直流線路導(dǎo)線截面及分裂方式對(duì)電場效應(yīng)的影響研究

孫 濤，朱任翔，高 振，楊 林

（1.國家電網(wǎng)公司建設(shè)部，北京 100031；2.西北電力設(shè)計(jì)院，西安 710075）

0 引言

超高壓直流線路架線工程投資一般占本體投資的30%左右，再加上導(dǎo)線方案變化引起的桿塔和基礎(chǔ)工程量的變化，其對(duì)整個(gè)工程的造價(jià)影響是極其巨大的，直接關(guān)系到整個(gè)線路工程的建設(shè)費(fèi)用以及建成后的技術(shù)特性和運(yùn)行成本，所以在整個(gè)輸電線路的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較中，應(yīng)該對(duì)導(dǎo)線的截面和分裂型式進(jìn)行充分的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，推薦出滿足技術(shù)要求而且經(jīng)濟(jì)合理的導(dǎo)線截面和分裂型式[1]。

輸電線路電場效應(yīng)，如靜電場、合成場強(qiáng)、離子流密度，對(duì)于輸電線路導(dǎo)線選型及分裂型式的選擇具有重要參考價(jià)值[2～8]。本文詳細(xì)分析了國內(nèi)主要輸電線路導(dǎo)線的電場效應(yīng)，為直流工程輸電線路導(dǎo)線選型提供了依據(jù)。

1 電場效應(yīng)

1.1 表征參數(shù)

高壓直流輸電線路線下的合成電場普遍高于同一電壓等級(jí)的交流線路線下電場，不能把直流電場和交流電場等同起來，因?yàn)樵谡＿\(yùn)行的直流輸電線路下，沒有通過電容耦合的感應(yīng)現(xiàn)象，在相同的電場下兩者產(chǎn)生的效應(yīng)也是不同的。直流電場效應(yīng)主要由以下2種表征參數(shù)來定量表示。

1） 合成場強(qiáng)。直流輸電線路下的空間電場是由2個(gè)部分合成的，一部分是由導(dǎo)線所帶電荷產(chǎn)生的靜電場，通常又稱之為標(biāo)稱電場；另一部分是由空間電荷產(chǎn)生的電場。

2） 離子流密度。在電場的作用下，空間電荷不斷向地面移動(dòng)，地面單位面積所接收到的電流稱為離子流密度。

1.2 各國合成場強(qiáng)和離子流密度限值

美國：在直流輸電線路下可能有人員活動(dòng)的地方，地面合成場強(qiáng)限值為30 kV/m，離子流密度限值為100 nA/m2。

加拿大：規(guī)定直流輸電線路下最大合成場強(qiáng)為25 kV/m；走廊邊沿的標(biāo)稱電場不超過2 kV/m；線下離子流密度限值為100 nA/m2。

巴西：伊泰普工程輸電線路地面最大合成場強(qiáng)取40 kV/m。

前蘇聯(lián)：在設(shè)計(jì)±750 kV輸電線路時(shí)規(guī)定了不同情況下的地面最大合成場強(qiáng)，無人居住時(shí)取25 kV/m，有人居住時(shí)取10 kV/m。

中國：在“直流導(dǎo)則”中規(guī)定，±500 kV直流線路下地面最大合成場強(qiáng)不應(yīng)超過30 kV/m，最大離子電流密度不應(yīng)超過100 nA/m2。

1.3 已建直流線路的合成場強(qiáng)和離子流密度

國內(nèi)外幾個(gè)大型直流輸電線路的標(biāo)稱場強(qiáng)、合成場強(qiáng)和離子流密度參見表1。

表1 已建直流線路的合成場強(qiáng)和離子流密度一覽表

2 合成場強(qiáng)和離子流密度計(jì)算

合成場強(qiáng)和離子流密度關(guān)系到線路附近居民的人身安全問題。美國Dalles試驗(yàn)中心曾經(jīng)做過相關(guān)人體試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，人在22 kV/m（±400 kV）電場下，頭皮有輕微刺痛感覺；在27 kV/m（±500 kV）電場下，頭發(fā)有刺激感，耳朵和毛發(fā)有輕微感覺；人體在32 kV/m（±600 kV）電場下，頭皮有強(qiáng)烈的刺痛感覺。因此，將合成場強(qiáng)和離子流密度限定在一定的范圍內(nèi)對(duì)環(huán)保具有重要的意義[9-10]。

本文合成場強(qiáng)和離子流密度的計(jì)算以模擬試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)、具有一定可信度的EPRI EL-2257法[4]。

1）合成場強(qiáng)E（x）（kV/m）。

2）離子流密度J（x）。

一般非居民地區(qū)（如跨越農(nóng)田）導(dǎo)線最小對(duì)地距離取16 m，在此條件下，計(jì)算海拔1 000 m地面標(biāo)稱場強(qiáng)、合成場強(qiáng)和離子流密度在晴天的計(jì)算結(jié)果見表2和圖1、圖2。

圖1 海拔1 000 m時(shí)各種極導(dǎo)線地面合成電場強(qiáng)度橫向分布（線高16 m）

表2 合成場強(qiáng)和離子流密度計(jì)算結(jié)果（海拔1 000 m，晴天）

圖2 海拔1 000 m時(shí)各種極導(dǎo)線地面離子流密度橫向分布（線高16 m）

在海拔高度1 000 m時(shí)，地面合成場強(qiáng)除極導(dǎo)線采用4分裂ACSR-720/50導(dǎo)線方案外，其余均滿足晴天30 kV/m的限值要求；離子流密度除極導(dǎo)線采用4分裂ACSR-720/50和LGJ-800/55導(dǎo)線方案外，其余極導(dǎo)線組合均滿足晴天100 nA/m2的限值要求。

