800kV特高压直流线路采用5分裂导线的电磁环境特性分析

　　　　　高电压技术　第３７卷第３期２０１１年３月３１日Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．３，Ｍａｒｃｈ　３１，２０１１±８００ｋＶ特高压直流线路采用５分裂导线的电磁环境特性分析施春华１，朱普轩１，２，蒋　剑２，邹　军１，袁建生１（１．清华大学电机工程与应用电子技术系，北京１０００８４；２．甘肃省电力设计院，兰州７３００５０）摘　要：为了提高特高压直流输电线路的输送容量、优化线路周围的电磁环境、压缩输电线路走廊宽度，一般采用分裂导线。采用逐次镜像法、有限元、ＢＰＡ和ＣＩＳＰＲ的经验公式等方法计算５×ＬＧＪ－１１２０／５０和６×ＬＧＪ－９００／４０导线方案的导线表面电场强度、地面离子流密度、可听噪声以及无线电干扰等电磁环境与电气参数，并计算电阻损耗和输电线路年费用以比较５×ＬＧＪ－１１２０／５０和６×ＬＧＪ－９００／４０两种导线方案的优缺点。计算结果表明：在导线总截面大致相当的情况下，两种导线方案均能满足电磁环境限值要求，同时５×ＬＧＪ－１１２０／５０导线方案的电阻损耗和年费用更小，其在输电线路建设投资以及运行成本等方面具有较强经济优势。关键词：特高压直流；电磁环境；合成场强；离子流密度；可听噪声；无线电干扰；分裂导线；电晕损耗；电阻损耗中图分类号：ＴＭ８６７；ＴＭ７２１．１文献标志码：Ａ文章编号：１００３－６５２０（２０１１）０３－０６６６－０６基金资助项目：铁道部科技研究基金。Ｐｒｏｊｅｃｔ　Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｂｙ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｒａｉｌｗａｙｓ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｆｕｎｄｓ　ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｐｒｏｆｉｌｅ　ｏｆ±８００ｋＶ　ＵＨＶＤＣＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｌｉｎｅｓ　Ｕｓｉｎｇ　５Ｂｕｎｄｌｅｄ　ＣｏｎｄｕｃｔｏｒｓＳＨＩ　Ｃｈｕｎ－ｈｕａ１，ＺＨＵ　Ｐｕ－ｘｕａｎ１，２，ＪＩＡＮＧ　Ｊｉａｎ２，ＺＯＵ　Ｊｕｎ１，ＹＵＡＮ　Ｊｉａｎ－ｓｈｅｎｇ１（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇａｎｓｕ　Ｐｏｗｅｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００５０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｕｎｄｌｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ　ａｒｅ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｉｒｅｃｔ　ｃｕｒｒｅｎｔ（ＨＶＤＣ）ｐｏｗｅｒ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒｔｏ　ｐｏｓｓｅｓｓ　ａ　ｈｉｇｈｅｒ　ｌｉｎｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ，ｔｏ　ｏｐｔｉｍｉｚｅ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｎｄ　ｔｏ　ｎａｒｒｏｗ　ｄｏｗｎ　ｔｈｅ　ｗｉｄｔｈ　ｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｌｉｎｅ　ｃｏｒｒｉｄｏｒ．Ｂｙ　ｔｈｅ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ　ｉｍａｇｅ　ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｏｆ　ＢＰＡａｎｄ　ＣＩＳＰＲ，ｔｈｅ　ｔｏｔａｌ　ｆｉｅｌｄ，ｉｏｎ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｅｎｓｉｔｙ，ａｕｄｉｂｌｅ　ｎｏｉｓｅ，ｒａｄｉｏ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄ　ｃｏｒｏｎａ　ｌｏｓｓ　ｏｆ　ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，ｉ．