ为电位；ρ为空间电荷密度；E为电场强度；ε0为真空介电常数。

本文采用的计算方法为通量线法，该方法已经比较成熟，仅作简要介绍。该方法进行合成电场计算时，首先需要计算空间的电场线分布；其次，假设合成电场与标称电场（无空间电荷电场）之间的关系为∶

式中：A为合成电场与标称电场间的倍数关系；Enom为标称电场。由式（1）—（3）可知，只要求出A就可得到空间合成电场，而该系数的求解可以沿每一条电场线进行，其求解公式为：

式中：Ae和ρe分别表示A和ρ在导线表面的取值；φ1为计算点的电位；U为导线电位。

2 屏蔽线对合成电场的屏蔽效应

2.1 线路下方无屏蔽线时

利用上节所描述的计算方法，对某典型±800 kV直流输电线路线下悬挂屏蔽线时的合成电场分布情况进行了计算和分析。该线路最低点高度为18 m（下文所有线路高度均指最低点高度）、导线半径16.8 mm、分裂距离0.45 m、分裂数为6、极间距离20 m。计算中正负离子迁移率均取1.5× 10-4m2/V·s，线路起晕场强取18 kV/cm。

图1（a）所示为直流线路下方没有屏蔽线时的线路结构，图1（b）所示为该结构的合成电场计算结果。图1（a）中O点为合成电场计算中的横坐标0 m位置，下文中的合成电场计算结果横坐标0 m位置与此相同。由图1（b）可见，此时的合成电场峰值处于线路外侧约2 m处（即离横坐标原点12 m处），合成电场峰值约为25kV/m，而在线路外侧16 m处合成电场已经降到了15kV/m以下，正负极导线下方合成电场分布差异不大。

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图1 线路下方无屏蔽线时的合成电场计算结果

2.2 线路下方有2条屏蔽线时

在图1（a）所示的线路结构基础上，在正负极导线正下方位置各增设1条半径为8 mm的屏蔽用架空地线，该架空地线高度设为5 m，在其他计算参数均保持不变的情况下，其合成电场计算结果如图2所示。图2（a）所示为直流线路下方有2条屏蔽线时的线路结构，图2（b）所示为该结构的合成电场计算结果。由图2（b）可见，此时的合成电场峰值处于线路外侧约5.2 m处，合成电场峰值约为21.8kV/m，在线路外侧17 m处合成电场已经降到了15kV/m以下。与2.1节计算结果相比较可见：在正负极导线下方各增设1条屏蔽线时，地面合成电场峰值下降了12.8%，峰值所处位置向导线外侧移了4 m，但按照15kV/m控制的走廊宽度变化不大。

2.3 线路下方有4条屏蔽线时

为了比较屏蔽线根数增加时地面合成电场的变化情况，在2.2节的基础上于正负极导线外侧2 m处分别增加1条屏蔽线，屏蔽线高度仍为5 m。此时线路结构和合成电场计算结果如图3所示。由图3（b）可见，合成电场峰值为19.8kV/m，峰值位置处于线路外侧7 m处，在线路外侧17 m处合成电场已经降到了15kV/m以下。与2.2节中只有2条屏蔽线时的计算结果相比，合成电场峰值进一步下降了约9.2%，但是峰值位置和走廊宽度基本不变。

图3 线路下方有4条屏蔽线时的合成电场计算结果

2.4 屏蔽线屏蔽效果的影响因素

从2.2节和2.3节的计算结果可见，屏蔽线对于地面合成电场有明显的屏蔽效果。为了给屏蔽线的实际应用提供指导，就屏蔽线粗细、悬挂高度对屏蔽效果的影响进行分析。

表1 屏蔽线粗细对屏蔽效果的影响

表2所示为屏蔽线高度对合成电场屏蔽效果影响的计算结果，计算所采用的线路结构如图2（a）所示，屏蔽线半径固定在8 mm，屏蔽线高度从3 m增大到8 m。从表2可见：地面合成电场峰值随屏蔽线高度的增加而先减小后增大，屏蔽线高度从3 m增加到6 m时，合成电场峰值下降了11.8%；屏蔽线高度从6 m增加到7 m时，地面合成电场峰值增大了5.4%；再继续增加屏蔽线高度，合成电场峰值变化不大。可见，屏蔽线高度对于屏蔽效果的影响较为显著，并且存在1个最佳悬挂高度，对于本节所采用的线路结构而言，最佳悬挂高度约为6 m。

