±500 kV直流架空線路地面合成場實測與計算

方芳,黃韜,呂建紅,陽金純,陶莉

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

±500 kV直流架空線路地面合成場實測與計算

方芳,黃韜,呂建紅,陽金純,陶莉

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

采用現(xiàn)場實測和仿真計算相結合的方法，研究±500 kV直流架空線路地面合成電場及離子流密度的分布規(guī)律，并討論相關參數的設定問題，驗證基于Deutsch假設的解析計算法的工程實用性，為特/超高壓直流輸電線路的初步設計、環(huán)境影響評價、竣工環(huán)保驗收等環(huán)節(jié)提供技術支持。

高壓直流；輸電線路；合成電場；Deutsch假設；電磁環(huán)境

高壓直流輸電技術需要解決的一個重要問題是其產生的空間合成電場對線路走廊附近電磁環(huán)境的影響。直流輸電線路因電暈放電產生的空間離子流場顯著地增強了空間電場,使得其電場分布規(guī)律不同于交流線路。為了滿足湖南省特高壓直流建設的需要,為超高壓直流輸電線路尤其是特高壓直流線路的初步設計、環(huán)境影響評價、竣工環(huán)保驗收等環(huán)節(jié)提供技術指導,以及為線路電磁環(huán)境糾紛處理、運行單位的日常管理提供科學依據和技術支撐,需要通過實驗和計算對高壓直流輸電線路的電場分布規(guī)律進行深入研究。

目前高壓直流輸電線路電場計算方法有解析法、半經驗公式法和有限元法。解析法〔1,2〕以Deutsch假設為基礎,計算結果與工程實際吻合較好；半經驗公式法〔3〕簡單,但使用限制較多；有限元法〔4〕理論計算精度最高,但程序編制復雜、計算耗時長,不適合大區(qū)域空間計算。

文中以 Deutsch假設〔2〕為基礎,計算了±500 kV江城線湖南境內某檔距段地面處合成電場強度和離子流密度,并與該線路實測值進行對比。

1 計算方法

根據Deutsch假設,空間電荷只影響電場幅值而不影響其方向,合成電場Es與標稱電場E的關系可表示為

式(1)—(2)中,A為標量函數,Es與E為向量,J為電流密度,K為離子遷移率,ρ為空間電荷密度。

根據電磁場理論,

聯(lián)立式(1)—(4),得

若不考慮正、負極起暈特性的差異,則利用Peek公式〔5〕可估算正負極導線表面起暈電場E0:

式 (7)中 m為導線表面粗糙系數,r為子導線半徑。

若考慮正、負極起暈特性的差異,利用Peek公式〔5〕可分別估算正、負極導線表面起暈電場E0＋和E0－:

對于給定的ρe,由式 (6)得到的ρ(φ)計算得到相應的平均電荷密度ρm,如式 (10)所示:

平均電荷密度ρm又可表示為

通過弦截迭代法〔6〕,最終可得到起暈后導線表面的電荷密度ρe?？蛇M一步通過式 (5)和式(6)分別求得標量函數A和電荷密度ρ,代入式(1),(2)即可分別計算出合成電場Es與離子電流密度J。

2 現(xiàn)場測試

為了驗證Deutsch解析法的工程實用性,選取±500 kV江城線湖南境內某檔距段面對地面合成電場和離子流進行了實測。

2.1 實驗儀器

實驗所用主要儀器見表1。

2.2 線路參數

線路主要參數見表2。

2.3 現(xiàn)場布置

實驗現(xiàn)場布置如圖1所示:試驗斷面位于檔距中央,從負極側向正極側共布置10個合成場探頭和離子流板,同時測試10個點的合成場強和離子流密度,其中第6個點位于兩極中心處 (未布置合成場探頭和離子流板),5,6,7這3個點間隔3.5m,其余各測點均間隔5.0m。以第6個點為原點 (O點),垂直于導線建立如圖1(a)所示二維直角坐標系。