ｅ．，５×ＬＧＪ－１１２０／５０ａｎｄ　６×ＬＧＪ－９００／４０ｗｅｒｅ　ａｓｓｅｓｓｅｄ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｗｅｒｅ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｂｏｔｈ　５×ＬＧＪ－１１２０／５０ａｎｄ　６×ＬＧＪ－９００／４０ｃａｎ　ｍｅｅｔｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｒｏｓｓ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｒｅａ　ｏｆ　ｂｏｔｈ　ｃｏｎｄｕｃ－ｔｏｒｓ　ａｒｅ　ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ　ｓａｍｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｔ　ｉｓ　ｗｏｒｔｈ　ｐｏｉｎｔｉｎｇ　ｏｕｔ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｗｉｔｈ　５×ＬＧＪ－１１２０／５０ｉｓ　ｍｏｒｅｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｗｉｔｈ　６×ＬＧＪ－９００／４０ｉｆ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｌｉｎｅ　ｉｓ　ｃｏｎｃｅｒｎｅｄ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＵＨＶＤＣ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ；ｔｏｔａｌ　ｆｉｅｌｄ；ｉｏｎ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｅｎｓｉｔｙ；ａｕｄｉｂｌｅ　ｎｏｉｓｅ；ｒａｄｉｏ　ｉｎｔｅｒｆｅｒ－ｅｎｃｅ；ｂｕｎｄｌｅ　ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ；ｃｏｒｏｎａ　ｌｏｓｓ；ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｌｏｓｓ０　引言随着我国电力需求的不断增加，电网容量也越来越大，电压等级也越来越高。为了满足大容量远距离输电的需求，我国已建设交流１０００ｋＶ、直流±８００ｋＶ的特高压输电线路［１－４］。随着电压等级的升高，输电线路周围空间的电磁环境也越发严峻。影响输电线路电磁环境的主要因素有分裂间距、分裂根数、极间距以及导线对地高度等。但受制于铁塔造型等方面的因素，极间距及导线对地高度一般不宜变动。因此，为了改善输电线路的电磁环境以及提高输送容量，目前多采用分裂导线。目前我国直流输电线路使用偶数分裂的导线，如±５００ｋＶ葛上线使用４分裂导线；在目前设计的直流±８００ｋＶ输电线路中，多采用６分裂导线。向家坝—上海输电线路采用的是６×ＡＣＳＲ－７２０／５０钢芯铝绞线，云广直流采用的是６×ＬＧＪ－６３０／４５钢芯铝绞线，均采用６分裂导线方案［５］。在直流±８００ｋＶ输电线路的导线选型研究中，也主要以６分裂导线研究为主。一般的６分裂导线方案，如６×ＬＧＪ－６３０／４５、６×ＡＣＳＲ－７２０／５０等在非高海拔地区，一定线路高度下均能满足限值要求［６］。一般情况下，影响输电线路电磁环境最直接的因素是导线表面的最大场强，其随导线分裂根数的变化并不明显。因此，采用５分裂导线也可满足输电线路电磁环境限值的要求。如若采用５分裂导线方案，可以使用较少的钢芯，降低输电线路建设成本。本文以６×ＬＧＪ－９００／６６６４０和５×ＬＧＪ－１１２０／５０为例，着重比较直流±８００ｋＶ输电线路中５分裂导线方案和６分裂导线方案的电磁环境参数以及电晕损耗，并在满足电磁环境要求的条件下，比较两种方案的电能损耗及年运行费用。１　电磁环境参数限值及其计算方法输电线路的电气与电磁环境参数一般包括导线表面最大场强、可听噪声、无线电干扰、地面场效应以及电晕与电阻损耗等。１．１　电磁环境参数限值导线选型一般需要综合考虑经济电流密度、线路允许电压降、电磁环境的影响、电晕与电阻损耗以及必要的机械强度等。随着电压等级的升高，电磁环境已经成为设计输电线路越来越重要的制约因素［７－１２］。电气与电磁环境参数主要包括可听噪声、无线电干扰、电晕与电阻损耗、地面电场强度、地面离子流密度等。