±800 kV特高壓直流輸電線路電磁干擾研究

張慶輝，齊亞紅

（河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州450001）

±800 kV特高壓直流輸電線路電磁干擾研究

張慶輝，齊亞紅

（河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州450001）

直流輸電線路在正常電壓運(yùn)行下允許一定程度的電暈放電，電暈放電產(chǎn)生電暈損失，引起無線電干擾及可聽噪聲。分析了±800 kV特高壓直流輸電線路的無線電干擾及可聽噪聲，采用逐步鏡像法計(jì)算導(dǎo)線表面電位梯度，分析無線電干擾及可聽噪聲的計(jì)算方法，編寫計(jì)算程序，計(jì)算結(jié)果表明：改變導(dǎo)線截面、導(dǎo)線對(duì)地高度、分裂間距及導(dǎo)線分裂數(shù)可降低無線電干擾及可聽噪聲的水平。

特高壓直流；電暈放電；逐步鏡像法；無線電干擾；可聽噪聲

0 引言

隨著電壓等級(jí)的升高，對(duì)于特高壓直流輸電線路，線路導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度提高，造成電暈放電，隨之引起的無線電干擾和可聽噪聲對(duì)周圍環(huán)境的影響越來越不容忽視，且已成為設(shè)計(jì)特高壓直流線路必須考慮的重要因素。利用逐步鏡像法計(jì)算導(dǎo)線表面電位梯度，針對(duì)特高壓直流輸電線路的無線電干擾水平和可聽噪聲進(jìn)行分析，對(duì)無線電干擾和可聽噪聲的控制限制、計(jì)算方法進(jìn)行研究，并利用仿真結(jié)果分析線路參數(shù)對(duì)無線電干擾及可聽噪聲的影響。

1 導(dǎo)線表面電位梯度計(jì)算

直流輸電線路的電暈現(xiàn)象引起無線電干擾和可聽噪聲，導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度是影響導(dǎo)線電暈放電的最主要因素，要確定線路結(jié)構(gòu)對(duì)無線電干擾及可聽噪聲的影響，首先要確定導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度。在工程分析中，計(jì)算導(dǎo)線表面電位梯度的方法主要有Markt-Megele法、模擬電荷法和逐步鏡像法［1-3］。Markt-Megele法的計(jì)算適合4分裂數(shù)及以下有較好的準(zhǔn)確性；模擬電荷法的計(jì)算比較準(zhǔn)確，但模擬電荷的位置和電荷量不易確定，且計(jì)算所需時(shí)間較長。對(duì)比以上這兩種計(jì)算方法，逐步鏡像法有效避免了這些問題，因此本文采用逐步鏡像法。

逐步鏡像法的基本思想是在一個(gè)多導(dǎo)體系統(tǒng)中，鏡像電荷替代導(dǎo)體內(nèi)部的原導(dǎo)體，使導(dǎo)線表面維持等電位面，這一邊界條件被滿足后，導(dǎo)體表面的電場強(qiáng)度則可由這些鏡像電荷計(jì)算得到。采用逐步鏡像法計(jì)算時(shí)，對(duì)子導(dǎo)線是單獨(dú)處理，因此這種計(jì)算能夠考慮到子導(dǎo)線所處位置不同引起電荷分布不均的情況以及導(dǎo)線之間的相互影響。

1.1 各子導(dǎo)線電荷值

電荷值Q由Maxwell電位系數(shù)法求出：

式中：［Q］為電荷矩陣；［U］為電壓矩陣；［P］為電位系數(shù)矩陣。

自電位系數(shù)由式（2）表示，互電位系數(shù)由式（3）表示。

式中：hi為導(dǎo)線i距離地面的平均高度；Dij為導(dǎo)線i與導(dǎo)線j的鏡像之間的距離；dij為導(dǎo)線i與導(dǎo)線j之間的距離；ε0為真空的介電常數(shù)，ε0=8.854×10-12F/m；req為分裂導(dǎo)線等效半徑。

