高海拔地區(qū)大截面導(dǎo)線束的無線電干擾特征研究*

萬保權(quán) 馮 華 何旺齡 豐 佳 李有春

(1.中國電力科學(xué)研究院電網(wǎng)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江 杭州 310007；3.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003；4.國網(wǎng)金華供電公司，浙江 金華 321000)

我國青藏高原地區(qū)太陽能、風(fēng)能等新能源儲量豐富，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模清潔能源開發(fā)和遠(yuǎn)距離輸送，是保證碳達(dá)峰、碳中和“30·60目標(biāo)”的重要方案，國家電網(wǎng)有限公司明確提出將加快以輸送清潔能源為主的輸電通道建設(shè)。因此，未來在高海拔地區(qū)進(jìn)一步建設(shè)特高壓輸電線路勢在必行。然而，人們在享受遠(yuǎn)距離電力傳輸利益的同時(shí)也承受著電磁對人類健康的危害和對環(huán)境的污染。電磁輻射污染成為繼廢水、廢氣、固廢、噪聲污染之后的又一大影響居民身體健康的重要污染源[1-2]。聯(lián)合國人類環(huán)境會(huì)議已將電磁污染列為環(huán)境保護(hù)項(xiàng)目之一。當(dāng)輸電線路的導(dǎo)線運(yùn)行電壓等級提高時(shí)，導(dǎo)線表面場強(qiáng)會(huì)高于起暈場強(qiáng)發(fā)生電暈放電現(xiàn)象，產(chǎn)生電暈損失、可聽噪聲和無線電干擾等環(huán)境影響[3]，進(jìn)而影響鄰近無線電設(shè)施及軍用臺站的正常工作及線路周圍居民健康[4]。因此，國家對于輸電線路的無線電干擾水平有明確的限值標(biāo)準(zhǔn)[5-6]。

高海拔地區(qū)空氣密度小，分子間平均自由程大，導(dǎo)線更容易發(fā)生電暈放電現(xiàn)象，對外輻射的無線電干擾強(qiáng)度也更大[7]。惡劣環(huán)境下，尤其是降雨條件下，導(dǎo)線表面的雨滴會(huì)導(dǎo)致場強(qiáng)發(fā)生畸變，加劇放電強(qiáng)度[8]。在相同運(yùn)行電壓條件下，大截面多分裂導(dǎo)線能夠有效降低導(dǎo)線表面場強(qiáng)，進(jìn)而降低線路電暈效應(yīng)問題。因此，研究高海拔地區(qū)降雨條件下的大截面分裂導(dǎo)線束的電暈放電干擾無線電的特征對于高海拔地區(qū)交流輸電線路選型至關(guān)重要。

關(guān)于高海拔地區(qū)交流輸電線路的無線電干擾問題，CHARTIER等[9]230通過長期測試一條海拔1 953 m的500 kV同塔雙回線路，并對比相似線路的低海拔實(shí)測數(shù)據(jù)，提出了1/300 dB/m的無線電干擾海拔修正系數(shù)。與其同時(shí)，南非電力公司也開展了海拔1 600 m和海平面高度交流線路的導(dǎo)線電暈籠試驗(yàn)，認(rèn)為1/300 dB/m的海拔修正可以接受[10]。國內(nèi)學(xué)者在2013年利用可移動(dòng)式電暈籠在我國湖北武漢(海拔23 m)、甘肅靖遠(yuǎn)(海拔1 408 m)、青海西寧(海拔2 261 m)、青海共和(海拔2 943 m)以及西藏羊八井(海拔4 300 m)對不同分裂導(dǎo)線束進(jìn)行了不同海拔的無線電干擾測量，提出了基于海拔高度的非線性修正方法[11]，為高海拔輸電線路的建設(shè)提供了一定技術(shù)支持。此外，有部分學(xué)者研究了單點(diǎn)放電、交直流細(xì)導(dǎo)線等條件下無線電干擾與電暈放電脈沖的關(guān)系，能夠較好地反映無線電干擾產(chǎn)生機(jī)理和表現(xiàn)特性[12]。然而，上述研究中采用的可移動(dòng)式電暈籠長度及截面較小，空氣間隙裕度較小，難以有效測量大截面分裂導(dǎo)線束在不同降雨量條件下的無線電干擾特性。大氣參數(shù)對空氣間隙放電特性的影響十分復(fù)雜，電暈放電過程涉及復(fù)雜的電磁、熱力、光電學(xué)過程，且伴有許多隨機(jī)性因素，導(dǎo)致建立科學(xué)準(zhǔn)確的仿真模型相對困難。當(dāng)前微觀機(jī)理研究大多采用細(xì)銅絲或者單根細(xì)絞線進(jìn)行小電暈籠試驗(yàn)，而實(shí)際輸電線路主要采用多分裂鋼芯鋁絞線，空間尺度大，導(dǎo)線表面狀態(tài)復(fù)雜，現(xiàn)有物理模型尚不能擴(kuò)展至實(shí)際交流線路的無線電干擾預(yù)測。

