混合交、直流輸電線路下方地面電場(chǎng)分布分析

邰 超，秦松林，肖登明

（上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200030）

隨著中國(guó)電力系統(tǒng)全國(guó)聯(lián)網(wǎng)、西電東送、南北互供工程的實(shí)施，以及國(guó)家特高壓骨干電網(wǎng)的建設(shè)，中國(guó)電網(wǎng)將形成大容量交直流并列運(yùn)行的格局，電力工業(yè)正在面臨有限的輸送資源與新輸送線路走廊高成本的現(xiàn)實(shí).對(duì)于更傳統(tǒng)的交流輸電線來說，在長(zhǎng)距離的情況下，高壓直流輸電線是一種有前途的替代方式，它可以減少長(zhǎng)距離的電壓降，同時(shí)還可能降低生產(chǎn)成本［1－2］.然而，隨著當(dāng)前在線路走廊上的諸多限制，為了增加輸電容量、獲得高壓直流輸電的優(yōu)點(diǎn)以及減輕對(duì)昂貴的新線路的需求，需要一種沿著現(xiàn)存線路走廊的混合高壓直流、交流傳輸線路.這種線路結(jié)構(gòu)在同一走廊或同一桿塔上既有高壓直流線路又有交流線路，它可以降低建設(shè)的總成本，也可以提高傳輸容量.然而，尤其是當(dāng)這2種回路都位于同一個(gè)桿塔上時(shí)，這些新的高壓直流回路與原有的交流線路之間的電場(chǎng)相互作用是一個(gè)值得深思的問題.而目前很少有關(guān)于高壓交流與高壓直流輸電線路之間電場(chǎng)相互影響的研究.

在試驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)，能避免可預(yù)見的其他外力的影響.筆者研究空間電荷對(duì)特高壓輸電線路下合成電場(chǎng)的影響，對(duì)正確認(rèn)識(shí)特高壓輸電線路下的電場(chǎng)性質(zhì)具有重要意義.

1 試驗(yàn)裝置及方法

試驗(yàn)中共有10個(gè)探頭位于線路下方，直流導(dǎo)線位于左側(cè)第5個(gè)探頭上方，且地面電場(chǎng)以其為坐標(biāo)軸中心水平分布，交流導(dǎo)線在直流導(dǎo)線右側(cè)1.2或1.8 m處，導(dǎo)線距離地面高度為90cm.試驗(yàn)中有3種線路結(jié)構(gòu)：?jiǎn)胃鶎?dǎo)線、一根通電導(dǎo)線與一根不通電導(dǎo)線并行及2條線路同走廊運(yùn)行，試驗(yàn)裝置連接示意如圖1所示.

圖1 試驗(yàn)裝置連接示意Figure 1 Connection schematic diagram of experiment devices

試驗(yàn)?zāi)康模禾骄慨?dāng)交流架空線路與直流架空線路相距很近、在同一走廊下甚至位于同一桿塔上的情況下，地面交流電場(chǎng)和直流電場(chǎng)是否會(huì)受到影響及其對(duì)混合線路下方總電場(chǎng)的影響以及混合線路下電場(chǎng)受到交流、直流線路電暈產(chǎn)生的空間電荷的影響，最直觀的方法就是采用各種線路結(jié)構(gòu)時(shí)，從地面電場(chǎng)分布波形的對(duì)比中觀察地面附近交流電場(chǎng)及地面附近直流電場(chǎng)的異常變化；與沒有附加直流線路并行運(yùn)行以及在一條不通電的線路旁邊運(yùn)行時(shí)電暈的影響情況下的地面電場(chǎng)分布波形相比，研究不同線路結(jié)構(gòu)對(duì)地面電場(chǎng)的影響，從各結(jié)果圖中觀察、分析和總結(jié)，得出交流線路下方電場(chǎng)、直流線路下方電場(chǎng)以及混合線路中間區(qū)域電場(chǎng)的形狀、幅值、總體偏移等隨附加線路所加電壓、線路間距等因素變化的情況，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)裝置如圖2所示.

圖2 試驗(yàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)Figure 2 Experiment site

2 混合交、直流線路下方的電場(chǎng)分布

直流導(dǎo)線與地面之間的空間電荷分布及電場(chǎng)示意如圖3所示，E總為空間總電場(chǎng)，方向由導(dǎo)線指向地面.與導(dǎo)線同極性的空間電荷自導(dǎo)線向地面運(yùn)動(dòng)形成離子流［3］，而在導(dǎo)線與地面之間的空間中部，部分正、負(fù)電荷有機(jī)會(huì)中和，并有部分正電荷到達(dá)地面附近，以致在導(dǎo)線與地面之間的空間正電荷聚集在靠近地面處，而少量負(fù)電荷和電子聚集在靠近導(dǎo)線附近處，這樣，由于E內(nèi)與E總方向相反，就會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線與地面之間空間中部的電場(chǎng)強(qiáng)度降低，而靠近地面和導(dǎo)線附近空間的電場(chǎng)強(qiáng)度就會(huì)由于E1，E2與E總同方向而增強(qiáng)，從而產(chǎn)生和加強(qiáng)離子流，造成電力線路更嚴(yán)重的電暈損失.

