±160kV柔性直流输电线路电磁环境研究

蒿文华， 周艳君

(内蒙古电力(集团)有限责任公司锡林郭勒超高压供电局，内蒙古 锡林浩特026000)

±160kV柔性直流输电线路电磁环境研究

蒿文华， 周艳君

(内蒙古电力(集团)有限责任公司锡林郭勒超高压供电局，内蒙古 锡林浩特026000)

为了改善±160kV柔性直流输电线路的电磁环境，阐述了地面电场及离子电流密度的计算方法，将直流输电线路简化为二维结构，在此基础上对1×JL/LB1A-300/40和1×JL/LB1A-630/45两种钢芯铝绞线的地面合成电场及离子电流密度进行了预估，从而计算出导线离地面的最小高度，为线路的拆迁范围提供了理论依据。研究结果表明，直流线路会使地面场强增加并出现离子电流现象，增加导线对地高度能够降低地面电场强度及离子电流密度，线路的拆迁范围不受电磁环境控制。

柔性直流输电线路；地面合成电场；离子电流密度

目前，中国南方电网在汕头南澳岛近区进行“大型风电场柔性直流输电接入技术研究与开发”示范工程建设，规划建成一个电压等级为±160kV，输送容量为200MW的4端柔性直流输电系统，服务于青澳、牛头岭、云澳和塔屿风电场。配套线路包括风电场升压站至新建换流站的110kV交流线路、青澳换流站至金牛换流站±160kV直流线路、金牛换流站至塑城换流站±160kV直流线路以及塑城换流站至塑城变电站的110kV交流线路。新建输电线路均按单回路设计。根据系统输送容量，青澳换流站至金牛换流站±160kV直流线路采用1×JL/LB1A-300/40钢芯铝绞线，金牛换流站至塑城换流站±160kV直流线路采用1×JL/LB1A-630/45钢芯铝绞线。在实际的工程实施中，需要保证直流输电线路的电磁环境[1-4]，降低可听噪声指标。本文将直流输电线路进行二维简化，对其电磁环境的相关参量进行理论计算，并对上述两种钢芯铝绞线的地面合成电场及离子电流进行预估，结合相应的可听噪声指标，为直流输电线的设计高度提供合理建议。

1 地面电场及离子电流密度

直流线路电晕[5，6]放电所产生的电荷在空间形成电离区和极间区。电离区内电场强度很高，电子碰撞电离以电子崩的形式产生很多带电粒子，与导线极性相反的带电粒子向导线方向运动，最后进入导线或在导线表面被中和。极性相同的粒子背离导线运动，这样极间区充满了与导线同极性的离子。由于空间电荷本身产生电场，大大加强了由导线电荷产生的静电场(又称标称电场)，同时形成离子电流。地面场强的增加和离子电流的出现是直流输电线路电磁环境问题区别于交流线路的重要特征之一。直流输电线路下方的标称电场和合成电场如图1所示。

图1 干导线双极运行时地面标称电场与合成电场(H=5m)

目前，由于直流输电线路线下离子电流场的仿真研究忽略电晕放电的瞬态过程，只考虑电晕放电产生电荷及电荷在空间中的分布问题，因此可用数值计算方法对直流输电线路离子电流场进行理论求解，从而得到电晕损失、地面合成电场强度和离子电流密度。

经过试验证明，电力线路产生的电场和离子电流强度对外部环境电场的影响比较小，直流线路产生的电场和离子电流一般通过理论计算和实验室验证，很难通过实际应用中的监测数据对比验证计算结果。本文对计算方案进行介绍，并在工程实际应用中开展监测和对比，监测数据仅作为验证结论的正确性，不作为验证计算的准确性依据。

2 计算方法

2.1 计算方程

将直流输电线路简化为二维结构，描述直流离子电流场特性主要方程如下：

泊松方程为

div gradΦ=(ρ--ρ+)/ε0

(1)

正/负电流密度方程为

(2)

电流连续性方程为

(3)

总电流密度方程为

j=j++j-

(4)

式中：Φ为电势，V；ρ+、ρ-为正、负空间电荷密度，C/m2；j+、j-、j为正、负、总离子电流密度，A/m2；k+、k-为正、负离子迁移率，m2/Vs；W为风速，m/s；ε0为空气介电常数，其值为8.854×10-12F/m；e为电子电量，1.602×10-19C；R为离子复合系数。

