直流架空輸電線路合成電場屏蔽措施分析

周象賢，劉巖

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

輸配電技術(shù)

直流架空輸電線路合成電場屏蔽措施分析

周象賢，劉巖

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014）

直流輸電線路電暈放電所產(chǎn)生的空間離子會使得地面附近的電場大幅增加，產(chǎn)生合成電場問題。為了降低線路下方某些敏感區(qū)域的合成電場，需要采取一些屏蔽措施。采用通量線法對屏蔽線和屏蔽網(wǎng)2種合成電場屏蔽措施進行定量計算分析，結(jié)果顯示屏蔽網(wǎng)的屏蔽效果更好，屏蔽線更適合用于大區(qū)域的合成電場屏蔽。指出了這2種屏蔽措施在實際應(yīng)用中需要注意的問題。

直流輸電線路；合成電場；屏蔽線；屏蔽網(wǎng)；措施

0 引言

近年來，隨著我國西電東輸工程的建設(shè)，已經(jīng)有越來越多的直流架空輸電線路投入了運營。直流線路的電暈放電與交流線路差別較大，因為交流線路電壓周期性正負交替，電暈放電所產(chǎn)生的離子會在交流線路附近往復(fù)運動，但不會運動到離線路較遠的區(qū)域。而直流線路的電壓極性是恒定的，線路電暈所產(chǎn)生的離子始終會朝著一定的方向運動，當一部分離子運動到地面附近時，會使得地面電場增大2~3倍，這就是所謂合成電場問題。

當離子運動到地面附近時，會對懸浮或接地不良導體充電，使得導體電位提高，當有人員接觸時會形成暫態(tài)電擊感[1]。此外，空間離子還可能會對線路下方的儲油設(shè)施等敏感目標構(gòu)成一定的威脅[2]。根據(jù)我國相關(guān)標準規(guī)定，直流線路設(shè)計時已經(jīng)能夠保證線路下方最大地面合成電場不超過30kV/m，直流線路走廊邊緣處合成電場不超過15kV/m，離子流密度不超過100 μA/m2[3]。因此，對于已建直流線路附近出現(xiàn)較為敏感的目標時，研究如何對目標附近局部區(qū)域的合成電場進行抑制具有重要意義。

目前，見諸報道的合成電場抑制措施包括屏蔽線和屏蔽網(wǎng)2種。屏蔽線主要用于抑制較大范圍區(qū)域的合成電場[4]，它可以架設(shè)在既有的線路桿塔上，所需費用不高，效果顯著。屏蔽網(wǎng)可以用于抑制小范圍內(nèi)的合成電場，其效果較屏蔽線更為顯著[5]，但造價也更昂貴。

本文利用現(xiàn)有計算方法對屏蔽線和屏蔽網(wǎng)的合成電場抑制作用進行了分析，指出了這2種方法在實際應(yīng)用中所需要注意的問題。

1 計算方法

合成電場問題的簡化數(shù)學模型可以寫為[6]：

式中：φ為電位；ρ為空間電荷密度；E為電場強度；ε0為真空介電常數(shù)。

本文采用的計算方法為通量線法，該方法已經(jīng)比較成熟，僅作簡要介紹。該方法進行合成電場計算時，首先需要計算空間的電場線分布；其次，假設(shè)合成電場與標稱電場（無空間電荷電場）之間的關(guān)系為∶

式中：A為合成電場與標稱電場間的倍數(shù)關(guān)系；Enom為標稱電場。由式（1）—（3）可知，只要求出A就可得到空間合成電場，而該系數(shù)的求解可以沿每一條電場線進行，其求解公式為：

式中：Ae和ρe分別表示A和ρ在導線表面的取值；φ1為計算點的電位；U為導線電位。

2 屏蔽線對合成電場的屏蔽效應(yīng)

2.1 線路下方無屏蔽線時

利用上節(jié)所描述的計算方法，對某典型±800 kV直流輸電線路線下懸掛屏蔽線時的合成電場分布情況進行了計算和分析。該線路最低點高度為18 m（下文所有線路高度均指最低點高度）、導線半徑16.8 mm、分裂距離0.45 m、分裂數(shù)為6、極間距離20 m。計算中正負離子遷移率均取1.5× 10-4m2/V·s，線路起暈場強取18 kV/cm。

