高壓交流、直流輸電線路環(huán)境電場對比研究

陳 偉，魏化軍，溫如春，孫 彥，羅 超，查智明

(1.上海市輻射環(huán)境監(jiān)督站，上海 200065;2.安徽省電力環(huán)境監(jiān)測研究中心站，安徽 合肥 230601)

0 引言

近年來，±800 kV 以上的高壓直流輸電線路和1000 kV 以上的高壓交流輸電線路都得到了較大的發(fā)展，但其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在超長距離、大容量輸電方面。目前，國內國內電網(wǎng)的主網(wǎng)架仍主要是由500 kV 電壓等級的高壓交流輸電線路組成的，±500 kV 高壓直流輸電線路則正在逐漸成為區(qū)域間較長距離送電網(wǎng)的重要組成部分。因此，本文選擇常見的500 kV 電壓等級的交流架空輸電線路與同樣電壓等級的±500 kV 直流架空輸電線路進行交流、直流線路電場環(huán)境影響的分析和比較。

1 交流、直流線路下方環(huán)境電場的區(qū)別

直流輸電線路和交流輸電線路在空間形成的電場分布具有各自不同的特點。交流輸電線路導線發(fā)生電暈時，由于交流電壓隨時間作周期性變化，對應電壓上半個周期因電暈放電產生的離子，在下半個周期因電壓極性改變，又幾乎全被拉回導線，帶電離子只在導線周圍很小的區(qū)域內作往返運動，在相導線之間和相導線與大地之間的廣大空間不存在帶電離子［1］。因此，交流輸電線路周圍只會產生相對場強水平較低、僅由導線本身產生的工頻電場。

高壓直流輸電線路在正常運行時，同樣會有一定程度的電暈放電現(xiàn)象。直流輸電線路兩極導線之間、極導線與大地之間充滿的離子電荷在電場的作用下移動形成離子流，使導線周圍的電場強度增大。因此，直流輸電線路導線周圍非電離區(qū)的空間電場由兩部分產生:導線上離子電荷直接產生的電場稱為標稱電場或靜電場;空間離子電荷在電場的作用下做定向運動，形成離子流，離子流場與導線本身產生的靜電場(標稱電場)疊加形成合成電場，成為直流輸電工程項目的關鍵性電磁環(huán)境影響因子。

2 交流、直流線路環(huán)境電場監(jiān)測方法及場強限值比較

目前，我國交流和直流輸電線路環(huán)境電場強度監(jiān)測規(guī)范，主要有《高壓交流架空送電線路、變電站工頻電場和磁場測量方法》(DL/T 988－2005)和《直流換流站與線路合成場強、離子流密度測量方法》(DL/T 1089－2008)。

《高壓交流架空送電線路、變電站工頻電場和磁場測量方法》適用于“所有電壓等級的交流高壓送電線路和變電站”，并對交流架空送電線路項目工頻電場測量作了明確的規(guī)定;而《直流換流站與線路合成場強、離子流密度測量方法》則適用于±800 kV 及以下的換流站和直流輸電線路的合成場強、離子流密度的測量，為直流輸電環(huán)境監(jiān)測提供了技術上的參考和依據(jù)，并對直流輸變電項目合成場強測量儀器和測量方法作了明確的規(guī)定。

在場強水平控制和管理方面，交流輸電線路電場環(huán)境管理主要的依據(jù)是《500 kV 超高壓送變電工程電磁輻射環(huán)境影響評價技術規(guī)范》(HJ/T 24－1998)，其目的在于指導500 kV 超高壓送變電工程電磁輻射環(huán)境影響報告書的編寫，目前也是我國對高壓交流輸電線路項目進行竣工環(huán)境保護驗收監(jiān)測和評價的主要參考依據(jù)之一。

而直流輸電線路電場環(huán)境管理主要的依據(jù)則是《±800 kV 特高壓直流線路電磁環(huán)境參數(shù)限值》。從實際工作情況來看，針對±500 kV 直流架空輸電線路的電場環(huán)境一般會參考上述標準規(guī)定的穿越居民區(qū)的限值水平進行監(jiān)督和管理。

