±660 kV直流输电线路电磁环境研究

±660 kV直流输电线路电磁环境研究

邢超、李杰

国网山西省电力公司输电检修分公司

山西省太原市 030001

摘要：本文将直流输电线路进行二维简化，对其电磁环境的相关参量进行理论计算，并对上述两种钢芯铝绞线的地面合成电场及离子电流进行预估，结合相应的可听噪声指标，为直流输电线的设计高度提供合理建议。

关键词：±660 kV；直流输电线路；电磁环境

1 地面电场及离子电流密度

直流线路电晕放电所产生的电荷在空间形成电离区和极间区。电离区内电场强度很高，电子碰撞电离以电子崩的形式产生很多带电粒子，与导线极性相反的带电粒子向导线方向运动，最后进入导线或在导线表面被中和。极性相同的粒子背离导线运动，这样极间区充满了与导线同极性的离子。由于空间电荷本身产生电场，大大加强了由导线电荷产生的静电场 (又称标称电场) ，同时形成离子电流。地面场强的增加和离子电流的出现是直流输电线路电磁环境问题区别于交流线路的重要特征之一。

目前，由于直流输电线路线下离子电流场的仿真研究忽略电晕放电的瞬态过程，只考虑电晕放电产生电荷及电荷在空间中的分布问题，因此可用数值计算方法对直流输电线路离子电流场进行理论求解，从而得到电晕损失、地面合成电场强度和离子电流密度。

经过试验证明，电力线路产生的电场和离子电流强度对外部环境电场的影响比较小，直流线路产生的电场和离子电流一般通过理论计算和实验室验证，很难通过实际应用中的监测数据对比验证计算结果。本文对计算方案进行介绍，并在工程实际应用中开展监测和对比，监测数据仅作为验证结论的正确性，不作为验证计算的准确性依据。

2 计算方法

2.1 计算方程

将直流输电线路简化为二维结构，描述直流离子电流场特性主要方程如下:

泊松方程为

正/负电流密度方程为

电流连续性方程为

总电流密度方程为

式中:Φ为电势，V;ρ+、ρ-为正、负空间电荷密度，C/m2;j+、j-、j为正、负、总离子电流密度，A/m2;k+、k-为正、负离子迁移率，m2/Vs;W为风速，m/s;ε0为空气介电常数，其值为8.854×10-12F/m;e为电子电量，1.602×10-19C;R为离子复合系数。

空间电位Φ (或电场E) 、电荷密度ρ+、ρ-是空间坐标的函数，应使用以上公式 (1) — (4) 对两者进行求解。根据方程的非线性特征，实际求解相当困难，要引入各种假设对方程进行简化。

2.2 假设条件

1) 空间电荷存在于直流线路下的整个空间内，导线表面电晕放电形成的电离层与空间尺寸相比小很多，忽略此电离层的厚度。

2) 正、负离子迁移率k+、k-与电场强度无关，是常数。

3) 忽略空间电荷的扩散效应。

4) 起晕后导线表面电场强度维持在起晕场强 (KAptzov假设) 。

2.3 边界条件处理

地面和接地线电势Φ=0，输电线表面电势为直流输电系统标称电压。此外，确定电晕场分布还需要电场或电荷的边界条件，本算法使用KAptzov假设作为边界条件，即导线表面起晕后场强维持起晕场强。

正极附近

负极附近

2.4 计算流程

双极场中独立未知量有3个，这里选取Φ、ρ+、ρ-，将计算方程化简合并，得到:

其中

计算电场的基本过程是通过边界条件由泊松方程和式 (7) 、 (8) 计算未知量电位、正负电荷密度。可以先固定电荷密度分布，求出一定电荷密度分布下的空间电场，再固定空间电场，计算电荷密度分布，如此往复直到电场和电荷密度分布稳定。

3 塔型的选择

由于塔型不同，不同极性导线之间的距离也不相同，极间距离越小，不同极性导线之间的距离越近，因此导线的表面电场强度就会越高，电晕也就越严重，对线路下方的合成电场及离子电流密度起到一定的增强作用。另一方面，极间距离越小，正负离子电流之间的抵消作用就越明显，因而对合成电场及离子电流密度起到一个削弱作用。这两个因素哪一个占据主导地位，使用的两种导线型号应对比极简距离最大和最小塔型情况下的标称电场、合成电场和地面离子电流密度。

对于1×JL/LB1A-300/40导线，对应采用16Z31塔型 (极间距离最小) 和16Z32塔型 (极根据计算结果，对于1×JL/LB1A-300/40而言，采用极间距离更小的1型塔，线路下方的合成电场及离子电流密度更大。在干导线情况下，由于不同塔型的导线表面场强与起晕场强之差差别较大，地面合成电场及离子电流密度较大。在湿导线情况下，由于两个塔型都已经严重起晕，因此差别较小。

4 地面合成电场及离子电流的预估结果

4.1 1×JL/LB1A-300/40地面合成电场及离子电流预估

根据计算结果，由于在干导线情况下，导线最小对地高度由5m增加至7.5m，地面最大合成电场强度幅值由17.32k V/m下降至10.09k V/m，地面离子电流密度幅值由68.05n A/m2下降至17.57n A/m2;在湿导线情况下，导线最小对地高度由5m增加至7.5m，地面最大合成电场强度幅值由29.6k V/m下降至13.9k V/m，地面离子电流密度幅值由248.7n A/m2下降至30.3n A/m2，因此增加导线对地高度是降低地面电场强度及离子电流密度的有效途径。

根据上述计算结果，±660k V直流输电线路受电磁环境控制的导线最小对地高度实际上是由湿导线情况下地面离子电流密度确定。根据计算结果，导线最小对地高度需6m。为此，计算了导线最小对地高度为6m时的电磁环境。

输电线路产生的可听噪声小于31d B，远小于民房附近可听噪声40d B的限值要求。因此，线路由电磁环境控制的拆迁范围实际上由地面合成电场控制。以湿导线情况下地面合成电场强度不超过15k V/m为限，计算得到线路在不同对地高度下的拆迁范围。

4.2 1×JL/LB1A-630/45地面合成电场及离子电流预估

采用1×JL/LB1A-630/45地面合成电场，干导线情况下，导线表面最大电场强度小于起晕电场强度，线路并无电晕发生，地面离子电流密度为零。

根据计算结果，导线最小对地高度由3.5m增加至9m，地面最大合成电场强度由18.3k V/m下降至5.6k V/m，地面离子电流密度的下降幅度较地面合成电场更加迅速，由466.7n A/m2下降至14.6n A/m2。受到地面离子电流密度控制，导线最小对地高度需为5m。

5 结语

本文对直流输电线路电磁环境相关指标的计算方法进行了二维简化，根据假设条件进行边界条件处理，降低了实际计算难度。根据简化的计算方法，分别对两种钢芯铝绞线的地面电场强度和离子电流密度进行了预估，得到了干/湿导线离地面的最小高度，有利于工程实施中确定线路的拆迁范围。

参考文献

[1]付焱燚，徐溧，阴酉龙，等.±800 k V直流输电线路电磁场环境分析[J].黑龙江电力，2014，36 (2) :118-121.