圖1（a）所示為直流線路下方?jīng)]有屏蔽線時的線路結(jié)構(gòu)，圖1（b）所示為該結(jié)構(gòu)的合成電場計算結(jié)果。圖1（a）中O點為合成電場計算中的橫坐標0 m位置，下文中的合成電場計算結(jié)果橫坐標0 m位置與此相同。由圖1（b）可見，此時的合成電場峰值處于線路外側(cè)約2 m處（即離橫坐標原點12 m處），合成電場峰值約為25kV/m，而在線路外側(cè)16 m處合成電場已經(jīng)降到了15kV/m以下，正負極導線下方合成電場分布差異不大。

全域旅游時代背景下，“+旅游”模式能夠充分發(fā)揮旅游產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)能力，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供發(fā)展更好的平臺，形成經(jīng)濟發(fā)展的新局面。修水縣應(yīng)圍繞打造“國家全域旅游示范區(qū)”的總體目標，大力推動“+旅游”發(fā)展戰(zhàn)略方向，依據(jù)其優(yōu)越的自然環(huán)境和社會歷史人文背景，改善當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，探尋鄉(xiāng)村旅居、水域風光、休閑度假、宗教傳承、文化影響等多元化的旅游發(fā)展方向，創(chuàng)建“+旅游”模式，形成全域旅游新局。

圖1 線路下方無屏蔽線時的合成電場計算結(jié)果

2.2 線路下方有2條屏蔽線時

在圖1（a）所示的線路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在正負極導線正下方位置各增設(shè)1條半徑為8 mm的屏蔽用架空地線，該架空地線高度設(shè)為5 m，在其他計算參數(shù)均保持不變的情況下，其合成電場計算結(jié)果如圖2所示。圖2（a）所示為直流線路下方有2條屏蔽線時的線路結(jié)構(gòu)，圖2（b）所示為該結(jié)構(gòu)的合成電場計算結(jié)果。由圖2（b）可見，此時的合成電場峰值處于線路外側(cè)約5.2 m處，合成電場峰值約為21.8kV/m，在線路外側(cè)17 m處合成電場已經(jīng)降到了15kV/m以下。與2.1節(jié)計算結(jié)果相比較可見：在正負極導線下方各增設(shè)1條屏蔽線時，地面合成電場峰值下降了12.8%，峰值所處位置向?qū)Ь€外側(cè)移了4 m，但按照15kV/m控制的走廊寬度變化不大。

2.3 線路下方有4條屏蔽線時

為了比較屏蔽線根數(shù)增加時地面合成電場的變化情況，在2.2節(jié)的基礎(chǔ)上于正負極導線外側(cè)2 m處分別增加1條屏蔽線，屏蔽線高度仍為5 m。此時線路結(jié)構(gòu)和合成電場計算結(jié)果如圖3所示。由圖3（b）可見，合成電場峰值為19.8kV/m，峰值位置處于線路外側(cè)7 m處，在線路外側(cè)17 m處合成電場已經(jīng)降到了15kV/m以下。與2.2節(jié)中只有2條屏蔽線時的計算結(jié)果相比，合成電場峰值進一步下降了約9.2%，但是峰值位置和走廊寬度基本不變。

圖3 線路下方有4條屏蔽線時的合成電場計算結(jié)果

2.4 屏蔽線屏蔽效果的影響因素

從2.2節(jié)和2.3節(jié)的計算結(jié)果可見，屏蔽線對于地面合成電場有明顯的屏蔽效果。為了給屏蔽線的實際應(yīng)用提供指導，就屏蔽線粗細、懸掛高度對屏蔽效果的影響進行分析。

表1 屏蔽線粗細對屏蔽效果的影響

表2所示為屏蔽線高度對合成電場屏蔽效果影響的計算結(jié)果，計算所采用的線路結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，屏蔽線半徑固定在8 mm，屏蔽線高度從3 m增大到8 m。從表2可見：地面合成電場峰值隨屏蔽線高度的增加而先減小后增大，屏蔽線高度從3 m增加到6 m時，合成電場峰值下降了11.8%；屏蔽線高度從6 m增加到7 m時，地面合成電場峰值增大了5.4%；再繼續(xù)增加屏蔽線高度，合成電場峰值變化不大。可見，屏蔽線高度對于屏蔽效果的影響較為顯著，并且存在1個最佳懸掛高度，對于本節(jié)所采用的線路結(jié)構(gòu)而言，最佳懸掛高度約為6 m。

