直流输电线路电磁环境

直流输电线路电磁环境特高压直流输电的关键技术问题——电磁环境问题特高压超高压高压输电线路电磁环境备受关注随着特高压的发展，电网电压等级越来越高、线路输送容量越来越大，电网的电磁环境问题日益凸显坚强国家电网特高压直流输电的关键技术问题——电磁环境问题输电线路的电磁环境与输电线路电晕特性有关,线路电晕放电将产生电晕损失、无线电干扰和可听噪声等，对周围环境和线路运行会造成一定影响高压输电线路电磁环境备受关注随着电压等级越来越高，高压输电工程对环境的影响越来越受到人们关注，来自公众的阻力开始给电厂、变电所和线路走廊的选址带来许多困难，或者订出了许多严格的限制。环境影响已经成为决定输电工程设计施工及建设费用的重要因素直流输电线路的电磁环境问题是直流输电线路设计、建设和运行中必须考虑的重大技术问题改善直流线路电磁环境电晕及电晕损失直流电场可听噪声无线电干扰雷电与空气间隙放电机理基础理论改善直流线路电磁环境电晕及电晕损失直流电场可听噪声无线电干扰雷电与空气间隙放电机理基础理论改善直流线路电磁环境电晕及电晕损失直流电场可听噪声无线电干扰雷电与空气间隙放电机理基础理论改善直流线路电磁环境电晕损失直流电场可听噪声无线电、电视干扰有效的控制电晕直流输电线路电磁环境参数主要包括直流合成电场、离子流、直流磁场、无线电干扰(包括电视干扰)和可听噪声等。主要由合成场强、离子电流密度、磁场强度、无线电干扰水平和可听噪声水平来表征。单位分别是kV/m、nA/m、mT、dBμV/m和dBA。从频率上说，覆盖了0~106Hz的范围。1直流线路电晕1.1直流线路电晕的特点1.2直流线路导线起晕临界电场强度1.3导线表面电场强度计算及影响因素1直流线路电晕线路电晕是指导线表面的电位梯度超过一定临界值后，引起导线周围的空气电离所产生的一种放电现象.1.1直流线路电晕的特点由于导线电压极性是固定的，在两极导线电晕产生的带电离子中，和导线极性相反的离子被拉向导线，而与导线极性相同的离子将背离导线，朝异极性导线和地面运动，这样两极导线间以及极导线与大地间的整个空间里充满带电离子。直流线路电晕导线电压极性周期性的改变，正半周期被导线排斥的带电离子负半周又几乎全部被拉了回来，带电离子只能在导线周围来回振荡，空间几乎不存在游动的带电离子。交流线路电晕+-+++++++++++++++++++--------------++---------1直流线路电晕+-+++++++++++++++++++--------------++---------1.1直流线路电晕的特点带电离子的运动——电晕电流，造成能量损失——电晕损失空间电荷——直流线路电场效应电晕会产生高频脉冲电流，其中还包含着许多高次谐波——无线电、电视的干扰。电离、复合伴随有声、光、热等效应——可听噪声1直流线路电晕1.2直流线路导线起晕电场强度皮克通过大量的试验给出了线路的起晕场强计算公式：cmkVrmEc/)301.01(*30式中：r—导线半径(cm)；m——反映导线表面状况的粗糙系数，对于直流线路的m值，一般为0.40~0.60之间；δ—空气的相对密度，δ=0.00289p/(273+t),p为大气压，单位为Pa，t为摄氏温度，单位为℃1直流线路电晕1.3导线表面场强电场强度输电线路电晕将会造成电晕损失、直流电场效应、无线电干扰和可听噪声等几方面后果。而直流线路电晕放电的严重程度直接和导线表面电场强度的大小，特别是表面最大电场强度有关。（1）国际大电网会议和无线电干扰委员会—等效半径法：（2）经验计算公式单极性线路双极分裂导线U-导线电压；D-各子导线中心的圆的直径；n-分裂导线的根数；d-子导线的直径；B-分裂系数；H-极导线对地距离；Re分裂导线等效半径；r-子导线半径；max2(1)2lneUBEHndRmax[1(1)]QdEnndDmax2111(1)22ln(()1)()NNrNREUHHNrsNrR不能计算子导线的表面场强更为准确的计算分裂导线表面场强的方法有逐步镜像法、模拟电荷法、矩量法等1直流线路电晕1.4导线表面场强影响因素输电线路电晕的主要效应包括无线电干扰、可听噪声和电晕损失，这些效应的严重程度主要取决于两方面的因素：（1）线路结构；（2）气候条件。