±1100kV直流輸電線路地面合成電場分析

林旗力 ，聶申辰，董曉紅，丁偉東，聶 峰

(1．中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200001；2．河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；3．國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 102209)

±1100kV直流輸電線路地面合成電場分析

林旗力 ，聶申辰2，董曉紅3，丁偉東1，聶 峰1

(1．中國電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200001；2．河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；3．國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 102209)

±1100kV特高壓直流輸電工程是全新的技術(shù)領(lǐng)域，其電磁環(huán)境影響問題備受公眾關(guān)注。采用解析計(jì)算法對±1100kV直流輸電線路產(chǎn)生的地面合成電場強(qiáng)度進(jìn)行了理論計(jì)算，并將結(jié)果與已建±800kV和±500kV直流輸電線路的實(shí)測值進(jìn)行比較。結(jié)果表明，當(dāng)±1100kV線路最低線高為26～32m時，極導(dǎo)線水平排列線路產(chǎn)生的地面合成電場強(qiáng)度最大值為12.13～17.00kV/m，極導(dǎo)線垂直排列線路產(chǎn)生的地面合成電場強(qiáng)度最大值為12.76～13.59kV/m。在最低線高相同的情況下，通過采取增大導(dǎo)線截面、增加導(dǎo)線分裂數(shù)等措施后，±1100kV線路產(chǎn)生的合成電場水平與±800kV線路、±500kV線路相比并沒有明顯增大。

±1100kV；特高壓；直流輸電線路；合成電場；電磁環(huán)境影響

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，我國的電力需求不斷攀升，電力生產(chǎn)與消費(fèi)水平在空間上呈逆向分布的問題也日益凸顯[1]。為此，在長距離、大容量輸電方面優(yōu)勢明顯的特高壓直流輸電技術(shù)得以迅速發(fā)展。近年來，我國相繼建成了±800kV云南-廣東、±800kV向家壩-上海、±800kV溪洛渡-浙江、±800kV錦屏-蘇南等直流輸電工程。

2014年起，我國啟動準(zhǔn)東-華東(皖南)±1100kV特高壓直流輸電工程可行性研究工作，擬將特高壓直流輸電的電壓等級推到一個新的高度。但是±1100kV直流輸電工程作為一個全新的技術(shù)領(lǐng)域，國內(nèi)外尚無成熟的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和研究成果，其環(huán)境影響勢必引起公眾的廣泛關(guān)注[2]。相比可聽噪聲，直流輸電線路的電磁環(huán)境影響由于無法被直觀感受以及存在暫態(tài)電擊等問題，更容易引起公眾的恐慌，使其成為輸變電工程環(huán)保投訴的集中點(diǎn)和環(huán)境保護(hù)行政主管部門在審批項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書時的關(guān)注重點(diǎn)[3-5]。因此，亟需對±1100kV直流輸電線路的電磁環(huán)境影響開展深入研究。

為此，本文采用理論分析的方法，對±1100kV直流輸電線路地面合成電場開展研究，以期為工程的設(shè)計(jì)、環(huán)評等工作提供參考。

1 ±1100kV直流輸電線路合成電場強(qiáng)度理論計(jì)算方法及參數(shù)

1.1 理論計(jì)算方法

由于直流輸電線路下方整個空間存在著由導(dǎo)體電暈引起的大量空間電荷，使其合成電場強(qiáng)度的計(jì)算變得非常復(fù)雜，目前主要的計(jì)算方法包括解析計(jì)算法[6]、半經(jīng)驗(yàn)公式法[7]以及有限元法[8]等。本文采用《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 輸變電工程》附錄E推薦的解析計(jì)算法[9]。

1.1.1 基本假設(shè)

(1)采用Deutsch假設(shè)，認(rèn)為空間電荷不影響場的方向，僅影響場的大小，如式(1)所示：

式中：Es為空間電荷存在時合成電場強(qiáng)度，kV/m；A為標(biāo)量函數(shù)；E標(biāo)稱電場強(qiáng)度，kV/m。

(2)導(dǎo)線的表面附近發(fā)生電離后，其表面電位保持在起暈電壓值V0，當(dāng)導(dǎo)線對地電位為V時，導(dǎo)線表面的標(biāo)量函數(shù)Ae如式(2)所示：

1.1.2 計(jì)算過程

首先，采用逐步鏡像法，沿?zé)o空間電荷場強(qiáng)的電力線計(jì)算無空間電荷下的場強(qiáng)E；接著，通過式(3)計(jì)算得到標(biāo)量函數(shù)A；最后，根據(jù)式(1)計(jì)算得到合成電場強(qiáng)度Es。