表2 屏蔽線高度對屏蔽效果的影響

從本節(jié)的計算和分析可知，改變屏蔽線半徑對于屏蔽效果影響不大，但是調(diào)整屏蔽線高度對于屏蔽效果則具有顯著影響，這是在實際應(yīng)用中需要引起注意的問題。

3 屏蔽網(wǎng)對合成電場的抑制效應(yīng)

3.1 屏蔽網(wǎng)的架設(shè)方法

將接地的屏蔽網(wǎng)架設(shè)在敏感目標的上方可以有效降低屏蔽網(wǎng)下方區(qū)域的合成電場。圖4所示即為典型的屏蔽網(wǎng)架設(shè)方法，這種架設(shè)方法可以保護屏蔽網(wǎng)下方區(qū)域內(nèi)的敏感目標。

圖4 合成電場屏蔽用屏蔽網(wǎng)的典型架設(shè)方式

3.2 屏蔽網(wǎng)線徑對屏蔽效果的影響

本節(jié)的計算仍然采用了本文第2部分所述的典型±800 kV直流線路類似的結(jié)構(gòu)，區(qū)別為極間距離為22 m，其它計算參數(shù)保持一致，計算基本原理如第2部分所述，區(qū)別在于屏蔽網(wǎng)屏蔽性能的計算是三維的[5]，因而計算量與計算復(fù)雜度均要大一些。

為了分析屏蔽網(wǎng)線徑（本文均指半徑）對屏蔽效果的影響，計算中將1個2 m×2 m的屏蔽網(wǎng)放在了導線外側(cè)4 m處，屏蔽網(wǎng)平行于地面，高度固定在3 m，屏蔽網(wǎng)網(wǎng)孔邊長為0.66 m（正方形）。表3所列為不同線徑的屏蔽網(wǎng)正下方平均合成電場強度，由表3可見：屏蔽網(wǎng)線徑越大其屏蔽效果越好，但是當屏蔽網(wǎng)線徑從0.5 mm增大到1.5 mm時，其下方合成電場只降低了3.9%，這說明通過增大屏蔽網(wǎng)線徑來改進屏蔽效果的做法是不經(jīng)濟的。

表3 屏蔽網(wǎng)線徑對屏蔽效果的影響

3.3 屏蔽網(wǎng)網(wǎng)孔大小對屏蔽效果的影響

將3.2節(jié)中屏蔽網(wǎng)線徑固定在1 mm，改變屏蔽網(wǎng)網(wǎng)孔的大小，其對屏蔽效果的影響如表4所示。比較沒有屏蔽網(wǎng)和有網(wǎng)孔為0.66 m的屏蔽網(wǎng)時的屏蔽效果，合成電場下降了22%，這說明網(wǎng)孔很稀疏的屏蔽網(wǎng)也能起到良好的屏蔽作用。當繼續(xù)減小網(wǎng)孔大小時，合成電場持續(xù)下降，說明網(wǎng)孔較密的屏蔽網(wǎng)具有更好的屏蔽效果。

表4 屏蔽網(wǎng)網(wǎng)孔大小對屏蔽效果的影響

4 結(jié)論

本文對屏蔽線和屏蔽網(wǎng)2種合成電場屏蔽措施的效果進行了定量計算，通過計算和分析認為應(yīng)用這2類屏蔽方法時需要注意以下問題：

（1）屏蔽線適合于大區(qū)域的合成電場屏蔽，屏蔽網(wǎng)適合于小區(qū)域的合成電場屏蔽，并且屏蔽網(wǎng)的屏蔽效果更好。

（2）屏蔽線和屏蔽網(wǎng)的線徑大小對于屏蔽效果有一定影響，但影響不大，實際應(yīng)用中可以以機械性能為標準來挑選合適的屏蔽線與屏蔽網(wǎng)。

（3）為了取得最好的屏蔽效果，屏蔽線的懸掛高度可參考其最佳高度。

（4）網(wǎng)孔較大的屏蔽網(wǎng)已具有顯著的屏蔽效果，但屏蔽網(wǎng)的網(wǎng)孔越小屏蔽效果越好。

[1]甄永贊，崔翔，盧鐵兵，等.離子流場中導體充電電位的計算[J].中國電機工程學報，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特高壓直流線路電磁環(huán)境參數(shù)限值[S].北京：中國電力出版社，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.

（本文編輯：趙曉明）

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

周象賢（1987），男，工程師，研究方向為輸電線路防雷、載流量計算與電暈。