2.4 測試結果

在圖1中所示測點共進行2次試驗,同時測試斷面各點的地面合成電場強度和離子流密度,每次試驗測試時長為30min。經統(tǒng)計分析,分別得到2次試驗的合成場95%測值和離子流密度90%測值共4組數據,見表3。

由表3中實測數據可知,地面合成電場強度和離子流密度最大值分別為－8.49 kV/m和2.6 nA/m2,均小于DL/T 1088—2008《±800 kV特高壓直流線路電磁環(huán)境參數限值》中規(guī)定的限值要求。

3 計算驗證與討論

依據第1節(jié)介紹的Deutsch解析法編制計算程序,對表3中的實測數據進行計算校核,實測結果與計算結果基本一致。

3.1 計算參數選取

計算中,直流線路參數選取參見表2,導線表面粗糙系數 (m)及離子遷移率 (K)選取如下所述。

導線表面粗糙系數m的取值直接影響起暈場強的大小。對于光滑潔凈的導線來說,m＝1。而實際中的輸電線路,由于導線的絞合、表面污穢、水滴和局部損傷的影響,表面粗糙度能降至0.3～0.6之間。加拿大的TESHMONT咨詢公司參與過中國的葛上直流、天廣直流等線路的設計研究,是一家國際上較為權威的咨詢機構,在計算三常直流線路地面合成場強時,采用m＝0.381〔7〕。文中m的取值參照TESHMONT咨詢公司取為0.381。

宋明理學包含兩大流派——“程朱理學”和“陸王心學”，這兩大流派代表人物的觀點中有相同之處也有不同之處，學生難以區(qū)分，因此教師可提供以下幾則材料幫助學生分析理解“程朱理學”與“陸王心學”的異同。

不同學者所建議的離子遷移率K差異較大〔8〕,正、負離子遷移率取值在1.2～2.0 m2/V·s間變化。不同學者所使用的離子遷移率差異較大,這可能是由其計算的輸電線路所處的環(huán)境所決定的。對于離子遷移率這一參數的選取,雖然尚無標準可循,但研究普遍認為離子遷移率與計算所得地面離子流密度的大小呈線性關系 (離子遷移率取值越大,地面離子流密度越大),但對計算所得地面合成場強影響較小。文中參考Zhao Tiebin等人較為保守的取值 (較大取值)〔9〕,取K＝1.7×10－4m2/V·s。

3.2 計算與實測比較分析

計算與實測比較結果如圖2所示。由圖2可知,實測與計算結果均表明,由于負極導線的起暈電壓小于正極起暈電壓,負極導線側相應測點的地面合成場強和離子流密度總體要大于負極側。當考慮正負極起暈場強差別時,計算得到的地面合成場強和離子流密度與實測結果符合較好。當不考慮正負極起暈場強差別時,負極側的地面合成場強計算值與實測較為接近,而正極側明顯高于實測值。

此外,由圖2中實測數據可知,2次試驗數據在一定范圍內波動,而表2中線路運行電壓等參數幾乎沒有變化,說明影響直流線路下地面合成場和離子流密度的因素并不僅限于表2中的相關參數。而理論計算已經證明,若線路運行參數不變,直流標稱電場也不發(fā)生改變。因此可以推測,必然是直流線路的離子流場發(fā)生了變化,離子流場與標稱電場疊加后,才導致合成場強和離子流密度發(fā)生了相應波動,這一點是交、直流輸電線路線下電場產生機理的最顯著差異。Deutsch假設認為空間帶電離子只沿標稱場的電力線運動,實際上是一種非常理想的假設。實際線路下,風速的影響不可忽略不計。在風力的作用下,空間帶電離子的運動受空氣粒子的碰撞可能會偏離電力線的相應軌跡,導致離子流場發(fā)生變化,最終使合成電場發(fā)生隨機性的波動。目前,有限元法已經能計算恒定風速作用下的合成電場,但實際風速和風向具有較大的隨機性,用恒定風速矢量來描述線路附近空間范圍內的風力場并不完全符合實際,因此有限元法的工程實用價值有限。綜合來看,基于Deutsch假設的解析法在靜風條件下合成場的計算中仍然是一種實用性很強的工程算法,推薦在直流線路的初步設計、環(huán)境影響評價等環(huán)節(jié)中使用該方法對直流線路的電磁環(huán)境進行預測。