式中：ε0表示真空介電常數(shù)，pF/m；φ表示無空間電荷時空間某點(diǎn)的電位，kV；ρe表示導(dǎo)線表面電荷密度，nC/m3，由弦截法求得，其初值ρm為導(dǎo)線表面平均電荷密度，可通過式(4)計(jì)算得到：

式中：η表示積分變量。

1.2 計(jì)算參數(shù)

在準(zhǔn)東-華東(皖南)±1100kV特高壓直流輸電工程可行性研究過程中，相關(guān)單位從減小電磁環(huán)境影響的角度，對±1100kV線路的導(dǎo)線、桿塔等開展了大量研究[10-12]。參考該工程可行性研究資料和環(huán)境影響報(bào)告書，常規(guī)地區(qū)選用的是極導(dǎo)線水平排列的桿塔。針對走廊緊張地區(qū)，可研單位還設(shè)計(jì)了極導(dǎo)線垂直排列的桿塔。參考典型設(shè)計(jì)塔型，兩類桿塔的極間距分別取26m和21m，詳見圖1。

為考慮不同線高對線路合成電場水平的影響，本文選取了四種最低線高，即26m、28m、30m、32m。參考《直流換流站與線路合成電場強(qiáng)度、離子流密度測試方法》[13]，本文選取的理論計(jì)算高度為0m(即地面處)。具體參數(shù)見表1。

圖1 計(jì)算桿塔塔型示意

項(xiàng)目參數(shù)額定電壓/kV±1100額定電流/A5455輸送容量/MW12000導(dǎo)線型號JL/G3A-1250/70導(dǎo)線材質(zhì)鋼芯鋁絞線子導(dǎo)線外徑/mm47.35導(dǎo)線分裂數(shù)8導(dǎo)線分裂間距/mm550子導(dǎo)線排列方式正八邊形最低線高/m26/28/30/32計(jì)算點(diǎn)高度/m0桿塔型式雙極單回路

2 ±1100kV直流輸電線路地面合成電場強(qiáng)度計(jì)算分析

2.1 直流輸電線路地面合成電場強(qiáng)度

2.1.1 極導(dǎo)線水平排列塔型

根據(jù)理論計(jì)算，圖2為不同最低線高±1100kV線路(極導(dǎo)線水平排列)地面合成電場強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。線路產(chǎn)生的地面合成電場強(qiáng)度關(guān)于零值點(diǎn)中心對稱，并且零值點(diǎn)位于線路中心線上。各線路的地面合成電場強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在極導(dǎo)線外側(cè)，后隨著距極導(dǎo)線距離的增加而逐步減小。

2.1.2 極導(dǎo)線垂直排列塔型

根據(jù)理論計(jì)算，圖3給出了不同最低線高的±1100kV線路(極導(dǎo)線垂直排列)地面合成電場強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。從圖可看出，線路產(chǎn)生的地面合成電場強(qiáng)度關(guān)于線路(極導(dǎo)線)中心線軸對稱。當(dāng)最低線高為26～32m時，線路地面合成電場強(qiáng)度最大值為12.76～13.59kV/m。

圖2 ±1100kV直流輸電線路(極導(dǎo)線水平排列)地面合成電場強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

圖3 ±1100kV直流輸電線路(極導(dǎo)線水平排列)地面合成電場強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

2.2 與其他電壓等級直流輸電線路地面合成電場強(qiáng)度實(shí)測值的比較分析

2.2.1 與其他電壓等級直流輸電線路地面合成電場強(qiáng)度實(shí)測值的比較

本文選取±800kV云南-廣東直流輸電線路和±800kV向家壩-上海特高壓直流輸電線路的地面合成電場強(qiáng)度實(shí)測值與±1100kV線路(極導(dǎo)線水平排列)理論計(jì)算值進(jìn)行比較分析。兩條±800kV線路的實(shí)測地點(diǎn)分別位于云南省曲靖市和江蘇省蘇州市境內(nèi)，測試期間線路雙極全壓運(yùn)行[14]，相關(guān)參數(shù)見表2。極導(dǎo)線水平排列條件下±1100kV線路理論計(jì)算值和±800kV線路的實(shí)測值見圖4。