圖3 線路下方空間電場(chǎng)示意Figure 3 Schematic diagram of electric field under transmission lines

1）混合線路中附加交流導(dǎo)線對(duì)地面直流電場(chǎng)的影響.

如圖4所示，3種線路結(jié)構(gòu)分別是單根通電直流導(dǎo)線、直流通電直流導(dǎo)線與1根不通電導(dǎo)線并行及直流導(dǎo)線與交流導(dǎo)線同時(shí)運(yùn)行，直流導(dǎo)線在零點(diǎn)位置，交流導(dǎo)線在1.2m處.從圖4中可以看出，當(dāng)在直流導(dǎo)線旁附加1條交流線路時(shí)，無論交流線路是否通電，都會(huì)對(duì)原地面直流電場(chǎng)值產(chǎn)生一定影響，并且對(duì)2條線路中間部分電場(chǎng)的影響稍大，對(duì)直流導(dǎo)線左邊的直流電場(chǎng)影響很小；圖4（a）、（b）中通電交流導(dǎo)線所加電壓分別為36.25，43.5kV，交流導(dǎo)線所加電壓的改變對(duì)電場(chǎng)幾乎沒有影響.雖然不運(yùn)行的線路會(huì)由空間電荷感應(yīng)出電荷，但感應(yīng)電荷與直流導(dǎo)線上的電荷及空間電荷相比影響甚微，只能對(duì)稍近處電場(chǎng)產(chǎn)生影響，減小交流導(dǎo)線下方的地面直流場(chǎng)強(qiáng)，并不能對(duì)通電線路下方稍遠(yuǎn)的地面電場(chǎng)造成明顯影響；另外，交流導(dǎo)線的存在使直流線路下方空間電荷流向地面的數(shù)量減少了，不通電的交流導(dǎo)線相當(dāng)于接地線，這對(duì)直流空間電荷產(chǎn)生分流作用，使部分空間電荷不流向地面而流向接地的交流導(dǎo)線，通過圖3可知，這減小了地面直流場(chǎng)強(qiáng)［4－5］；在交流導(dǎo)線通電后，交替正、負(fù)電壓又使更多直流導(dǎo)線下方的空間電荷移向遠(yuǎn)處或近處，交流導(dǎo)線的負(fù)電位進(jìn)一步加劇了對(duì)空間電荷的分流作用，導(dǎo)致地面直流場(chǎng)強(qiáng)的減小.

圖4 3種線路結(jié)構(gòu)下的地面直流電場(chǎng)分布Figure 4 Lateral distributions of DC ground electric field in three different line structures

2）混合線路中附加直流導(dǎo)線對(duì)地面交流電場(chǎng)的影響.

如圖5所示，3種線路結(jié)構(gòu)與圖4所示相同，直流導(dǎo)線在零點(diǎn)位置，交流導(dǎo)線在1.2m處.從圖5中可以看出，在交流線路旁附加1條直流線路，無論直流線路是否通電，原地面交流電場(chǎng)受到的影響都很??；并且當(dāng)直流線路所加電壓由36.48kV變?yōu)?6.12kV時(shí)，地面電場(chǎng)幾乎沒有變化，可見同走廊內(nèi)直流線路所加電壓的改變并不能對(duì)地面交流電場(chǎng)產(chǎn)生明顯的影響［6］.交流線路電暈產(chǎn)生的正、負(fù)空間電荷僅在交流導(dǎo)線周圍往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且不會(huì)影響地面交流電場(chǎng)，直流線路的存在并不能改變它們的活動(dòng)；由于直流導(dǎo)線電暈產(chǎn)生的空間電荷及其在交流導(dǎo)線上感應(yīng)出的電荷產(chǎn)生的是直流電場(chǎng)，不會(huì)對(duì)交流電場(chǎng)產(chǎn)生影響；而直流導(dǎo)線對(duì)交流電場(chǎng)具有屏蔽作用，使電場(chǎng)線發(fā)生畸變，會(huì)略微減小地面交流場(chǎng)強(qiáng).