1.2 計(jì)算鏡像電荷

將1.1中所求的各子導(dǎo)線上的電荷值用一系列鏡像電荷表示，使導(dǎo)線表面維持等電位面。求某一導(dǎo)線內(nèi)的鏡像電荷時(shí)，先假設(shè)除該導(dǎo)線外所有導(dǎo)線的電荷都集中在各導(dǎo)線的中心，每一電荷在該導(dǎo)線內(nèi)的鏡像電荷大小等于原電荷但符號(hào)相反，位于該導(dǎo)線中心至每一電荷的連線上，距該導(dǎo)線中心距離為

式中：dij為第j個(gè)電荷與第i根導(dǎo)線之間的距離；ri為第i根導(dǎo)線的半徑。

1.3 校核導(dǎo)線的表面電壓

首先確定子導(dǎo)線內(nèi)部鏡像電荷的位置、符號(hào)和大小，選擇子導(dǎo)線表面若干點(diǎn)處，計(jì)算出電位，并同實(shí)際電位相比較，正式計(jì)算前要確定計(jì)算誤差在規(guī)定范圍內(nèi)。導(dǎo)線間的最小距離與導(dǎo)線半徑之比決定了鏡像次數(shù)，比值越大鏡像次數(shù)越少；當(dāng)比值大于10時(shí)，鏡像1次就能使計(jì)算誤差足夠小［4-5］。對(duì)于特高壓輸電線路，分裂間距與導(dǎo)線半徑之比均大于10，因此在此計(jì)算過程中只需進(jìn)行1次鏡像。

1.4 計(jì)算導(dǎo)線表面電位梯度

將子導(dǎo)線表面圓周等分為若干個(gè)點(diǎn)，按公式（5）、（6）、（7）計(jì)算導(dǎo)線表面圓周每個(gè)計(jì)算點(diǎn)的電位梯度，求出最大電位梯度。

式中：（x，y）為子導(dǎo)線表面計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)；（xi，yi）為鏡像電荷i的坐標(biāo)；dip為子導(dǎo)線表面計(jì)算點(diǎn)與鏡像電荷i的距離；Dip為子導(dǎo)線表面計(jì)算點(diǎn)與鏡像模擬電荷i的距離；m為總的鏡像電荷數(shù)。

2 無線電干擾及可聽噪聲的計(jì)算

2.1 無線電干擾的限值及計(jì)算

國家標(biāo)準(zhǔn)和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：距直流架空輸電線路正極性導(dǎo)線對(duì)地投影外20 m處，如圖1所示，由電暈產(chǎn)生的0.5 MHz無線電干擾場強(qiáng)80%//80%值見表1。我國建議750 kV輸電線路無線電干擾的控制限值設(shè)置為55～58 dB［8-9］。

表1 GB15707-1995規(guī)定的無線電干擾限值

圖1 無線電干擾的參考距離（X=20 m）

直流輸電線路無線電干擾的計(jì)算公式有很多，德國、意大利、美國、日本和加拿大等都有各自的計(jì)算公式，而這些公式多是經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算過程很復(fù)雜。1982年國際無線電干擾特別委員會(huì)（CISPR）提出的適用于雙極直流線路無線電干擾的計(jì)算公式［10-11］

式中：RI為距正極性導(dǎo)線D處的無線電干擾場強(qiáng)值，dB（μV/m）；gmax為導(dǎo)線表面最大場強(qiáng)，kV/cm；r為子導(dǎo)線半徑，cm；n為導(dǎo)線分裂數(shù)；D為距正極性導(dǎo)線的距離，m；ΔEf為干擾頻率修正項(xiàng)。

式（8）計(jì)算方法的前四項(xiàng)是在好天氣情況下，頻率為0.5 MHz，距正極導(dǎo)線20 m處的無線電干擾值。干擾頻率為0.5 MHz時(shí)，ΔEf=0，即0.5 MHz為基準(zhǔn)頻率；對(duì)于0.15～30 MHz的頻率段，ΔEf=5［1－2（lg10f）2］，式中f為測量頻率，MHz。

由圖2可知，對(duì)于80%時(shí)間概率、具有80%置信度［11］的無線電干擾場強(qiáng)值可在該值基礎(chǔ)上增加3～4 dB得到。

圖2 交流和直流送電線路的無線電干擾水平的累計(jì)分布

另外CISPR還指出：無線電干擾的橫向分布圖應(yīng)在高出地面2 m的某處確定，該處與邊導(dǎo)線對(duì)地投影的距離不得超過200 m，超過這一距離，無線電干擾則可以忽略不計(jì)。

