±1100kV直流输电线路地面合成电场分析

林旗力 ，聂申辰，董晓红，丁伟东，聂 峰

(1．中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200001；2．河海大学环境学院，江苏 南京 210098；3．国网北京经济技术研究院，北京 102209)

±1100kV直流输电线路地面合成电场分析

林旗力 ，聂申辰2，董晓红3，丁伟东1，聂 峰1

(1．中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200001；2．河海大学环境学院，江苏 南京 210098；3．国网北京经济技术研究院，北京 102209)

±1100kV特高压直流输电工程是全新的技术领域，其电磁环境影响问题备受公众关注。采用解析计算法对±1100kV直流输电线路产生的地面合成电场强度进行了理论计算，并将结果与已建±800kV和±500kV直流输电线路的实测值进行比较。结果表明，当±1100kV线路最低线高为26～32m时，极导线水平排列线路产生的地面合成电场强度最大值为12.13～17.00kV/m，极导线垂直排列线路产生的地面合成电场强度最大值为12.76～13.59kV/m。在最低线高相同的情况下，通过采取增大导线截面、增加导线分裂数等措施后，±1100kV线路产生的合成电场水平与±800kV线路、±500kV线路相比并没有明显增大。

±1100kV；特高压；直流输电线路；合成电场；电磁环境影响

0 引言

随着经济持续快速发展，我国的电力需求不断攀升，电力生产与消费水平在空间上呈逆向分布的问题也日益凸显[1]。为此，在长距离、大容量输电方面优势明显的特高压直流输电技术得以迅速发展。近年来，我国相继建成了±800kV云南-广东、±800kV向家坝-上海、±800kV溪洛渡-浙江、±800kV锦屏-苏南等直流输电工程。

2014年起，我国启动准东-华东(皖南)±1100kV特高压直流输电工程可行性研究工作，拟将特高压直流输电的电压等级推到一个新的高度。但是±1100kV直流输电工程作为一个全新的技术领域，国内外尚无成熟的设计经验和研究成果，其环境影响势必引起公众的广泛关注[2]。相比可听噪声，直流输电线路的电磁环境影响由于无法被直观感受以及存在暂态电击等问题，更容易引起公众的恐慌，使其成为输变电工程环保投诉的集中点和环境保护行政主管部门在审批项目环境影响报告书时的关注重点[3-5]。因此，亟需对±1100kV直流输电线路的电磁环境影响开展深入研究。

为此，本文采用理论分析的方法，对±1100kV直流输电线路地面合成电场开展研究，以期为工程的设计、环评等工作提供参考。

1 ±1100kV直流输电线路合成电场强度理论计算方法及参数

1.1 理论计算方法

由于直流输电线路下方整个空间存在着由导体电晕引起的大量空间电荷，使其合成电场强度的计算变得非常复杂，目前主要的计算方法包括解析计算法[6]、半经验公式法[7]以及有限元法[8]等。本文采用《环境影响评价技术导则 输变电工程》附录E推荐的解析计算法[9]。

1.1.1 基本假设

(1)采用Deutsch假设，认为空间电荷不影响场的方向，仅影响场的大小，如式(1)所示：

式中：Es为空间电荷存在时合成电场强度，kV/m；A为标量函数；E标称电场强度，kV/m。

(2)导线的表面附近发生电离后，其表面电位保持在起晕电压值V0，当导线对地电位为V时，导线表面的标量函数Ae如式(2)所示：

1.1.2 计算过程

首先，采用逐步镜像法，沿无空间电荷场强的电力线计算无空间电荷下的场强E；接着，通过式(3)计算得到标量函数A；最后，根据式(1)计算得到合成电场强度Es。

式中：ε0表示真空介电常数，pF/m；φ表示无空间电荷时空间某点的电位，kV；ρe表示导线表面电荷密度，nC/m3，由弦截法求得，其初值ρm为导线表面平均电荷密度，可通过式(4)计算得到：

式中：η表示积分变量。

1.2 计算参数

在准东-华东(皖南)±1100kV特高压直流输电工程可行性研究过程中，相关单位从减小电磁环境影响的角度，对±1100kV线路的导线、杆塔等开展了大量研究[10-12]。参考该工程可行性研究资料和环境影响报告书，常规地区选用的是极导线水平排列的杆塔。针对走廊紧张地区，可研单位还设计了极导线垂直排列的杆塔。参考典型设计塔型，两类杆塔的极间距分别取26m和21m，详见图1。

为考虑不同线高对线路合成电场水平的影响，本文选取了四种最低线高，即26m、28m、30m、32m。参考《直流换流站与线路合成电场强度、离子流密度测试方法》[13]，本文选取的理论计算高度为0m(即地面处)。具体参数见表1。