其中体现线路结构的因素主要有：导线结构，包括分裂数和子导线直径；极导线间距（直流）；导线对地高度，影响导线电晕放电的最主要因素是导线表面场强。由于特高压输电线路的电压比超高压的高，导线电荷量比超高压的大，为了使特高压输电线路的表面场强与超高压线路的相当，需要导线的分裂数更多，子导线的截面更大。2直流线路电晕损失2.1直流线路电晕损失特点2.2直流电晕损失计算公式及影响因素2直流线路电晕损失2.1直流线路电晕损失特点直流线路电晕损失是选择导线截面和分裂数的重要考虑因素之一，电晕损失数据也为线路合理、经济的运行提供依据。1）直流输电线路雨天时电晕损失的增加要比交流线路小很多，交流线路雨天电晕损失比晴天大很多，最大可增大50倍；而直流线路最多只增大10倍。直流线路雨天平均电晕损失，约为晴天的2~4倍；2）导线表面电场强度一定时，不论是雨天或晴天，直流电晕损失随分裂导线根数的增加而增加；3）在风速0-10m/s的范围内，直流电晕损失通常将随风速的增加而增加；4）在给定电压下，双极性每一极的电晕损失一般是单极性电晕损失的1.5~2.5倍；5）在给定电压下，不论是双极还是单极运行，正极性与负极性电晕损失大致相等。2直流线路电晕损失2.2直流线路电晕计算公式1）皮克法U-导线对地电压；s-极间距离；r‘-电晕等效半径；2）安乃堡（Anneberg）法单极线路好天气下损失：双极线路好天气下损失：Kc-导线表面系数；n-子导线数；r-子导线半径；gmax-表面最大场强；g0=22δ；δ相对空气密度；3）巴布克夫法,,25,123(29.80.47ln)10(/)1.04rsPUrkWkmsr00.25()3210(/)ggcPUKnrkWkmmax00.25()3[2(1)2]10(/)ggcPUKKnrkWkm1202.2410()(/)UUPUkWkms22arctan()HKs线路电晕损失大小除了取决于线截面、分裂数、极间距离等参数外，还取决于导线表面状况及气象条件。实际上要完全消除电晕是不可能的，尘土、昆虫、水滴和表面不平等都会产生高场强点，从而导致电晕。为了确保输电线路的建设和年运行费用经济合理，线路设计者应合理选择导线结构，使电晕损失控制到合理范围。3直流线路电场效应3.1空间电场与离子电流分布3.2人在直流线路下活动的感受和效应3.3合成电场与离子电流计算3.4合成电场和离子电流的测量3.5减小直流特高压线路空间场强的措施3直流线路电场效应3.1空间电场与离子电流分布直流线路下的空间电场是由两部分组成：静电场+空间电荷产生的电场=合成电场合成电场的大小主要取决于绝缘导线电晕放电的严重程度。合成电场的最大值出现在极导线外侧1-2m处。合成场强的最小值为0，即极导线中心；由于正负离子在电场下的迁移速度和风速相比，属同一数量级，在风速下，合成场强会向顺风方向发生畸变。+-+++++++++++++++++++--------------++---------图3-2理想情况下合成场强分布图3-1双极直流线路电场线分布3直流线路电场效应3.2人在直流输电线下活动的感受和效应（1）人在高压直流电场下的感受人体感受程度母线电压（kV）相应场强（kV/m）头皮有较轻微刺激感40022头皮有刺激感，耳朵和毛发有轻微感觉50027头皮有强烈刺痛感60032脸和腿有感觉75040表1直流母线下受试者的综合评价3直流线路电场效应3.2人在直流输电线下活动的感受和效应（2）人截获离子电流的感受—稳态电击人站立在直流输电线下，若站立处原来有离子电流流过，则将有部分例子电流被人截获，被截获的例子电流通过人体流入大地。