通過對上述兩種不同類型輸電線路對應標準的具體內容進行比較后可以發(fā)現(xiàn)，除了在工頻電場強度測量時均需要控制人員和周圍環(huán)境中的固定物體與測量儀器的距離足夠大，以防止造成大的電場畸變而導致測量結果不準確之外，高壓直流架空輸電線路地面合成電場強度和高壓交流架空輸電線路工頻電場強度在測量方法和限值要求等方面，均有著較為明顯的不同之處:

(1)監(jiān)測內容不同。對高壓直流架空輸電線路而言，其對環(huán)境造成的電磁影響中離子流場部分在電場監(jiān)測數(shù)據(jù)中有著強烈的體現(xiàn)，實際要求測量的為地面合成場強;而高壓交流架空輸電線路而言，則空間電荷被交變的電場束縛在導線附近，對于離導線較遠的區(qū)域基本上沒有影響，因此實際監(jiān)測的是線路本身直接在周圍空間形成的電場強度，且監(jiān)測高度建議為距地1.5 m。

(2)測量儀器不同。在測量儀器方面，兩者因測量的對象不同，使用的測量儀器必然不相同，但與工頻電場測量儀器所不同的重點在于，對直流合成場強的測量儀器設備要求中，標準特別強調了“具有自動記錄功能”，以滿足高壓直流架空輸電線路地面合成場強連續(xù)測量和較大數(shù)據(jù)采集量的需要。

(3)天氣條件要求不同。高壓交流架空輸電線路周圍工頻電場強度測量時，主要考慮避免通過測量儀表的支架泄漏電流而造成測量結果的不準確，因此在天氣條件方面提出環(huán)境濕度應在80%以下的要求;而高壓直流架空輸電線路地面合成場強測量受風速的影響較大，標準規(guī)定了測量應在風速小于2 m/s 時進行，但實際監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)即使風速僅為1 m/s 左右，也會在一定程度上造成合成電場分布發(fā)生畸變，因此較為理想的狀態(tài)是盡可能選擇在無風或微風期間，使用多個合成電場檢測探頭同時進行測量。

(4)數(shù)據(jù)處理方式不同。因高壓直流架空輸電線路地面合成場強的連續(xù)測量中，測量數(shù)據(jù)分散性較大，根據(jù)標準的要求，不僅要求每個測點每次測量數(shù)據(jù)不少于100 個，而且規(guī)定了其數(shù)據(jù)處理采用的是累計概率的方法進行;而高壓交流架空輸電線路電場強度監(jiān)測數(shù)據(jù)則采用的是多次測量求平均值法，在空間電場穩(wěn)定的情況下，同一個測點讀取5 個數(shù)據(jù)已能滿足需要。

(5)場強標準限值不同。輸電線路途經的居民區(qū)或住宅民房附近時，對交流輸電線路國家推薦的是暫以4 kV/m 作為居民區(qū)工頻電場評價標準，而對直流輸電線路，由于采用的是累計概率的數(shù)據(jù)處理方法，因此不僅有25 kV/m 的限值，而且規(guī)定80%的測量值不得超過15 kV/m(此值一般被作為直流輸電線路穿越居民區(qū)時的實際控制限值)。從兩者的限值標準來看，我國目前針對直流架空線路下方地面合成場強制定的限值標準值遠高于交流輸電線路下方的工頻電場強度推薦值，即使按照80%的測量值限值來看，也已達到了工頻電場強度4kV/m 推薦限值的近4 倍。

3 交、直流線路工頻電場強度分布模擬對比

設定500 kV 交流架空輸電線路按單回三相水平形式布置，±500 kV 直流架空輸電線路按雙極水平形式布置，交流、直流鐵塔均懸掛四分裂或六分裂導線。500 kV 單回交流線路和±500 kV 雙極直流線路桿塔型式示意圖見圖1。

