±1 500 kV特高压直流输电线路电磁环境指标计算

柏晓路 ，周成均 ，刘利林，岳 浩 ，张 瑚 ，吕健双

(1. 中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071；2. 中国能建工程研究院高压直流技术研究所，湖北 武汉 430071；3. 南方电网能源发展研究院有限责任公司，广东 广州 510663)

0 引言

为了满足长距离大容量输电需求，国内特高压直流输电线路工程迅猛发展[1-5]。截至2020年底，我国已建成投运15条±800 kV特高压直流线路和1条±1 100 kV特高压直流线路。

随着“一带一路”倡议的实施，中国特高压直流输电技术向国外输出的步伐加快，未来电网将向跨国、跨洲联网方向发展。从超远距离输电、超大容量输电和减小输电走廊等需求考虑，均有发展更高电压等级输电技术的趋势。综合技术实施的可行性，在现有直流电压等级基础上外推，初步选定±1 500 kV为更高的直流输电电压等级[6-7]。

国内外尚没有±1 500 kV特高压直流输电线路的设计经验，进行±1 500 kV直流输电线路电磁环境研究，可以为±1 500 kV特高压直流输电线路建设提供基础性、理论性支撑。本文在确定±1 500 kV特高压直流输电线路电磁环境限值后，按照基本计算条件，围绕电场效应、磁场效应、无线电干扰和可听噪声这四个方面，对±1 500 kV特高压直流输电线路的电磁环境进行研究，得到不同海拔高度情况下导线型式、极间距和最小对地距离的推荐方案。

1 电磁环境限值

目前，国内外没有明确±1 500 kV直流输电线路的电磁环境限值要求，可以借鉴±800 kV和±1 100 kV直流输电线路限值要求，具体标准[8-9]如下：

1)地面合成电场强度(以下简称“合成场强”)、离子流密度限值详见表1。

表1 合成场强和离子流密度限值

2)直流磁场：线下的磁感应强度不应超过10 mT。

3)无线电干扰：海拔在1 000 m及以下时，距正极导线对地投影20 m处、80%时间、80%置信度、0.5 MHz时的无线电干扰值不应超过58 dB(μV/m)。

4)可听噪声：海拔在1 000 m及以下时，距正极导线对地投影20 m处，可听噪声50%值(L50)不应超过45 dB(A)；海拔在1 000 m以上且经过人烟稀少地区时，可听噪声可放松至50 dB(A)以下。

2 基本计算条件

系统和线路基本参数[10]如下：计算电压为±1 500 kV，最高电压为±1 530 kV，额定电流为6～8 kA，导线最低对地高度为33 m，导线平均对地高度为39 m，导线极间距为20～40 m，地线型号为JLB20A-350，地线最低对地高度为69 m，海拔为1 000 m。

目前，±800 kV直流线路导线一般采用6～8分裂，导线截面取630～1 250 mm2；±1 100 kV直流线路导线一般采用8分裂，导线截面取1 250 mm2。根据特高压直流线路设计经验，±1 500 kV直流线路拟选择10～14分裂的导线型式作为参选导线方案，详见表2。

表2 参选导线方案

3 电磁环境指标计算

3.1 电场效应

确定导线表面场强是研究直流线路电场效应的先决条件，常用的导线表面场强计算方法有马克特—门格尔(Market and Mengele)法、模拟电荷法和逐步镜像法等。其中：马克特—门格尔法计算简便，其精度一般可以满足工程计算的要求，但不能准确反映分裂子导线表面电场强度；逐步镜像法和模拟电荷法计算精度高，需要借助计算机完成计算。本次研究采用模拟电荷法计算导线表面场强。

直流输电线路合成电场由静电场和空间电场组成，其计算方法有半经验公式法、解析法、有限元法等，本次研究采用有限元法。

直流线路离子流场的计算方程为：

式中：Φ为合成场电位，V；φ为标称场电位，V；E′为标称场电场强度，V/m；ξ为合成场强与标称场强比例系数；ρ＋、ρ－为正离子和负离子密度，C/m3；Ri为离子复合系数，m3/s；μ＋、μ－为正离子和负离子的迁移率，即单位场强下离子的运动速度，(cm/s)/(V/m)；ε0为介电常数；e为单位电荷。

计算导线表面场强、地面标称场强、晴天合成场强和离子流密度的最大值列于图1～图4。

图1 不同极间距下的导线表面场强最大值

图2 不同极间距下的地面标称场强最大值

图3 不同极间距下的地面合成场强最大值

图4 不同极间距下的地面离子流密度最大值

由图1～图4可知，随着极间距的增加，导线表面场强缓慢减小，地面标称场强一直呈增大趋势；地面合成场强和离子流密度先呈现增大趋势，当极间距增加到一定程度后，地面合成场强基本不变化，而地面离子流密度反而减小。

极间距对地面合成场强值影响有限，当选择合适的导线型式时，地面合成场强不是±1 500 kV直流输电线路极间距选择的控制因素；地面离子流密度值满足限值要求，不控制±1 500 kV直流输电线路设计。

3.2 磁场效应

直流线路磁场是一恒定磁场，磁场强度决定于导线中的电流值[11]。计算导线电流为8 kA，导线对地距离为33 m，极间距为30 m时的磁场分布，如图5所示。

图5 磁感应强度分布图

由图5可知，磁感应强度最大值约为44 m，远低于规程要求，±1 500 kV直流线路磁感应强度指标不受控。

3.3 无线电干扰

直流线路的无线电干扰可以利用经验公式估算，这些公式是根据已运行或试验线路的测量成果归纳得到的，一般采用国际无线电干扰特别委员会(International Special Committee on Radio Interference，CISPR)经验公式。