截获电流的大小直接取决于离子电流密度和人的高矮，不同高度的人可用相应的等效面积来代表。222(37.5)1.85hArhtg导线RpCpU导线RpCpUpR0C0导线RpCpR0C0U03直流线路电场效应3.2人在直流输电线下活动的感受和效应（2）人截获离子电流的感受人体感受程度电击电流(mA)直流电流交流电流男人女人男人女人无感觉1.00.60.40.3轻微的刺激，“感觉的临界值”5.23.51.10.7不舒服的点击，不疼，肌肉未失控96.01.81.2疼痛的电击，肌肉未失控，99.5%的人能摆脱62419.06.0表2人体电击电流临界值要得到同样的感受程度，流过的直流电流要比交流大5倍以上，而站立在直流输电线路线下人的截获电流，又比直流感觉的临界值小2个数量级，因此一般不会有什么感觉。在国家电网公司企业标准规定±800kV取与±500kV相同的线下地面离子电流密度不超过100nA/m23直流线路电场效应3.2人在直流输电线下活动的感受和效应（3）人接触接地和绝缘物体后的感受—瞬态电击在直流线路下，对地绝缘良好的人或物体，截获离子电流后，由于电荷积聚将使人或物体对地产生高电位。当对地绝缘的人接触接地体，或者处于地电位的人接触对地绝缘的物体，在接触瞬间积聚在堆积绝缘的物体或人体上感应电荷，以火花放电形式，释放到大地。直流输电线路下瞬态电击的强弱主要取决于人和物体对地绝缘电阻和离子电流密度。3直流线路电场效应3.2人在直流输电线下活动的感受和效应（3）人接触接地和绝缘物体后的感受212ppCU人体释放能量EppCU释放电荷量QNoImage(a)正常接地的人(b)对地绝缘良好的人接触接地体(b)(c)通常接地的人接触较高绝缘电阻的大型物体为避免人在直流输电线路下对电场有明显感觉，在线下可能有人活动的地方，合成电场控制在不超过30kV/m较合适。将民房所在地地面的合成电场控制在不超过15kV/m，大多数情况下不会使人产生可感觉的暂态电击。Rp≈200MΩ,Cp≈100pF,截获电流约4uA.Q≈0.08uC,E≈0.032mJ,此时人不会有任何感觉Rp500MΩ,Cp≈100pF,R0≈100Ω，截获电流约4uA.E≈0.2mJ,此时仅有勉强可以感觉到的电击Rp=1500Ω,C0≈10000pF,R0≈1MΩ，截获电流约1mA.E≈5mJ,可以感觉到电击3直流线路电场效应3.3合成电场与离子电流计算采用了Deutsch假设，认为空间电荷不影响电场的方向，仅影响其大小，把二维计算变为一维计算DL/T436-2005《高压直流架空送电线路技术导则》和国家电网公司企业标准Q/GDW145-2006《±800kV直流架空输电线路电磁环境控制值》3）数值计算方法1）解析计算方法--Sarma2）半经验公式法由导线电荷产生的标称电场用理论计算，有空间电荷后的合成场强由标称电场和经验公式计算有限元素法，无需Deutsch假设，从理论角度讲，更具有科学性3直流线路电场效应3.4合成电场和离子电流的测量合成电场和离子流是高压直流输电的特有现象。由于空间电荷的存在，直流合成电场受外界环境影响较大，特别是风速的影响，所以要客观地测量其大小，掌握其分布规律，应用具有统计功能的测量装置来测量。旋转片静磨片3直流线路电场效应3.4合成电场的测量合成电场的测量使用特制的旋转电场仪。测量直流场强的基本原理，是使传感组件上接受到的电力线总数量周期的变化，与之相应的感应电荷也随之周期性的变化。利用周期性变化的电荷所形成的电流即可测出相应的场强。设场传感器于均匀恒定的电场E之中，电动机带动旋转片作定速旋转，下部的静磨片暴露于电场E的面积呈周期性变化，当静磨片暴露于电场时，为了维持其对地面电位，其上面会积聚相应的电荷，当电场指向地面时积聚的是负电荷，当电场E指向上空时积聚的是正电荷。当静片被动片遮蔽时，其上的电荷会流散于地中。电荷的积聚与流散都是通过电阻R进行的，通过测量R上的压降即可测得其