由圖3～6中給出的不同海拔高度下合成場強(qiáng)和最大離子流密度對(duì)比情況可以看出，海拔高度和極導(dǎo)線高度對(duì)地面合成電場強(qiáng)度、離子流密度的影響較大。地面合成電場強(qiáng)度隨海拔高度每升高1 000 m最大增加1～3 kV/m，離子流密度隨海拔高度每升高1 000 m最大增加10～18 nA/m2；地面合成電場強(qiáng)度隨極導(dǎo)線高度的增加-2 kV/m，離子流密度隨極導(dǎo)線高度的增加-10～-18 nA/m2。因此，在滿足地面合成電場強(qiáng)度、離子流密度限值要求條件下，極導(dǎo)線對(duì)地高度每增加1 m，導(dǎo)線可適用的海拔高度增加約1 000 m。

圖3 不同海拔高度下地面最大合成電場強(qiáng)度（線高16 m）

圖4 不同海拔高度下地面最大離子流密度（線高16 m）

圖5 不同極導(dǎo)線高度下地面最大合成電場強(qiáng)度

圖6 不同極導(dǎo)線高度下地面最大離子流密度

隨著海拔的增加，合成場強(qiáng)、離子流密度增大。在海拔高度2 000 m時(shí)，導(dǎo)線高度按照對(duì)地距離16 m計(jì)算，除4分裂720、800、900、1 000截面，5分裂630截面，6分裂500截面極導(dǎo)線方案外，其余均滿足一般地區(qū)的地面合成電場強(qiáng)度、離子流密度限值要求；將導(dǎo)線對(duì)地距離增加到16 m，所有導(dǎo)線均滿足限值要求。因此在高海拔地區(qū)可采用增加導(dǎo)線對(duì)地距離、增大導(dǎo)線截面或增加分裂數(shù)以滿足地面合成場強(qiáng)、離子流密度的限值要求。

3 結(jié)論和建議

直流輸電線路下空間場強(qiáng)的大小，除與所加電壓有關(guān)外，還與導(dǎo)線的布置形式、幾何位置及其尺寸等因素有關(guān)。減小直流特高壓輸電線下空間場強(qiáng)可以通過以下方法實(shí)現(xiàn)。

1）調(diào)整極導(dǎo)線對(duì)地高度、相間距離、分裂導(dǎo)線結(jié)構(gòu)尺寸、相導(dǎo)線的布置方式等來降低線路下的電場強(qiáng)度。在這幾種方式中，要減小線下空間場強(qiáng)，以適當(dāng)增加導(dǎo)線對(duì)地高度最為有效?？繙p小極間距來減小場強(qiáng)，將受到絕緣配合和電暈損失的限制，而且極間距離對(duì)于地面合成場強(qiáng)和離子流密度的影響較小，不如適當(dāng)增加導(dǎo)線對(duì)地高度顯著；增加分裂導(dǎo)線數(shù)目雖能減小線下場強(qiáng)，但是如果分裂根數(shù)變化而分裂導(dǎo)線的總截面不變，分裂根數(shù)的變化對(duì)地面場強(qiáng)的影響很小。

2）在條件允許或必要的情況下，對(duì)直流特高壓輸電線路可采取局部屏蔽措施，以達(dá)到減小線下一定范圍內(nèi)空間電場強(qiáng)度的目的。

[1]梁旭明，趙全江，李翔，等.直流輸電導(dǎo)線截面選擇研究[J].電力建設(shè)，2008，29（5）：13-16.

[2]Liu J,Fortin S,Zhao H,et al.Electromagnetic Impact Evaluation of High Voltage Transmission Lines[C]//Proceedings-Fourth Asia-Pacific Conference on Environmental Electromagnetics,CEEM'2006,2006:394-395.

[3]Lu Tie-bing,Feng Han,Zhao Zhi-bin,et al.Analysis of the Electric Field and Ion Current Density under Ultra High-Voltage Direct-Current Transmission Lines Based on Finite Element Method[J].IEEE Transactions on Magnetics,April 2007,43（4）:1221-1224.

[4]EPRI.The Development of Conductor in High Voltage Direct Current Transmission[R].ReportEL-2257,America,1982.

[5]Li Wei,Zhang Bo,Zeng Rong,et al.Discussion on the Deutsch Assumption in the Calculation of Ion-Flow Field Under HVDC Bipolar Transmission Line[J].IEEE Transactions on Power Delivery,Oct.2010,4（25）:2759-2767.

[6]Tikhodeyev N I,Perel’man L S,Kislova N S.Selection of Conductors and Their Configurations for Direct-Current Lines with Allowance for Corona Losses Radio Interference:Methods of Their Measurement[C]//US Dep of the Inter,976:179-210;Conference:Proc of the Symp on HVDC Power Transm,April 7,1976-April 15,1976:179-210.

[7]萬啟發(fā),陳勇,谷莉莉,等.特高壓交流輸電工程導(dǎo)線截面及分裂形式研究[J].高電壓技術(shù)，2008,34（3）：432-437.

[8]能源部東北電力設(shè)計(jì)院.電力工程高壓送電線路設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:水利電力出版社,1992.

[9]陸寵惠,萬啟發(fā).特高壓輸電技術(shù)研究[J].江蘇電機(jī)工程,2001,20（2）:1-7.

[10]鄔雄.特高壓輸電的電磁環(huán)境問題研究[J].電力系統(tǒng)通信,2006,27（6）:1-5.