綜合而言，國外在進(jìn)行不同海拔無線電干擾研究時(shí)，測點(diǎn)相對較少，導(dǎo)線類型單一，且導(dǎo)線截面和分裂數(shù)都較小，海拔2 000 m以上數(shù)據(jù)非常稀少。國內(nèi)研究雖然討論了不同海拔對線路無線電干擾的影響規(guī)律，對于前期高海拔地區(qū)線路建設(shè)起到了重要的支撐作用，但涉及多分裂、大截面導(dǎo)線較少，且沒有細(xì)化研究不同降雨量對線路放電干擾無線電的影響規(guī)律?？紤]到高海拔、降雨等環(huán)境氣候和天氣條件對于線路電暈放電和無線電干擾具有強(qiáng)烈的影響，本研究利用青海高海拔(2 261 m)特高壓交流電暈籠測量系統(tǒng)，對3種大截面多分裂導(dǎo)線(型號分別為8×LGJ720、8×LGJ900、10×LGJ720)在不同降雨量條件下的無線電干擾特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，討論了不同導(dǎo)線表面場強(qiáng)、不同降雨量對線路無線電干擾的影響規(guī)律，研究結(jié)果對于高海拔地區(qū)輸電線路電磁污染控制和環(huán)境保護(hù)具有技術(shù)支撐作用。

1 電暈籠測量系統(tǒng)

1.1 高海拔特高壓交流電暈籠

電暈籠具有投資小，更換導(dǎo)線以及調(diào)整導(dǎo)線結(jié)構(gòu)方便，試驗(yàn)時(shí)可以有效控制導(dǎo)線表面場強(qiáng)和氣候環(huán)境條件等優(yōu)點(diǎn)，為此本研究采用電暈籠系統(tǒng)對不同型式分裂導(dǎo)線的電暈特性進(jìn)行測量。由于真型導(dǎo)線試驗(yàn)，特別是6分裂及以上的導(dǎo)線束，需要更高的加壓電源，良好的設(shè)備絕緣，因此大尺寸的電暈籠才能有效復(fù)現(xiàn)實(shí)際導(dǎo)線的運(yùn)行狀態(tài)。本研究建立的電暈籠長度35 m，橫截面為8 m×8 m，電暈籠配備3套導(dǎo)線連接金具，可分別組裝1～12分裂的分裂導(dǎo)線(見圖1)。電暈籠試驗(yàn)電源為額定容量400 kV·A、額定電壓800 kV的單相交流試驗(yàn)變壓器，采用無暈導(dǎo)線引入，最高可模擬交流1 500 kV電壓等級的實(shí)際導(dǎo)線電暈情況。電暈籠測試系統(tǒng)內(nèi)配備淋雨裝置，可進(jìn)行不同降雨量條件下的導(dǎo)線電暈效應(yīng)試驗(yàn)，用于分析不同降雨量對導(dǎo)線電暈效應(yīng)的影響。電暈籠淋雨裝置由淋雨噴頭、送水管路、大小閥門、過濾器、止回閥、潛水泵和遠(yuǎn)方的變頻控制柜、閉環(huán)控制模塊等組成。降雨量可以通過閥門和變頻器控制進(jìn)行調(diào)整，降雨量在1.5～50.0 mm/h內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