CISPR推荐的适用于双极直流输电线路无线电干扰值RI的计算公式为：

式中：gmax为导线表面场强最大值，kV/cm；r为导线半径，cm；n为导线分裂数；Dr为正极导线与计算点的距离，m；ΔEw为气象修正项，按1 km增加3.3 dB修正；ΔEf为干扰频率修正项，Δ Ef= 5[1-2lg2(10f )]；f为所需计算的频率，MHz。

式(2)计算的是晴天、50%概率的无线电干扰值。80%时间、80%置信度无线电干扰值则应比该值偏大3 dB(μV/m)。

计算正极导线外20 m处的导线无线电干扰值，计算结果列于图6。由图6可知，随极间距和导线截面的增大，无线电干扰值呈减趋势。不同导线方案的无线电干扰值均低于限值要求，无线电干扰不是±1 500 kV直流输电线路设计的制约因素。

图6 不同极间距下无线电干扰值

3.4 可听噪声

直流线路的可听噪声可以利用经验公式估算，这些公式是根据已运行或试验线路的测量成果归纳得到的，最常用的预估计算公式是美国邦纳维尔电力局(Bonneville Power Administration，BPA)和美国电力科学研究院(Electric Power Research Institute，EPRI)公 式，本次研究采用常用的EPRI经验公式。

EPRI总结的直流线路可听噪声AN计算公式为：

式中：gmax为导线表面最大电场强度，kV/cm；d为子导线直径，cm；n为导线分裂数；RP为正极导线与计算点的距离，m；kn为修正项，当n≥3时，kn=0；当n=2时，kn=2.6 dB；当n=1时，kn=7.5 dB。

计算正极导线外20 m处的导线可听噪声值，计算结果详见图7。

图7 不同极间距下可听噪声值

由图7可知，随着极间距和导线截面的增大，可听噪声值呈减小趋势。极间距为30 m时，采用14、12、10分裂导线方案，导线截面分别不应小于 720 mm2、1 000 mm2和 1 400 mm2；极间距为32 m时，采用14、12、10分裂导线方案，导线截面分别不应小于720 mm2、1 000 mm2和1 250mm2。可见，可听噪声是±1 500 kV直流输电线路设计的控制条件。

4 设计参数选择

4.1 导线截面和极间距选择

根据前述结论，可听噪声是±1 500 kV直流输电线路设计的控制条件。在不同海拔和极间距情况下，计算不同导线的可听噪声值列于表3。

表3 不同极间距和海拔高度情况下可听噪声值 dB(A)

海拔低于2 000 m时，可听噪声按45 dB(A)的限值考虑，海拔在2 000～3 000 m之间时，可听噪声按人烟稀少地区50 dB(A)的限值考虑。为了便于施工和运维，尽量减少分裂根数和导线总截面，不同海拔高度情况下推荐的导线方案和极间距见表4。

表4 不同海拔高度情况下推荐的导线方案和极间距

由 表 4可 知，12×JL/G3A-1000/45和10×JL/G3A-1250/70导线方案的适用性较广，宜作为推荐导线方案。在1 000～2 000 m海拔的情况下，通过增大极间距、提高导线对地高度等方法将可听噪声控制在限值内。

4.2 导线最小对地距离选择

一般来说，导线最小对地距离选择的控制因素是雨天合成场强[12]。海拔在1 000 m及以下时，计算12×JL/G3A-1000/45和10×JL/G3A-1250/70两种导线方案在不同导线对地距离情况下的地面合成场强最大值，其极间距分别取30 m和32 m，计算结果列于图8和图9。

图8 不同对地距离下晴天地面合成场强最大值

图9 不同对地距离下雨天地面合成场强最大值

由图8和图9可知，随着导线最小对地距离的增大，地面合成场强呈减小趋势。根据晴天、雨天地面合成场强计算成果得到相应导线推荐的最小对地距离，结果见表5。

表5 推荐的导线最小对地距离

5 结语

本文研究±1 500 kV特高压直流输电线路电磁环境计算，得到的主要结论如下：

1)随着导线极间距的增加，地面标称电场最大值一直呈增大趋势；地面合成场强和离子流密度最大值先呈现增大趋势，当极间距增加到一定程度后，地面合成场强最大值基本不变化，而地面离子流密度最大值反而减小。磁感应强度由线路中心向两侧逐渐减小，无线电干扰和可听噪声值随导线截面和极间距的增大而减小。

2)地面离子流密度、磁场效应和无线电干扰不是±1 500 kV直流输电线路设计的制约因素。

3)可听噪声是±1 500 kV直流输电线路设计的控制条件。极间距为30 m时，采用14、12、10分裂导线方案，导线截面分别不应小于720 mm2、1 000 mm2和 1 400 mm2；极间距为32 m时，采用14、12、10分裂导线方案，导线截面分别不应小于720 mm2、1 000 mm2和1 250 mm2。

4)在不同海拔高度情况下，12×JL/G3A-1000/ 45和10×JL/G3A-1250/70导线方案的适用性较广，可作为推荐导线方案，极间距分别取30 m和32 m。

5)一般非居民区和居民区的导线最小对地距离分别取33 m 和37 m。