由于缺乏極導(dǎo)線垂直排列的±800kV線路的合成電場強(qiáng)度實(shí)測資料，本文選取±500kV三峽-上海直流輸電線路“F”型桿塔段的地面合成電場強(qiáng)度實(shí)測值與±1100kV線路(極導(dǎo)線垂直排列)理論計(jì)算值進(jìn)行比較分析[15]。該±500kV線路的實(shí)測地點(diǎn)位于上海市境內(nèi)，測試期間線路全壓運(yùn)行，相關(guān)參數(shù)見表2。極導(dǎo)線垂直排列條件下±1100kV線路理論計(jì)算值和±500kV線路的實(shí)測值見圖5。圖中±800kV云廣線路實(shí)測值1和實(shí)測值2分別于8月份和10月份測得。

表2 ±800kV直流輸電線路和±500kV直流輸電 線路相關(guān)參數(shù)

圖4 ±1100kV直流輸電線路理論計(jì)算值與±800kV直流輸電線路實(shí)測值的比較

圖5 ±1100kV直流輸電線路理論計(jì)算值與±500kV直流輸電線路實(shí)測值的比較

2.2.2 結(jié)果分析

從圖4可看出，對于±800kV云廣線路合成電場強(qiáng)度，8月份實(shí)測值略低于10月份實(shí)測值，可能是測試期間風(fēng)速、濕度等環(huán)境因素不同導(dǎo)致的[16]。各線路地面合成電場強(qiáng)度的變化趨勢基本是一致的，但是±800kV線路實(shí)測值的零值點(diǎn)不在線路中心線上，而是偏向負(fù)極導(dǎo)線，并且負(fù)極合成電場強(qiáng)度略大于正極合成電場強(qiáng)度，這主要是由于在電場的作用下，實(shí)際環(huán)境中負(fù)離子的遷移率大于正離子。

從圖5可知，±500kV線路地面合成電場強(qiáng)度實(shí)測值隨距離的衰減快于±1100kV線路理論計(jì)算值?！?00kV線路實(shí)測值的對稱軸不在線路中心，這是由于±500kV線路采用的是“F”型桿塔，正、負(fù)極導(dǎo)線不是完全垂直于地面，使得地面合成電場強(qiáng)度實(shí)測值的對稱軸偏向負(fù)極導(dǎo)線。

從表1和表2可知，各線路的導(dǎo)線材質(zhì)是相同的。由于±1100kV線路電壓等級高、輸送容量大，其采用的子導(dǎo)線截面較大，導(dǎo)線分裂數(shù)也較多，這有利于降低線路的合成電場水平。±1100kV線路選取的導(dǎo)線分裂間距大于±800kV線路和±500kV線路，這是由于導(dǎo)線分裂間距的選取不但受到導(dǎo)線截面大小的限制，還需兼顧次檔距振蕩和電磁環(huán)境影響的問題。如果子導(dǎo)線間相互距離太近，則易引起次檔距振蕩問題；但是如果導(dǎo)線分裂間距增大，游離于正、負(fù)極之間的離子則會減少，轉(zhuǎn)而流向地面，使得地面合成電場強(qiáng)度增大[17-18]。圖4和圖5表明，±1100kV線路的地面合成電場強(qiáng)度理論計(jì)算值水平與±800kV線路、±500kV線路的實(shí)測值水平基本相當(dāng)。由此可見，雖然±1100kV線路的電壓等級高于±800kV線路、±500kV線路，但是通過采用增大子導(dǎo)線截面、增加導(dǎo)線分裂數(shù)等措施后，在最低線高相同的情況下，其產(chǎn)生的合成電場水平并沒有明顯增大。

3 結(jié)語

采用《環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 輸變電工程》附錄E推薦的解析計(jì)算法，對±1100kV直流輸電線路地面合成電場強(qiáng)度進(jìn)行了理論計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，±1100kV線路的最低線高越高，最大地面合成電場強(qiáng)度越低。通過與±800kV云南-廣東直流輸電線路、±800kV向家壩-上海特高壓直流輸電線路以及±500kV三峽-上海直流輸電線路的地面合成電場強(qiáng)度實(shí)測值的比較分析可知，極導(dǎo)線水平排列的±1100kV線路產(chǎn)生的合成電場水平與±800kV線路基本相當(dāng)，極導(dǎo)線垂直排列的±1100kV線路產(chǎn)生的合成電場水平與±500kV線路基本相當(dāng)。由此可見，在最低線高相同的情況下，通過采用增大導(dǎo)線截面、增加導(dǎo)線分裂數(shù)等措施后，±1100kV線路產(chǎn)生的合成電場水平與±800kV線路、±500kV線路相比并沒有明顯增大。

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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,碩士研究生,浙江龍泉人,工程師,主要從事電力環(huán)保設(shè)計(jì)與研究工作。E-mail:linqiliadg@163.com