±1 500 kV特高壓直流輸電線路電磁環(huán)境指標計算

柏曉路 ，周成均 ，劉利林，岳 浩 ，張 瑚 ，呂健雙

(1. 中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071；2. 中國能建工程研究院高壓直流技術研究所，湖北 武漢 430071；3. 南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院有限責任公司，廣東 廣州 510663)

0 引言

為了滿足長距離大容量輸電需求，國內(nèi)特高壓直流輸電線路工程迅猛發(fā)展[1-5]。截至2020年底，我國已建成投運15條±800 kV特高壓直流線路和1條±1 100 kV特高壓直流線路。

隨著“一帶一路”倡議的實施，中國特高壓直流輸電技術向國外輸出的步伐加快，未來電網(wǎng)將向跨國、跨洲聯(lián)網(wǎng)方向發(fā)展。從超遠距離輸電、超大容量輸電和減小輸電走廊等需求考慮，均有發(fā)展更高電壓等級輸電技術的趨勢。綜合技術實施的可行性，在現(xiàn)有直流電壓等級基礎上外推，初步選定±1 500 kV為更高的直流輸電電壓等級[6-7]。

國內(nèi)外尚沒有±1 500 kV特高壓直流輸電線路的設計經(jīng)驗，進行±1 500 kV直流輸電線路電磁環(huán)境研究，可以為±1 500 kV特高壓直流輸電線路建設提供基礎性、理論性支撐。本文在確定±1 500 kV特高壓直流輸電線路電磁環(huán)境限值后，按照基本計算條件，圍繞電場效應、磁場效應、無線電干擾和可聽噪聲這四個方面，對±1 500 kV特高壓直流輸電線路的電磁環(huán)境進行研究，得到不同海拔高度情況下導線型式、極間距和最小對地距離的推薦方案。

1 電磁環(huán)境限值

目前，國內(nèi)外沒有明確±1 500 kV直流輸電線路的電磁環(huán)境限值要求，可以借鑒±800 kV和±1 100 kV直流輸電線路限值要求，具體標準[8-9]如下：

1)地面合成電場強度(以下簡稱“合成場強”)、離子流密度限值詳見表1。

表1 合成場強和離子流密度限值

2)直流磁場：線下的磁感應強度不應超過10 mT。

3)無線電干擾：海拔在1 000 m及以下時，距正極導線對地投影20 m處、80%時間、80%置信度、0.5 MHz時的無線電干擾值不應超過58 dB(μV/m)。

4)可聽噪聲：海拔在1 000 m及以下時，距正極導線對地投影20 m處，可聽噪聲50%值(L50)不應超過45 dB(A)；海拔在1 000 m以上且經(jīng)過人煙稀少地區(qū)時，可聽噪聲可放松至50 dB(A)以下。

2 基本計算條件

系統(tǒng)和線路基本參數(shù)[10]如下：計算電壓為±1 500 kV，最高電壓為±1 530 kV，額定電流為6～8 kA，導線最低對地高度為33 m，導線平均對地高度為39 m，導線極間距為20～40 m，地線型號為JLB20A-350，地線最低對地高度為69 m，海拔為1 000 m。

目前，±800 kV直流線路導線一般采用6～8分裂，導線截面取630～1 250 mm2；±1 100 kV直流線路導線一般采用8分裂，導線截面取1 250 mm2。根據(jù)特高壓直流線路設計經(jīng)驗，±1 500 kV直流線路擬選擇10～14分裂的導線型式作為參選導線方案，詳見表2。

表2 參選導線方案

3 電磁環(huán)境指標計算

3.1 電場效應

確定導線表面場強是研究直流線路電場效應的先決條件，常用的導線表面場強計算方法有馬克特—門格爾(Market and Mengele)法、模擬電荷法和逐步鏡像法等。其中：馬克特—門格爾法計算簡便，其精度一般可以滿足工程計算的要求，但不能準確反映分裂子導線表面電場強度；逐步鏡像法和模擬電荷法計算精度高，需要借助計算機完成計算。本次研究采用模擬電荷法計算導線表面場強。