圖1 交流、直流桿塔型式示意

500 kV 單回交流線路和±500 kV 雙極直流線路基本參數(shù)見表1。

表1 基本參數(shù)

圖2是給定參數(shù)條件下，500 kV 單回交流輸電線路和±500 kV 雙極直流輸電線路下方電場強度分布的模擬曲線示意。

圖2 交流、直流線路電場強度分布模擬示意

從圖中可以較為直觀的看出，同為500kV 電壓等級的交流、直流高壓輸電線路，兩者下方環(huán)境電場水平分布情況明顯不同，具有各自鮮明的特點:

(1)高壓直流輸電線路下方標稱電場和合成電場的場強峰值均遠大于高壓交流輸電線路下方工頻電場的場強峰值。計算結果的數(shù)據(jù)顯示，在本文給定的條件下，直流輸電線路下方合成場強峰值雖未超過最大合成場強30 kV/m 的限值，但均超過普遍認可的穿越居民區(qū)時的合成場強控制要求。

(2)對于上述相導線(或極導線)成水平方式布置的高壓交流(或直流)輸電線路，其下方環(huán)境電場強度峰值均出現(xiàn)在邊相導線(或極導線)外側的附近，而在出現(xiàn)兩個峰值之間的走廊范圍內，局部區(qū)域會形成一個非常明顯的場強極小區(qū)。尤其是對直流輸電線路而言，因正負離子抵消作用，理論上會在中心線處出現(xiàn)0 場強的點。

(3)從使用4 分裂和6 分裂導線情況來看，在子導線截面一定的條件下，增加分裂導線數(shù)目會使得高壓交流輸電線路下方的工頻電場強度和高壓直流輸電線路下方的標稱場強水平提高，場強峰值分別增大了約12.6%和11.7%，但卻使得高壓直流輸電線路下方合成電場強度峰值降低了約11.5%。因此，可將適當增加導線分裂數(shù)作為控制高壓直流輸電線路下方合成電場水平的有效措施;而對高壓交流輸電線路而言，導線分裂數(shù)則不宜過多，以防導致線路下方環(huán)境工頻電場水平過大。

4 減弱高壓輸電線路電場環(huán)境影響的措施

目前在進行高壓架空輸電線路設計中，主要且被普遍采用的是提高導線對地高度的方法，來降低線下及周圍空間的場強，以實現(xiàn)在一定程度上減弱高壓輸電線路下方空間電場對周圍環(huán)境及敏感目標的影響。對于架空輸電線路穿越居民住宅區(qū)或人群活動頻繁、居留密集的環(huán)境敏感區(qū)域時，需要將線下環(huán)境中的場強值控制在一個較低的水平。此時，當導線架設高度超過一定高度后，再單純的依靠進一步提高導線架設高度來實現(xiàn)減小場強影響，將會帶來某些技術上的困難，同時還會使得經濟效益與社會效益造成較大的沖突。

從國內外的研究現(xiàn)狀來看，針對高壓交流架空輸電線路電磁環(huán)境影響控制方面的研究遠較高壓直流輸電線路深入和廣泛。對于高壓交流架空輸電線路而言，不同國家通常會根據(jù)自身的實際情況，采取不同的方法來控制其對公眾的影響。美國采取征購線路走廊和限制走廊內及走廊邊緣工頻電場的辦法，前蘇聯(lián)則在線下一定范圍內限制人員進入線路走廊，日本采取的是大幅抬高相導線對地距離的辦法［2］。我國受國內電力通道沿途地形復雜，可用土地資源稀少，耕地受到嚴格保護，輸電線路走廊拆遷費用極高，而大量輸電線路進入城鎮(zhèn)區(qū)域后又不得不途經人群密集區(qū)域等因素的影響和制約，國外采取的很多辦法并不適合直接應用于我國高壓交流輸電線路運行期間的電磁場強水平控制和環(huán)境保護。