4 結論

基于Deutsch假設的解析計算法是一種有效、實用的工程算法,能夠基本滿足直流輸電線路地面合成電場和離子流密度預測的精度要求。建議在特/超高壓直流輸電線路的初步設計、環(huán)境影響評價、竣工環(huán)保驗收等環(huán)節(jié)中采用該算法作為技術指導。

不考慮正、負極導線起暈場強差別時,計算結果能夠基本反映負極導線側的地面合成電場和離子流密度分布；考慮正、負極導線起暈場強差別時,計算結果與實測結果更為接近。

影響直流線路合成電場和離子流密度的因素較多,需要進一步研究正、負極導線的起暈特性和相關參數設定,才能更準確地預測直流線路的地面合成電場和離子流密度分布。

〔2〕傅賓蘭.高壓直流輸電線路地面合成場強與離子流密度計算〔J〕.中國電機工程學報,1987,7(5):57-63.

〔3〕JOHNSON G B.Degree of corona saturation for HVDC transmission lines〔J〕.IEEE Transactions on Power Delivery,1990,5(2): 695-703.

〔4〕AL－HAMOUZ Z,ABDEL－SALAM M.Finite-element solution of monopolar corona on bundle conductors〔J〕.IEEE Transactions on Industry Applications,1999,35(2):380-386.

〔5〕Sarma M P.Corona performance of high-voltage transmission lines〔M〕.England:Research Studies Press Ltd.,2000:179-211.

〔6〕M.P.Sarma,W.Janishewskyj.Analysis of corona losses on DC transmission lines part I－Unipolar lines〔J〕,IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1969,88(5):718-731.

〔7〕Teshmont Consultants Inc.Gezhouba－Shanghai±500 kV transmission system report on transmission line studies〔R〕.Winnipeg: Teshmont Consultants Inc,1983.

〔8〕崔翔.高壓直流輸電線路離子流場計算方法研究進展〔J〕.中國電機工程學報,2012,32(36):130-141.

〔9〕Zhao Tiebin.Measurement and calculation of hybrid HVAC and HVDC power line corona effects〔D〕.Ohio:The Ohio State University,1995.

Test and calculation research of total electrical field at ground level for±500 kV HVDC overhead transm ission line

FANG Fang,HUANG Tao,LV Jian-hong,YANG Jin-chun,TAO Li
(State Grid Electric Power Corporation Research Institute,Changsha 410007,China)

The distribution rules of total electric field and ion current density at ground level of±500 kV HVDC Lines are investigated through combination of testand simulationmethods,and the simulation parametersare also discussed.The field test result is consistentwith the resultof simulation,so the engineering probability of analytic calculationmethod based on Deutsch method has been verified.The Deutsch method can provide technical support in preliminary design,environmental impact assessment and environmental protection acceptance of HVDC transmission lines.

HVDC；transmission line；total electric field；Deutsch assumption；electromagnetic environment

TM752.1

B

1008-0198(2014)01-0001-04

方芳(1967),女,大學本科,工程師,主要從事電力系統(tǒng)電磁環(huán)境試驗與研究工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.01.001

2013-06-03

國網湖南省電力公司重點科技項目 (KZ12K16004)

黃韜(1988),男,工學碩士,助理工程師,主要從事電力系統(tǒng)電磁環(huán)境與電磁兼容的試驗與研究工作。

呂建紅 (1981),男,工學博士,工程師,主要從事電力系統(tǒng)電磁環(huán)境與電磁兼容的試驗與研究工作。