圖1 高海拔特高壓交流電暈籠Fig.1 The high altitude ultra-high-voltage corona cage

1.2 試驗(yàn)導(dǎo)線類型

本次試驗(yàn)采用3種類型的大截面鋼芯鋁絞線，導(dǎo)線型號分別為8×LGJ720、8×LGJ900、10×LGJ720。導(dǎo)線型號及子導(dǎo)線直徑見表1?？紤]到在子導(dǎo)線直徑或?qū)Ь€分裂數(shù)相同的情況下，導(dǎo)線分裂間距對線路無線電干擾激發(fā)函數(shù)的影響很小[9]235，本次試驗(yàn)固定導(dǎo)線分裂間距為400 mm。

表1 試驗(yàn)導(dǎo)線類型

1.3 試驗(yàn)條件及測量回路

在本次試驗(yàn)中，測量時(shí)環(huán)境溫度在16～25 ℃，風(fēng)速不超過3 m/s。試驗(yàn)過程中，分別在降雨量為0(干燥狀態(tài))、1.5、2.0、6.0、12.0、18.0 mm/h等不同條件下的導(dǎo)線無線電干擾特性進(jìn)行測試。

無線電干擾測量系統(tǒng)包括高壓耦合電容(Cc)、測量回路以及無線電干擾接收機(jī)(見圖2)。無線電干擾電壓主要通過FSH4頻譜分析儀(德國Rohde & Schwarz公司)測量，測量頻率參照國際無線電干擾委員會(huì)(CISPR)的建議選取0.5 MHz；采用HOBO小型氣象觀測站(美國Onset公司)進(jìn)行環(huán)境參數(shù)測量，包括氣壓、降雨量、風(fēng)速等。降雨量傳感器測量分辨率為0.2 mm/h，最大量程為100 mm/h。

圖2 無線電干擾測量系統(tǒng)Fig.2 Schematic of radio interference measurement system

2 數(shù)據(jù)測量與分析

2.1 導(dǎo)線表面場強(qiáng)

試驗(yàn)過程中，為了便于比較試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通常以導(dǎo)線表面場強(qiáng)作為主要參考變量。以導(dǎo)線10×LGJ720為例，對其在電暈籠中1 kV施加電壓下的場強(qiáng)分布進(jìn)行測定，結(jié)果見圖3。由圖3可知，由于內(nèi)部屏蔽效應(yīng)，分裂導(dǎo)線束每個(gè)子導(dǎo)線表面的場強(qiáng)分布并不均勻。因此，需要提取不同子導(dǎo)線表面的最大場強(qiáng)進(jìn)行平均，作為導(dǎo)線表面場強(qiáng)的參考量。

圖3 電暈籠中導(dǎo)線10×LGJ720在1 kV施加電壓下的場強(qiáng)分布Fig.3 Electric field distribution of 10×LGJ720 in corona cage with the voltage of 1 kV

2.2 不同場強(qiáng)下的無線電干擾水平

通過調(diào)節(jié)電暈籠中施加電壓改變導(dǎo)線表面場強(qiáng)，經(jīng)計(jì)算，電暈籠施加電壓分別為262.5、315.0、367.5、412.0 kV時(shí)，導(dǎo)線表面場強(qiáng)分別為10、12、14、16 kV/cm，對3種大截面分裂導(dǎo)線束在不同表面場強(qiáng)和降雨量條件下的無線電干擾水平進(jìn)行了測量，結(jié)果見圖4?？梢钥闯?，隨著導(dǎo)線表面場強(qiáng)的增加，3種大截面分裂導(dǎo)線束的無線電干擾水平均呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢。但是隨著表面場強(qiáng)的增大，無線電干擾增加量總體有所減小，這主要是由于導(dǎo)線電暈放電較為劇烈時(shí)，存在一定的放電飽和效應(yīng)所導(dǎo)致。當(dāng)降雨量保持在1.5 mm/h，導(dǎo)線表面場強(qiáng)從10 kV/cm增加到12 kV/cm時(shí)，8×LGJ720、8×LGJ900、10×LGJ720的無線電干擾增量分別為10.8、10.6、11.9 dB，但是當(dāng)表面場強(qiáng)從14 kV/cm增加到16 kV/cm時(shí)，無線電干擾增量分別為6.7、5.7、5.5 dB。

圖4 大截面分裂導(dǎo)線束在不同表面場強(qiáng)和降雨量下的無線電干擾水平Fig.4 Radio interference level of three types of large section conductor bundles in different field strength and rain rate conditions