圖5 3種線路結(jié)構(gòu)下的地面交流電場(chǎng)分布Figure 5 Lateral distributions of AC electric field over ground in three different line structures

3）混合線路中導(dǎo)線間距對(duì)地面直流電場(chǎng)的影響.

如圖6所示，直流導(dǎo)線在零點(diǎn)位置，交流導(dǎo)線分別在1.2m和1.8m處.從圖6（a）中可以得出，當(dāng)交流導(dǎo)線不通電時(shí)，增大間距對(duì)原間距下地面直流電場(chǎng)影響很小，對(duì)直流導(dǎo)線左側(cè)的地面直流電場(chǎng)幾乎無影響，對(duì)線路中間區(qū)域的地面直流電場(chǎng)略有影響，擴(kuò)大線路間距減弱了中間區(qū)域交流導(dǎo)線對(duì)直流空間電荷的分流作用，減少了交流導(dǎo)線右側(cè)的直流空間電荷流向地面的數(shù)量，因此，增大間距相對(duì)來說會(huì)略微增大原間距時(shí)的線路中部地面直流電場(chǎng)而略微減小導(dǎo)線右側(cè)的地面直流電場(chǎng)；由圖6（b）可以得出，增大間距對(duì)地面直流電場(chǎng)的影響情況類似圖6（a），增大了線路中部地面直流電場(chǎng)，減小了交流導(dǎo)線右側(cè)地面直流電場(chǎng)；對(duì)于最左側(cè)直流場(chǎng)強(qiáng)的降低可以歸因于增大間距減少了由交流正電位推向左側(cè)空間的原直流導(dǎo)線下空間電荷的數(shù)量［7－9］.

圖6 混合線路間距變化對(duì)地面直流電場(chǎng)的影響Figure 6 Effects on DC electric field over ground caused by the change of line space in hybrid lines

4）混合線路中導(dǎo)線間距對(duì)地面交流電場(chǎng)的影響.如圖7所示，直流導(dǎo)線分別在零點(diǎn)和－0.6m處，交流導(dǎo)線在1.2m處.從圖7可總結(jié)得到，交、直流線路間距變化對(duì)地面交流電場(chǎng)的影響總體不大，略微增大了交流場(chǎng)強(qiáng)，這主要是由于增大間距減弱了直流導(dǎo)線對(duì)交流電場(chǎng)的屏蔽作用，導(dǎo)致交流場(chǎng)強(qiáng)總體增大了一些.

圖7 混合線路間距變化對(duì)地面交流電場(chǎng)的影響Figure 7 Effects on AC electric field over ground caused by change of line space in hybrid lines

3 結(jié)論

1）運(yùn)行在不通電交流線路旁的直流線路下方，地面直流場(chǎng)強(qiáng)比單根直流線路下方中間區(qū)域地面直流場(chǎng)強(qiáng)降低一些，而運(yùn)行在不通電直流線路旁的交流線路下方，地面交流場(chǎng)強(qiáng)與單根交流線路下方地面交流場(chǎng)強(qiáng)差別很小，因此，在輸電線路旁并行架設(shè)一條不通電的線路能夠?qū)Φ孛骐妶?chǎng)造成部分影響.

2）在正極直流導(dǎo)線左側(cè)，單根直流導(dǎo)線下的地面場(chǎng)強(qiáng)與混合線路中的地面直流場(chǎng)強(qiáng)之間有較小的差別，直流導(dǎo)線右側(cè)的直流電場(chǎng)變化較大，而交流電壓的改變對(duì)地面直流電場(chǎng)幾乎無影響；而不通電和通電的直流導(dǎo)線對(duì)交流電場(chǎng)的影響都很小，略微降低了交流場(chǎng)強(qiáng)，直流電壓的改變對(duì)地面交流電場(chǎng)影響甚微.

3）對(duì)于交、直流輸電線路之間的不同間隔距離，當(dāng)改變混合線路間距后，與不通電導(dǎo)線并行運(yùn)行的線路下方，地面交、直流場(chǎng)強(qiáng)及混合線路下方地面交、直流場(chǎng)強(qiáng)變化不大；由于增大線路間距相當(dāng)于減弱了分流、屏蔽作用，使得間距增大后中間區(qū)域的直、交流場(chǎng)強(qiáng)增大一些.

筆者針對(duì)目前國(guó)內(nèi)混合輸電線路研究資料的缺乏，在實(shí)驗(yàn)室搭建試驗(yàn)平臺(tái)，探究混合輸電線路下地面交流電場(chǎng)與直流電場(chǎng)所受影響的情況，為今后的輸電線路環(huán)境影響的研究積累寶貴經(jīng)驗(yàn).

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