直流輸電線路合成電場由靜電場和空間電場組成，其計算方法有半經(jīng)驗公式法、解析法、有限元法等，本次研究采用有限元法。

直流線路離子流場的計算方程為：

式中：Φ為合成場電位，V；φ為標稱場電位，V；E′為標稱場電場強度，V/m；ξ為合成場強與標稱場強比例系數(shù)；ρ＋、ρ－為正離子和負離子密度，C/m3；Ri為離子復合系數(shù)，m3/s；μ＋、μ－為正離子和負離子的遷移率，即單位場強下離子的運動速度，(cm/s)/(V/m)；ε0為介電常數(shù)；e為單位電荷。

計算導線表面場強、地面標稱場強、晴天合成場強和離子流密度的最大值列于圖1～圖4。

圖1 不同極間距下的導線表面場強最大值

圖2 不同極間距下的地面標稱場強最大值

圖3 不同極間距下的地面合成場強最大值

圖4 不同極間距下的地面離子流密度最大值

由圖1～圖4可知，隨著極間距的增加，導線表面場強緩慢減小，地面標稱場強一直呈增大趨勢；地面合成場強和離子流密度先呈現(xiàn)增大趨勢，當極間距增加到一定程度后，地面合成場強基本不變化，而地面離子流密度反而減小。

極間距對地面合成場強值影響有限，當選擇合適的導線型式時，地面合成場強不是±1 500 kV直流輸電線路極間距選擇的控制因素；地面離子流密度值滿足限值要求，不控制±1 500 kV直流輸電線路設計。

3.2 磁場效應

直流線路磁場是一恒定磁場，磁場強度決定于導線中的電流值[11]。計算導線電流為8 kA，導線對地距離為33 m，極間距為30 m時的磁場分布，如圖5所示。

圖5 磁感應強度分布圖

由圖5可知，磁感應強度最大值約為44 m，遠低于規(guī)程要求，±1 500 kV直流線路磁感應強度指標不受控。

3.3 無線電干擾

直流線路的無線電干擾可以利用經(jīng)驗公式估算，這些公式是根據(jù)已運行或試驗線路的測量成果歸納得到的，一般采用國際無線電干擾特別委員會(International Special Committee on Radio Interference，CISPR)經(jīng)驗公式。

CISPR推薦的適用于雙極直流輸電線路無線電干擾值RI的計算公式為：

式中：gmax為導線表面場強最大值，kV/cm；r為導線半徑，cm；n為導線分裂數(shù)；Dr為正極導線與計算點的距離，m；ΔEw為氣象修正項，按1 km增加3.3 dB修正；ΔEf為干擾頻率修正項，Δ Ef= 5[1-2lg2(10f )]；f為所需計算的頻率，MHz。

式(2)計算的是晴天、50%概率的無線電干擾值。80%時間、80%置信度無線電干擾值則應比該值偏大3 dB(μV/m)。

計算正極導線外20 m處的導線無線電干擾值，計算結果列于圖6。由圖6可知，隨極間距和導線截面的增大，無線電干擾值呈減趨勢。不同導線方案的無線電干擾值均低于限值要求，無線電干擾不是±1 500 kV直流輸電線路設計的制約因素。

圖6 不同極間距下無線電干擾值

3.4 可聽噪聲

直流線路的可聽噪聲可以利用經(jīng)驗公式估算，這些公式是根據(jù)已運行或試驗線路的測量成果歸納得到的，最常用的預估計算公式是美國邦納維爾電力局(Bonneville Power Administration，BPA)和美國電力科學研究院(Electric Power Research Institute，EPRI)公 式，本次研究采用常用的EPRI經(jīng)驗公式。

EPRI總結的直流線路可聽噪聲AN計算公式為：

式中：gmax為導線表面最大電場強度，kV/cm；d為子導線直徑，cm；n為導線分裂數(shù)；RP為正極導線與計算點的距離，m；kn為修正項，當n≥3時，kn=0；當n=2時，kn=2.6 dB；當n=1時，kn=7.5 dB。