2.2 可聽噪聲的限值及計(jì)算

可聽噪聲的限值，我國相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)有：GB3096—1993《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》，GB12348—1990《工業(yè)企業(yè)廠界噪聲標(biāo)準(zhǔn)》等，都是以同一范圍區(qū)域劃分規(guī)定噪聲標(biāo)準(zhǔn)。這些噪聲標(biāo)準(zhǔn)分白晝和夜間兩個(gè)水平，以適用于居住、商業(yè)、工業(yè)混雜區(qū)標(biāo)準(zhǔn)為例：夜間50 dB，白晝60 dB。按國家噪聲標(biāo)準(zhǔn)，特高壓輸電線路的可聽噪聲不應(yīng)超過55 dB［12］。

直流輸電線路可聽噪聲的來源主要是正極性導(dǎo)線，可聽噪聲的計(jì)算可以利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

1）美國電力科學(xué)研究院（EPRI）推薦公式。

式中：gmax為導(dǎo)線最大表面場強(qiáng)，kV/cm；d為子導(dǎo)線直徑，cm；n為導(dǎo)線分裂數(shù)；D為正極性導(dǎo)線到計(jì)算點(diǎn)之間的距離，m；kn為導(dǎo)線分裂數(shù)修正項(xiàng)，當(dāng)n≥3時(shí)，kn=0 dB；當(dāng)n＝2時(shí)，kn＝2.6 dB；當(dāng)n=1時(shí)，kn＝7.5 dB。

式（9）計(jì)算的是夏季晴天可聽噪聲的50%值，適用于導(dǎo)體表面場強(qiáng)15 kV/cm＜E＜30 kV/cm、子導(dǎo)線直徑2 cm＜d＜5 cm以及導(dǎo)線分裂根數(shù)1＜n＜6的情況。春秋季節(jié)時(shí)的可聽噪聲可在此計(jì)算值的基礎(chǔ)上減小2 dB。

2）美國邦納維爾（BPA）推薦公式。

其中，deq=0.66n0.64d（n＞2）；deq=d（n=1，2）

式中：gmax為導(dǎo)線最大表面場強(qiáng)，kV/cm；d為子導(dǎo)線直徑，mm；D為正極性導(dǎo)線到計(jì)算點(diǎn)之間的距離，m；n為子導(dǎo)線根數(shù)。

因?yàn)楸疚乃?jì)算的可聽噪聲是最嚴(yán)重情況時(shí)的噪聲，而在夏季可聽噪聲的影響最為嚴(yán)重，因此在分析時(shí)可聽噪聲的計(jì)算使用EPRI推薦公式來計(jì)算。

3 線路結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)無線電干擾及可聽噪聲的影響

3.1 導(dǎo)線截面積及對(duì)地高度的影響

導(dǎo)線電壓±800 kV，極間距為22 m，分裂間距為0.45 m。可分別取6×LGJ-500/35型、6×LGJ-630/45型、6×LGJ-720/50型、6×LGJ-800/55型、6×LGJ-900/ 60型導(dǎo)線作為研究對(duì)象，利用逐步鏡像法計(jì)算導(dǎo)線表面最大場強(qiáng)，代入公式（8）和（9），計(jì)算不同導(dǎo)線方案對(duì)地高度在正極導(dǎo)線投影外20 m處無線電干擾及可聽噪聲曲線如圖3、圖4所示。

圖3 不同導(dǎo)線類型對(duì)地高度的無線電干擾值

從圖3和圖4可以看出，隨著子導(dǎo)線截面積的增加，無線電干擾和可聽噪聲有所減小；導(dǎo)線對(duì)地高度也是影響無線電干擾及可聽噪聲的主要因素，導(dǎo)線對(duì)地高度由16 m增加到22 m，RI的值減小2.5 dB左右；導(dǎo)線對(duì)地高度每增加2 m，可聽噪聲的值減小1 dB左右，有明顯的減小。