表2 屏蔽线高度对屏蔽效果的影响

从本节的计算和分析可知，改变屏蔽线半径对于屏蔽效果影响不大，但是调整屏蔽线高度对于屏蔽效果则具有显著影响，这是在实际应用中需要引起注意的问题。

3 屏蔽网对合成电场的抑制效应

3.1 屏蔽网的架设方法

将接地的屏蔽网架设在敏感目标的上方可以有效降低屏蔽网下方区域的合成电场。图4所示即为典型的屏蔽网架设方法，这种架设方法可以保护屏蔽网下方区域内的敏感目标。

图4 合成电场屏蔽用屏蔽网的典型架设方式

3.2 屏蔽网线径对屏蔽效果的影响

本节的计算仍然采用了本文第2部分所述的典型±800 kV直流线路类似的结构，区别为极间距离为22 m，其它计算参数保持一致，计算基本原理如第2部分所述，区别在于屏蔽网屏蔽性能的计算是三维的[5]，因而计算量与计算复杂度均要大一些。

为了分析屏蔽网线径（本文均指半径）对屏蔽效果的影响，计算中将1个2 m×2 m的屏蔽网放在了导线外侧4 m处，屏蔽网平行于地面，高度固定在3 m，屏蔽网网孔边长为0.66 m（正方形）。表3所列为不同线径的屏蔽网正下方平均合成电场强度，由表3可见：屏蔽网线径越大其屏蔽效果越好，但是当屏蔽网线径从0.5 mm增大到1.5 mm时，其下方合成电场只降低了3.9%，这说明通过增大屏蔽网线径来改进屏蔽效果的做法是不经济的。

表3 屏蔽网线径对屏蔽效果的影响

3.3 屏蔽网网孔大小对屏蔽效果的影响

将3.2节中屏蔽网线径固定在1 mm，改变屏蔽网网孔的大小，其对屏蔽效果的影响如表4所示。比较没有屏蔽网和有网孔为0.66 m的屏蔽网时的屏蔽效果，合成电场下降了22%，这说明网孔很稀疏的屏蔽网也能起到良好的屏蔽作用。当继续减小网孔大小时，合成电场持续下降，说明网孔较密的屏蔽网具有更好的屏蔽效果。

表4 屏蔽网网孔大小对屏蔽效果的影响

4 结论

本文对屏蔽线和屏蔽网2种合成电场屏蔽措施的效果进行了定量计算，通过计算和分析认为应用这2类屏蔽方法时需要注意以下问题：

（1）屏蔽线适合于大区域的合成电场屏蔽，屏蔽网适合于小区域的合成电场屏蔽，并且屏蔽网的屏蔽效果更好。

（2）屏蔽线和屏蔽网的线径大小对于屏蔽效果有一定影响，但影响不大，实际应用中可以以机械性能为标准来挑选合适的屏蔽线与屏蔽网。

（3）为了取得最好的屏蔽效果，屏蔽线的悬挂高度可参考其最佳高度。

（4）网孔较大的屏蔽网已具有显著的屏蔽效果，但屏蔽网的网孔越小屏蔽效果越好。

[1]甄永赞，崔翔，卢铁兵，等.离子流场中导体充电电位的计算[J].中国电机工程学报，2011，31（27）∶8-13.

[2]ATCO Electric.Facts about electrical effects from direct current transmission lines[EB].2011.

[3]DL/T 1088-2008±800 kV特高压直流线路电磁环境参数限值[S].北京：中国电力出版社，2008.

[4]Y AMANO，Y SUNAGA.Study on reduction in electric field,charged voltage,ion current and ion density under HVDC transmission lines by parallel shield wires[J]. IEEE Trans.on Power Delivery，1983，4（2）∶1351-1359.

[5]XIANGXIAN ZHOU.Analysis of the Shielding Effect of Wire Mesh to Ion Flow Field from HVDC Transmission Lines[J].IEEE Trans.on Magnetics，2014，50（20）∶89-92.

[6]MARUVADA P S，JANISCHEWKY W．Analysis of corona loss on DC transmission lines：II-bipolar lines[J]．IEEE Transaction on Power Apparatus and System，1969，88（10）∶1476-1491.

（本文编辑：赵晓明）

Synthetic Electric Field Shielding Measures Analysis of DC Overhead Transmission Lines

ZHOU Xiangxian，LIU Yan
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

The ions generated by corona discharge on DC transmission lines will enhance the ground level electric field substantially，resulting in synthetic electric field.Shielding measures is probably necessary to reduce synthetic electric field around sensitive objects under the lines.This paper uses the flux tracing method to analyze the shielding effect of shielding wire and shielding mesh.The results show that the shielding mesh has better shielding effect，while the shielding wire is more appropriate for synthetic electric field shielding in large areas.Several precautions in application of the two shielding measures are proposed.

DC transmission lines；synthetic electric field；shielding wire；shielding mesh；measures

TM835.4

A

1007-1881（2015）06-0001-04

2015-03-04

周象贤（1987），男，工程师，研究方向为输电线路防雷、载流量计算与电晕。