計算正極導線外20 m處的導線可聽噪聲值，計算結果詳見圖7。

圖7 不同極間距下可聽噪聲值

由圖7可知，隨著極間距和導線截面的增大，可聽噪聲值呈減小趨勢。極間距為30 m時，采用14、12、10分裂導線方案，導線截面分別不應小于 720 mm2、1 000 mm2和 1 400 mm2；極間距為32 m時，采用14、12、10分裂導線方案，導線截面分別不應小于720 mm2、1 000 mm2和1 250mm2。可見，可聽噪聲是±1 500 kV直流輸電線路設計的控制條件。

4 設計參數(shù)選擇

4.1 導線截面和極間距選擇

根據(jù)前述結論，可聽噪聲是±1 500 kV直流輸電線路設計的控制條件。在不同海拔和極間距情況下，計算不同導線的可聽噪聲值列于表3。

表3 不同極間距和海拔高度情況下可聽噪聲值 dB(A)

海拔低于2 000 m時，可聽噪聲按45 dB(A)的限值考慮，海拔在2 000～3 000 m之間時，可聽噪聲按人煙稀少地區(qū)50 dB(A)的限值考慮。為了便于施工和運維，盡量減少分裂根數(shù)和導線總截面，不同海拔高度情況下推薦的導線方案和極間距見表4。

表4 不同海拔高度情況下推薦的導線方案和極間距

由 表 4可 知，12×JL/G3A-1000/45和10×JL/G3A-1250/70導線方案的適用性較廣，宜作為推薦導線方案。在1 000～2 000 m海拔的情況下，通過增大極間距、提高導線對地高度等方法將可聽噪聲控制在限值內(nèi)。

4.2 導線最小對地距離選擇

一般來說，導線最小對地距離選擇的控制因素是雨天合成場強[12]。海拔在1 000 m及以下時，計算12×JL/G3A-1000/45和10×JL/G3A-1250/70兩種導線方案在不同導線對地距離情況下的地面合成場強最大值，其極間距分別取30 m和32 m，計算結果列于圖8和圖9。

圖8 不同對地距離下晴天地面合成場強最大值

圖9 不同對地距離下雨天地面合成場強最大值

由圖8和圖9可知，隨著導線最小對地距離的增大，地面合成場強呈減小趨勢。根據(jù)晴天、雨天地面合成場強計算成果得到相應導線推薦的最小對地距離，結果見表5。

表5 推薦的導線最小對地距離

5 結語

本文研究±1 500 kV特高壓直流輸電線路電磁環(huán)境計算，得到的主要結論如下：

1)隨著導線極間距的增加，地面標稱電場最大值一直呈增大趨勢；地面合成場強和離子流密度最大值先呈現(xiàn)增大趨勢，當極間距增加到一定程度后，地面合成場強最大值基本不變化，而地面離子流密度最大值反而減小。磁感應強度由線路中心向兩側(cè)逐漸減小，無線電干擾和可聽噪聲值隨導線截面和極間距的增大而減小。

2)地面離子流密度、磁場效應和無線電干擾不是±1 500 kV直流輸電線路設計的制約因素。

3)可聽噪聲是±1 500 kV直流輸電線路設計的控制條件。極間距為30 m時，采用14、12、10分裂導線方案，導線截面分別不應小于720 mm2、1 000 mm2和 1 400 mm2；極間距為32 m時，采用14、12、10分裂導線方案，導線截面分別不應小于720 mm2、1 000 mm2和1 250 mm2。

4)在不同海拔高度情況下，12×JL/G3A-1000/ 45和10×JL/G3A-1250/70導線方案的適用性較廣，可作為推薦導線方案，極間距分別取30 m和32 m。

5)一般非居民區(qū)和居民區(qū)的導線最小對地距離分別取33 m 和37 m。