特高压直流输电线路中，Ａ声级可听噪声限值如下［１３］：在一般地区，距直流架空输电线路正极性导线对地投影外２０ｍ处晴天５０％值≤５０ｄＢ（一般地区），人口密集区为４５ｄＢ。无线电干扰一般规定为距直流架空输电线路正极性导线对地投影外２０ｍ处由电晕产生的０．５ＭＨｚ无线电干扰场强８０％／８０％值，一般地区≤５５ｄＢ。地面场效应限值：在一般地区，静电场强限定在１５．５ｋＶ／ｍ，合成场强限定晴天为３０ｋＶ／ｍ，离子流密度限定晴天为１００ｎＡ／ｍ２。１．２　电磁环境参数计算方法１．２．１　导线表面电场强度计算方法工程中，计算导线表面电场强度常用的方法主要有马克特－门得尔法、模拟电荷法、逐次镜像法等。马克特－门得尔法基于求取分裂导线的等效半径，计算速度快，对４分裂及以下导线有足够的精确度。模拟电荷法基于唯一性定理，用一组离散的模拟电荷等效分裂导线表面的自由电荷，再应用叠加定理得到空间电场。逐次镜像法实际上是对电轴法的拓展，将分裂子导线单独处理，在各个导线中施加镜像电荷，以满足导线表面等电位的边界条件。当分裂间距与导线半径之比＞１０时，只镜像１次就能使计算误差＜０．２％。在输电线路中，分裂间距与导线半径之比一般＞２０，因此只需１次镜像就能满足要求［１４］。本文使用逐次镜像法计算导线表面场强。１．２．２　可听噪声计算方法可听噪声ＡＮ一般采用美国邦维尔电管局（ＢＰＡ）根据试验结果推荐的预估公式计算［１５］，如式（１）所示ＡＮ＝－１３３．４＋８６ｌｇｇｍａｘ＋４０ｌｇｄｅｑ－１１．４ｌｇＤ＋Ａｌｔ３００。（１）式中，ｇｍａｘ是导线表面最大电位梯度，ｋＶ／ｃｍ；ｄｅｑ＝０．６６×ｎ０．６４×ｄ（ｎ＞２）；ｄ为子导线直径，ｍｍ；ｎ为子导线根数；Ｄ为离正极性导线的距离，ｍ；Ａｌｔ为海拔高度，ｍ。由于海拔高度也会对线路可听噪声产生影响，在众多试验结果基础上做如下修正：海拔高度每增加３００ｍ，可听噪声增加１ｄＢ［１，７］。１．２．３　无线电干扰计算方法ＣＩＳＰＲ推荐的无线电干扰预估经验公式可较为准确计算直流输电线路的无线电干扰ＲＩ［１６－１７］，如式（２）所示ＲＩ＝３８＋１．６（ｇｍａｘ－２４）＋４６ｌｇｒ＋５ｌｇｎ＋３３ｌｇ２０Ｄ＋Ａｌｔ３００。（２）式中，ｒ为子导线半径，ｃｍ；ｎ为导线分裂数。海拔高度对线路产生的无线电干扰有影响，在试验结果基础上，如下修正：海拔每增加３００ｍ，无线电干扰增加１ｄＢ［１，６］。需要注意的是，ＣＩＳＰＲ推荐的这个经验公式是晴天、单回双极线路在基准频率０．５ＭＨｚ测得的无线电干扰值。如果需要计算特定双极线路参数下其它频率点处的无线电干扰，则需要对上面公式得到无线电干扰值进行修正。修正公式如式（３）所示ΔＥｆ＝５（１－２（ｌｇ１０ｆ）２）。（３）式中，ΔＥｆ为偏离基准频率０．５ＭＨｚ时的无线电干扰值，ｄＢ；ｆ为０．１５到３ＭＨｚ频段内的频率值，ＭＨｚ。公式（２）、（３）已被选定为国家标准用于预估≤±５００ｋＶ电压等级，正常运行中的高压直流架空送电线路的无线电干扰及其频谱。１．２．４　地面场效应计算方法地面场效应值包括标称电场、合成电场以及离子流密度。合成电场与离子流计算方法主要有３种：解析计算方法、半经验公式法、有限元法。本程序基于有限元方法计算合成电场与离子流密度。在双极性导线空间中，离子流常微分方程经简化后满足ｄΦｄφ＝ξ；ｄξｄφ＝－ρ＋－ρ－ε０Ｅ′２；ｄρ＋ｄφ＝１ε０ξＥ′２（ρ２＋－ρ＋ρ－（１－ε０Ｒｉμ＋ｅ））；ｄρ－ｄφ＝１ε０ξＥ′２（ρ＋ρ－（１－ε０Ｒｉμ－ｅ）－ρ２－烅烄烆）。（４）式中，Φ为合成场电位，Ｖ；φ为标称场电位，Ｖ；，Ｅ′７６６施春华，朱普轩，蒋　剑，等．±８００ｋＶ特高压直流线路采用５分裂导线的电磁环境特性分析为标称场电场强度，Ｖ／ｍ；ξ为合成场强与标称场强的比例系数；ρ＋、ρ－为正、负空间离子密度，Ｃ／ｍ３；Ｒｉ为正负离子复合系数，ｍ３／ｓ；μ＋、μ－为正、负离子迁移率，（ｃｍ／ｓ）／（Ｖ／ｍ），即单位场强下离子的运动速度；ｅ为单位电荷，１．６０２×１０－１９Ｃ。该方程的边界条件分别位于正、负导线表面。在导线表面合成场强电位分别等于正、负极性导线电压，即Φ＝Ｕ＋／－。合成电场与标称电场幅值之比可以由Ｐｅｅｋ公式求出。４个边界条件分别位于正、负导线表面，同样构成两点边值问题。求解该问题需要首先求解在给定导线空间分布和施加电压条件下标称场强与电位在空间中的分布。然后根据这些结果，得到每一条电力线上各点坐标以及相应的电场、电位分布，也即可求到地面合成场强［１８－２３］。１．２．５　电晕损耗计算方法Ａｎｎｅｌｂｅｒｇ法是一种常用的计算直流线路电晕损失的方法，其计算结果也较为准确。这种计算方法由瑞典人Ａｎｎｅｌｂｏｒｇ根据分析大量直流线路的试验数据后得出。在双极性直流输电线路