此外，通過對比不同降雨量條件下導(dǎo)線無線電干擾水平可以發(fā)現(xiàn)，8×LGJ720在10、12 kV/cm的低表面場強(qiáng)條件下，導(dǎo)線無線電干擾隨著降雨量增加呈現(xiàn)出近似線性增加的趨勢。導(dǎo)線表面場強(qiáng)為12 kV/cm時(shí)，當(dāng)降雨量從1.5 mm/h增至12.0 mm/h，無線電干擾水平增加了9.7 dB。但當(dāng)場強(qiáng)為14、16 kV/cm，降雨量≥2.0 mm/h時(shí)，降雨量對無線電干擾的影響相對較小。

對于8×LG900、10×LGJ720，導(dǎo)線表面場強(qiáng)為10、12、14 kV/cm時(shí)，降雨量從0 mm/h增加到2.0 mm/h，無線電干擾呈現(xiàn)增大趨勢；當(dāng)降雨量>2.0 mm/h，場強(qiáng)≥12 kV/cm時(shí)，降雨量對于無線電干擾的影響很小。

綜上可知，隨著導(dǎo)線表面場強(qiáng)的增大，導(dǎo)線表面電暈放電強(qiáng)度增大，由此產(chǎn)生的無線電干擾水平也明顯增加，但當(dāng)導(dǎo)線表面場強(qiáng)足夠大時(shí)，導(dǎo)線表面的電暈放電點(diǎn)呈現(xiàn)出一定程度的飽和趨勢從而導(dǎo)致增量逐漸減小。同樣，在強(qiáng)降雨?duì)顟B(tài)和高表面場強(qiáng)條件下，導(dǎo)線表面電暈放電劇烈，且呈現(xiàn)出飽和趨勢，因此降雨量增加對無線電干擾水平的影響明顯減弱。此外，由于導(dǎo)線表面的電暈放電點(diǎn)具有一定的排斥性，某一放電點(diǎn)周圍非常近的區(qū)域放電程度會(huì)明顯減弱，該因素也會(huì)對無線電干擾的變化區(qū)域有一定影響。

試驗(yàn)的過程中，本研究利用紫外成像對導(dǎo)線表面的放電情況進(jìn)行了拍攝，選取10×LGJ720在14 kV/cm條件下的紫外放電圖為例(見圖5)，可以看出干燥條件下導(dǎo)線表面的電暈放電主要集中于一個(gè)特定區(qū)域且放電劇烈，該區(qū)域可能存在導(dǎo)線傷痕或者表面較為粗糙。而降雨條件下，由于雨滴的作用使得導(dǎo)線表面的電暈放電點(diǎn)呈現(xiàn)出相對比較均勻的情況。由此可知，盡管導(dǎo)線在干燥和降雨條件下的無線電干擾水平類似，但是放電形態(tài)明顯不同。

圖5 導(dǎo)線10×LGJ720在14 kV/cm下的紫外放電Fig.5 Ultraviolet discharge image of 10×LGJ720 with the electric field intensity of 14 kV/cm

3 結(jié)論與建議

利用海拔2 261 m的特高壓交流電暈籠，對8×LGJ720、8×LGJ900、10×LGJ720共3種大截面分裂導(dǎo)線束的無線電干擾特性開展了試驗(yàn)研究。對于8×LGJ720，導(dǎo)線表面場強(qiáng)在10、12 kV/cm時(shí)，無線電干擾水平隨著降雨量的增大呈現(xiàn)出近似線性增大的趨勢。對于8×LGJ900、10×LGJ720，當(dāng)降雨量>2.0 mm/h，表面場強(qiáng)≥12 kV/cm時(shí)，雨量對于無線電干擾的影響很小。盡管導(dǎo)線在干燥和降雨條件下無線電干擾值較為接近，但是表面電暈放電的形態(tài)存在不同。

根據(jù)測量數(shù)據(jù)，建議高海拔地區(qū)新能源外送通道建設(shè)導(dǎo)線選型時(shí)，當(dāng)降雨量>2.0 mm/h、表面場強(qiáng)≥12 kV/cm時(shí)，推薦使用8×LGJ900、10×LGJ720導(dǎo)線，其無線電干擾水平平滑度較好，對環(huán)境的干擾更加緩和；當(dāng)導(dǎo)線表面場強(qiáng)<12 kV/cm、降雨量<2.0 mm/h時(shí)，推薦使用8×LGJ720，其無線電干擾水平相對較低，投資成本小。