空间电位Φ(或电场E)、电荷密度ρ+、ρ-是空间坐标的函数，应使用以上公式(1)—(4)对两者进行求解。根据方程的非线性特征，实际求解相当困难，要引入各种假设对方程进行简化。

2.2 假设条件

1)空间电荷存在于直流线路下的整个空间内，导线表面电晕放电形成的电离层与空间尺寸相比小很多，忽略此电离层的厚度。

2)正、负离子迁移率k+、k-与电场强度无关，是常数。

3)忽略空间电荷的扩散效应。

4)起晕后导线表面电场强度维持在起晕场强(KAptzov假设)。

2.3 边界条件处理

地面和接地线电势Φ=0，输电线表面电势为直流输电系统标称电压。此外，确定电晕场分布还需要电场或电荷的边界条件，本算法使用KAptzov假设作为边界条件，即导线表面起晕后场强维持起晕场强。

正极附近

(5)

负极附近

(6)

2.4 计算流程

双极场中独立未知量有3个，这里选取Φ、ρ+、ρ-，将计算方程化简合并，得到：

(7)

其中

(8)

计算电场的基本过程是通过边界条件由泊松方程和式(7)、(8)计算未知量电位、正负电荷密度。可以先固定电荷密度分布，求出一定电荷密度分布下的空间电场，再固定空间电场，计算电荷密度分布，如此往复直到电场和电荷密度分布稳定，具体的流程如图2所示。

图2 电场和电荷密度计算流程图

经过图2的计算步骤，可以得到空间各网格点处的电场和电荷密度。地面合成电场和离子电流密度由计算结果的地面部分直接得到。

3 塔型的选择

由于塔型不同，不同极性导线之间的距离也不相同，极间距离越小，不同极性导线之间的距离越近，因此导线的表面电场强度就会越高，电晕也就越严重，对线路下方的合成电场及离子电流密度起到一定的增强作用。另一方面，极间距离越小，正负离子电流之间的抵消作用就越明显，因而对合成电场及离子电流密度起到一个削弱作用。这两个因素哪一个占据主导地位，使用的两种导线型号应对比极简距离最大和最小塔型情况下的标称电场、合成电场和地面离子电流密度。

对于1×JL/LB1A-300/40导线，对应采用16Z31塔型(极间距离最小)和16Z32塔型(极间距离最大)，导线最小对地高度为6m，计算得到不同塔型线下的标称电场、合成电场及离子电流密度如表1所示。根据计算结果，对于1×JL/LB1A-300/40而言，采用极间距离更小的1型塔，线路下方的合成电场及离子电流密度更大。在干导线情况下，由于不同塔型的导线表面场强与起晕场强之差差别较大，地面合成电场及离子电流密度较大。在湿导线情况下，由于两个塔型都已经严重起晕，因此差别较小。

表1 采用1×JL/LB1A-300/40时不同塔型的电磁环境对比

对于1×JL/LB1A -630/45导线，对应采用16Z62塔型(极间距离最小)和16Z63塔型(极间距离最大)，导线最小对地高度同样为6m，计算得到不同塔型线下的标称电场、合成电场及离子电流密度如表2所示。根据计算结果，对于1×JL/LB1A-630/45而言，采用极间距离最小的2型塔，线路下方的合成电场及离子电流密度最大。

表2 采用1×JL/LB1A-630/45时不同塔型的电磁环境对比

4 地面合成电场及离子电流的预估结果

4.1 1×JL/LB1A-300/40地面合成电场及离子电流预估

双极运行时，输电线路下方的地面最大合成电场和离子电流密度最大值计算结果如图3—图6所示。根据计算结果，由于在干导线情况下，导线最小对地高度由5m增加至7.5m，地面最大合成电场强度幅值由17.32kV/m下降至10.09kV/m，地面离子电流密度幅值由68.05nA/m2下降至17.57nA/m2；在湿导线情况下，导线最小对地高度由5m增加至7.5m，地面最大合成电场强度幅值由29.6kV/m下降至13.9kV/m，地面离子电流密度幅值由248.7nA/m2下降至30.3nA/m2，因此增加导线对地高度是降低地面电场强度及离子电流密度的有效途径。