图1 计算杆塔塔型示意

项目参数额定电压/kV±1100额定电流/A5455输送容量/MW12000导线型号JL/G3A-1250/70导线材质钢芯铝绞线子导线外径/mm47.35导线分裂数8导线分裂间距/mm550子导线排列方式正八边形最低线高/m26/28/30/32计算点高度/m0杆塔型式双极单回路

2 ±1100kV直流输电线路地面合成电场强度计算分析

2.1 直流输电线路地面合成电场强度

2.1.1 极导线水平排列塔型

根据理论计算，图2为不同最低线高±1100kV线路(极导线水平排列)地面合成电场强度计算结果。线路产生的地面合成电场强度关于零值点中心对称，并且零值点位于线路中心线上。各线路的地面合成电场强度的最大值出现在极导线外侧，后随着距极导线距离的增加而逐步减小。

2.1.2 极导线垂直排列塔型

根据理论计算，图3给出了不同最低线高的±1100kV线路(极导线垂直排列)地面合成电场强度计算结果。从图可看出，线路产生的地面合成电场强度关于线路(极导线)中心线轴对称。当最低线高为26～32m时，线路地面合成电场强度最大值为12.76～13.59kV/m。

图2 ±1100kV直流输电线路(极导线水平排列)地面合成电场强度计算结果

图3 ±1100kV直流输电线路(极导线水平排列)地面合成电场强度计算结果

2.2 与其他电压等级直流输电线路地面合成电场强度实测值的比较分析

2.2.1 与其他电压等级直流输电线路地面合成电场强度实测值的比较

本文选取±800kV云南-广东直流输电线路和±800kV向家坝-上海特高压直流输电线路的地面合成电场强度实测值与±1100kV线路(极导线水平排列)理论计算值进行比较分析。两条±800kV线路的实测地点分别位于云南省曲靖市和江苏省苏州市境内，测试期间线路双极全压运行[14]，相关参数见表2。极导线水平排列条件下±1100kV线路理论计算值和±800kV线路的实测值见图4。

由于缺乏极导线垂直排列的±800kV线路的合成电场强度实测资料，本文选取±500kV三峡-上海直流输电线路“F”型杆塔段的地面合成电场强度实测值与±1100kV线路(极导线垂直排列)理论计算值进行比较分析[15]。该±500kV线路的实测地点位于上海市境内，测试期间线路全压运行，相关参数见表2。极导线垂直排列条件下±1100kV线路理论计算值和±500kV线路的实测值见图5。图中±800kV云广线路实测值1和实测值2分别于8月份和10月份测得。

表2 ±800kV直流输电线路和±500kV直流输电 线路相关参数

图4 ±1100kV直流输电线路理论计算值与±800kV直流输电线路实测值的比较

图5 ±1100kV直流输电线路理论计算值与±500kV直流输电线路实测值的比较

2.2.2 结果分析

从图4可看出，对于±800kV云广线路合成电场强度，8月份实测值略低于10月份实测值，可能是测试期间风速、湿度等环境因素不同导致的[16]。各线路地面合成电场强度的变化趋势基本是一致的，但是±800kV线路实测值的零值点不在线路中心线上，而是偏向负极导线，并且负极合成电场强度略大于正极合成电场强度，这主要是由于在电场的作用下，实际环境中负离子的迁移率大于正离子。

从图5可知，±500kV线路地面合成电场强度实测值随距离的衰减快于±1100kV线路理论计算值。±500kV线路实测值的对称轴不在线路中心，这是由于±500kV线路采用的是“F”型杆塔，正、负极导线不是完全垂直于地面，使得地面合成电场强度实测值的对称轴偏向负极导线。

从表1和表2可知，各线路的导线材质是相同的。由于±1100kV线路电压等级高、输送容量大，其采用的子导线截面较大，导线分裂数也较多，这有利于降低线路的合成电场水平。±1100kV线路选取的导线分裂间距大于±800kV线路和±500kV线路，这是由于导线分裂间距的选取不但受到导线截面大小的限制，还需兼顾次档距振荡和电磁环境影响的问题。如果子导线间相互距离太近，则易引起次档距振荡问题；但是如果导线分裂间距增大，游离于正、负极之间的离子则会减少，转而流向地面，使得地面合成电场强度增大[17-18]。图4和图5表明，±1100kV线路的地面合成电场强度理论计算值水平与±800kV线路、±500kV线路的实测值水平基本相当。由此可见，虽然±1100kV线路的电压等级高于±800kV线路、±500kV线路，但是通过采用增大子导线截面、增加导线分裂数等措施后，在最低线高相同的情况下，其产生的合成电场水平并没有明显增大。