在特高壓直流輸電線路設(shè)計(jì)中，增加導(dǎo)線截面積，可作為一種改善電磁干擾的措施。

圖4 不同導(dǎo)線類型對(duì)地高度的可聽噪聲值

3.2 分裂間距的影響

針對(duì)6×LGJ-720/50型導(dǎo)線，不同分裂間距對(duì)無線電干擾及可聽噪聲的影響規(guī)律如圖5、圖6所示，導(dǎo)線對(duì)地距離h=18 m，極間距Dc=22 m。

圖5 不同分裂間距的無線電干擾

圖6 不同分裂間距的可聽噪聲

從圖中曲線可知，隨著分裂間距的變化，無線電干擾和可聽噪聲呈現(xiàn)U形變化，存在最小值，當(dāng)分裂導(dǎo)線在分裂間距為35 cm左右時(shí)，RI和AN的值最小。

在特高壓直流輸電線路設(shè)計(jì)中，針對(duì)不同的子導(dǎo)線，選擇合適的分裂間距使得導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度達(dá)到最小，做到有效的降低無線電干擾和可聽噪聲。

3.3 導(dǎo)線分裂數(shù)的影響

針對(duì)導(dǎo)線LGJ-720/50，不同導(dǎo)線分裂數(shù)對(duì)無線電干擾及可聽噪聲的影響規(guī)律如圖7、圖8所示，導(dǎo)線對(duì)地距離h=18 m，極間距Dc=22 m，分裂間距Sc=0.45 m。

圖7 不同導(dǎo)線分裂數(shù)的無線電干擾

圖8 不同導(dǎo)線分裂數(shù)的可聽噪聲

從圖7中曲線可知，隨著導(dǎo)線分裂數(shù)的增加，無線電干擾水平和可聽噪聲水平明顯降低。當(dāng)分裂數(shù)由4增加到5時(shí)，正極投影20 m處的無線電干擾水平降低10 dB左右；但是當(dāng)分裂數(shù)大于6后，繼續(xù)增加分裂數(shù)，線路的無線電干擾水平改善并不明顯。從圖8可知，當(dāng)導(dǎo)線分裂數(shù)由4增加到6時(shí)，可聽噪聲的水平由54 dB減小到43 dB左右，但是當(dāng)分裂數(shù)大于6之后，繼續(xù)增加分裂數(shù)，線路的可聽噪聲沒有明顯改變。因此，增加導(dǎo)線分裂數(shù)是控制電磁干擾的有效措施。

4 結(jié)語

增加導(dǎo)線截面積可以有效減小RI及AN的值，算例分析中的各種導(dǎo)線類型計(jì)算的RI和AN均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

增大導(dǎo)線對(duì)地高度、分裂間距及導(dǎo)線分裂數(shù)是降低無線電干擾和可聽噪聲水平的有效措施，對(duì)RI及AN的影響最為顯著的是導(dǎo)線分裂數(shù)的改變。

對(duì)于±800 kV特高壓直流線路，導(dǎo)線各參數(shù)對(duì)RI及AN的影響有著近似相同的變化關(guān)系。

［1］楊力.特高壓輸電技術(shù)［M］.北京：中國水利水電出版社，2011.

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Research of Electromagnetic Interference for±800 kV UHVDC Transmission Line

Under normal voltage operation DC transmission line allows a certain degree of corona discharge，which causes corona loss and leads to radio interference and audible noise.This paper analyses the radio interference and audible noise of±800 kV UHV dc transmission lines，using successive image method to calculate the conductor surface voltage gradient，analyzing the calculation methods of radio interference and audible noise，and compiling calculation program.The calculation results show that the radio interference and audible noise level are reduced by the conductor cross section，conductor height，bundle spacing and split conductor number.

UHVDC；corona discharge；successive image method；radio interference；audible noise

TM721

：B

：1007－9904（2014）01－0034－05

2013-10-22

張慶輝（1974—），男，工學(xué)博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)及應(yīng)用、電子信息科學(xué)、電力系統(tǒng)自動(dòng)化等；

齊亞紅（1988—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘馗邏狠旊娋€路電磁環(huán)境。