图3 导线最小对地高度对合成电场的影响(干导线)

图4 导线最小对地高度对离子电流密度的影响(干导线)

图5 导线最小对地高度对合成电场的影响(湿导线)

图6 导线最小对地高度对离子电流密度的影响(湿导线)

根据上述计算结果，±160kV直流输电线路受电磁环境控制的导线最小对地高度实际上是由湿导线情况下地面离子电流密度确定。根据计算结果，导线最小对地高度需6m。为此，计算了导线最小对地高度为6m时的电磁环境，如表3所示。

表3 导线对地高度为6m时的电磁环境

由表3可知，输电线路产生的可听噪声小于31dB，远小于民房附近可听噪声40dB的限值要求。因此，线路由电磁环境控制的拆迁范围实际上由地面合成电场控制。以湿导线情况下地面合成电场强度不超过15kV/m为限，计算得到线路在不同对地高度下的拆迁范围，如表4所示。当导线最小对地高度达到7.5m时，由于地面最大地面合成电场强度已经小于15kV/m，因此线路的拆迁范围不受电磁环境控制。

表4 由地面合成电场控制的线路拆迁范围(左边为负极性)

4.2 1×JL/LB1A-630/45地面合成电场及离子电流预估

根据表2的计算结果，采用1×JL/LB1A-630/45地面合成电场，干导线情况下，导线表面最大电场强度小于起晕电场强度，线路并无电晕发生，地面离子电流密度为零。

双极运行情况下输电线路下方在雨天时的地面合成电场和离子电流密度如图7、图8所示。根据计算结果，导线最小对地高度由3.5m增加至9m，地面最大合成电场强度由18.3kV/m下降至5.6kV/m，地面离子电流密度的下降幅度较地面合成电场更加迅速，由466.7nA/m2下降至14.6nA/m2。受到地面离子电流密度控制，导线最小对地高度需为5m。

图7 导线最小对地高度对合成电场的影响(湿导线)

结合上述的分析，导线的对地高度由湿导线情况下的地面离子电流密度控制。当导线最小对地高度为5m时，线路下方的电磁环境如表5所示。但是，实际的最小对地高度还需综合导线对地要求的电气距离确定。

图8 导线最小对地高度对离子电流密度的影响(湿导线)

表5 导线对地高度为5m时的电磁环境

由表5可知，输电线路产生的可听噪声小于29dB，远小于民房附近可听噪声40dB的限值要求。此外，在考虑了导线决定导线对地距离的其他因素后，导线的最小对地距离肯定大于4.5m。即使导线最小对地高度只有4.5m，线路下方湿导线情况下地面合成电场强度最大值也为13.85kV/m，小于15kV/m，说明线路的拆迁范围不受电磁环境控制。

5 结 语

本文对直流输电线路电磁环境相关指标的计算方法进行了二维简化，根据假设条件进行边界条件处理，降低了实际计算难度。根据简化的计算方法， 分别对两种钢芯铝绞线的地面电场强度和离子电流密度进行了预估，得到了干/湿导线离地面的最小高度，有利于工程实施中确定线路的拆迁范围。

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(编辑 侯世春)

Research on the electromagnetic environment of ±160kV flexible HVDC transmission line

HAO Wenhua, ZHOU Yanjun

(Xilingol EHV Power Supply Bureau, Inner Mongolia Power (Group) Co.,Ltd, Xilin Hot 026000, China)

In order to improve the electromagnetic environment of ±160kV flexible HVDC transmission line, the calculation method of ground electric field and ion current density is elaborated respectively. The DC transmission line is simplified to the 2D structure and ground total electric field and ion current density of two kinds of aluminum cable steel reinforced named 1×JL/LB1A-300/40 and 1×JL/LB1A-630/45 are forecasted. Therefore the minimum height from conductor to ground is calculated, which provides theoretical basis for the line disconnection scope.

flexible HVDC transmission lines; ground total electric field; ion current density

2016-11-26。

蒿文华(1991—)，女，助理工程师，主要研究方向为电力系统自动化。

TM752

A

2095-6843(2017)02-0154-05