目前，國內學者在對500 kV 以及更高電壓等級的交流架空輸電線路電磁環(huán)境影響進行研究的基礎上，總結出一些有效解決方案，包括選擇合適的相導線布置、調整相間距和分裂間距、在線路走廊與房屋之間區(qū)域種植適當高度的樹木等［2－8］等，適用于控制高壓交流架空輸電線路下方工頻電場強度。

而對高壓直流架空輸電線路而言，國外科研機構已經做了一定數(shù)量高壓直流輸電方面的相關理論研究，且認為采用這一電壓等級的直流輸電是可行的，但仍認為還需進一步的研究和環(huán)境及生態(tài)影響方面的長期調查。美國以及歐洲的部分國家在交流特高壓和±500 kV、±800 kV 及其以上電壓等級直流輸電方面的基礎研究也已取得許多成果，但對該類項目環(huán)境影響問題方面，各國目前都還尚處于有待進一步深入研究的階段［9－11］。

目前，要減小高壓直流架空輸電線路下方電場水平，仍以適當降低直流輸電線路電壓等級、增加導線對地高度最為直接有效。另外，通過增加高壓直流輸電線路分裂導線數(shù)目等可增加導線總表面積的方法，也能夠在一定程度上降低高壓直流輸電線路下方合成電場水平，在目前標準對直流輸電線路以合成電場進行限值管理的情況下，可作為控制直流線路周圍電磁環(huán)境的有效措施之一;而通過調節(jié)極導線水平間距和分裂導線分裂間距等方法對直流輸電線路下方合成場強進行控制時，一方面效果并不明顯，另一方面還會受到較多其他因素的制約，一般在實際工程中較少使用。

從我國高壓直流輸電技術發(fā)展的現(xiàn)狀來看，一方面，當前直流輸電科研和建設單位本身積累的經驗相對較少，更多的是在實際設計和建設中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題;另一方面，我國目前對直流輸電的研究重點仍放在設備和技術的改進上，對其可能造成的環(huán)境影響問題關注偏少。因此，為了實現(xiàn)高壓直流輸電經濟效益和社會效益的優(yōu)化，控制高壓直流架空輸電線路下方地面合成場強水平，確保不會對公眾造成超過標準限值的電磁環(huán)境影響，建議從其建設初期進行源頭控制。設計單位應謹慎考慮、優(yōu)化設計高壓直流輸變電類工程項目。由于特高壓直流輸送容量更大、電壓等級更高，需考慮的因素更復雜，尤其是對環(huán)境的影響更是多方面和長期性的。對于超長距離、超高電壓等級的直流輸電線路走廊，應在其選址階段加強科學評估，對線路路徑選擇以及系統(tǒng)方案比較等主要技術原則應進行充分論證，優(yōu)化線路走向，減少穿越居民密集區(qū)域，嚴格控制線路走廊外居民住宅或長期有人居留建筑與線路的直線距離，為規(guī)劃部門實現(xiàn)科學、合理規(guī)劃提供可靠的決策依據(jù)。

5 結語

目前，500 kV 高壓交流輸電線路已在城市區(qū)域電網(wǎng)建設中廣泛采用和建設、運行;而新興的±500 kV 高壓直流輸電線路在跨省的區(qū)域間長距離送電網(wǎng)建設中也已開始形成一定的規(guī)?！，F(xiàn)有研究表明，對高壓直流輸電線路和交流輸電線路，仍以適當降低運行電壓等級、增加導線對地高度是最為有效的控制線路下方環(huán)境電場強度的方式。當前針對高壓交流輸電線路的研究已較為成熟和深入，研究人員已總結出一系列具有較強針對性且適合我國國內現(xiàn)狀，適用于控制線路下方環(huán)境電場強度的有效解決方案。相對而言，高壓直流輸電線路研究積累的經驗則較少，更多的是在實際設計和建設中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，因此，在平衡高壓直流輸電經濟效益和社會效益雙優(yōu)化的基礎上加強源頭控制對其具有重要的現(xiàn)實意義。

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