3 结语

采用《环境影响评价技术导则 输变电工程》附录E推荐的解析计算法，对±1100kV直流输电线路地面合成电场强度进行了理论计算。根据计算结果，±1100kV线路的最低线高越高，最大地面合成电场强度越低。通过与±800kV云南-广东直流输电线路、±800kV向家坝-上海特高压直流输电线路以及±500kV三峡-上海直流输电线路的地面合成电场强度实测值的比较分析可知，极导线水平排列的±1100kV线路产生的合成电场水平与±800kV线路基本相当，极导线垂直排列的±1100kV线路产生的合成电场水平与±500kV线路基本相当。由此可见，在最低线高相同的情况下，通过采用增大导线截面、增加导线分裂数等措施后，±1100kV线路产生的合成电场水平与±800kV线路、±500kV线路相比并没有明显增大。

[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]杨万开,李新年,印永华,等.±1100kV特高压直流系统试验技术分析[J].中国电机工程学报,2015,35(S):8-14.

[3]陆家榆,鞠 勇.±800kV直流输电线路电磁环境限值研究[J].中国电力,2006,39(10):37-41.

[4]Anzivino L D. HVDC transmission line reference book[R]. Redlards, California: EPRI Press, 1993.

[5]陈 伟,魏化军,温如春,等.高压交流、直流输电线路环境电场对比研究[J].电力科技与环保,2014,30(1):1-4.

[6]Arma M P, Janischewskyj W. Analysis of corona losses on DC transmission lines: II-bipolar lines[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1969, 88(10): 1476-1490.

[7]Johnson G B. Degree of corona saturation for HVDC transmission lines[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,1990,5(2): 695-707.

[8]Takuma T, Kawamoto T. A very stable calculation method for ion flow field of HVDC transmission lines[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1987, 2(1): 189-198.

[9]HJ24-2014, 环境影响评价技术导则 输变电工程[S].

[10]柏晓路,李 健,陈 媛,等．±1100kV直流输电线路电磁环境研究[J].中国电力,2014,47(10):24-29.

[11]李晓丽,李先志．±1100kV特高压直流输电线路导线结构参数研究[J].四川电力技术,2015,38(2):6-9,50.

[12]李孝林．准东-华东±1100kV特高压直流输电线路工程甘肃北段导线选型分析[J].内蒙古电力技术,2016,34(1):25-31.

[13]DL/T1089-2008,直流换流站与线路合成场强、离子流密度测试方法[S].

[14]邓 军,肖 遥,楚金伟,等.±800kV云广特高压直流线路合成电场仿真计算与测试分析[J].电力自动化设备,2015,35(2):138-144.

[15]孙竹森,王 勤,万保全,等.±500kV三沪直流输电线路电磁环境测试分析[J].高电压技术,2007,33(5):65-68.

[16]李 敏,余占清,曾 嵘,等.高海拔±800kV直流输电线路电磁环境测量[J].南方电网技术,2011,5(1):42-45.

[17]李先志,梁 明,李澄宇,等.±1100kV特高压直流输电线路按电磁环境条件的导线设计[J].高电压技术,2012,38(12):3284-3291.

[18]施春华,朱普轩,蒋 剑,等.±800kV特高压直流线路采用5分裂导线的电磁环境特性分析[J].高电压技术,2011,37(3):666-671.

Analysis of ground total electric field of ±1100kV DC transmission line

±1100kV UHV DC power transmission project is a new technology field, whose impact of electromagnetic environment receives great attention. In this paper, the levels of ground total electric field (GTEF) of ±1100kV DC transmission line were calculated by Analytical Calculation Method, and the results were compared with the measurement results of ±800kV and ±500kV DC transmission lines. As the results shown, at the lowest line heights of 26～32m, the max levels of GTEF of ±1100kV lines (pole conductors horizontal arrangement) range from 12.13 to 17.00kV/m, and the max levels of GTEF of ±1100kV lines (pole conductors vertical arrangement) range from 12.76 to 13.59kV/m. By taking measures of increasing the section and split number of conductor, the level of GTEF of ±1100kV line does not increase significantly compared with ±800kV lines and ±500kV lines when the lowest line heights are identical.

±1100kV; UHV; DC transmission line; total electric field; impact of electromagnetic environment

TM15；X123

B

1674-8069(2017)02-001-04

2016-10-20；

2016-11-09

林旗力(1985-),男,硕士研究生,浙江龙泉人,工程师,主要从事电力环保设计与研究工作。E-mail:linqiliadg@163.com