方芳,黃韜,呂建紅,陽金純,陶莉

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

±500 kV直流架空線路地面合成場實測與計算

方芳,黃韜,呂建紅,陽金純,陶莉

(國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007)

采用現(xiàn)場實測和仿真計算相結(jié)合的方法，研究±500 kV直流架空線路地面合成電場及離子流密度的分布規(guī)律，并討論相關(guān)參數(shù)的設(shè)定問題，驗證基于Deutsch假設(shè)的解析計算法的工程實用性，為特/超高壓直流輸電線路的初步設(shè)計、環(huán)境影響評價、竣工環(huán)保驗收等環(huán)節(jié)提供技術(shù)支持。

高壓直流；輸電線路；合成電場；Deutsch假設(shè)；電磁環(huán)境

高壓直流輸電技術(shù)需要解決的一個重要問題是其產(chǎn)生的空間合成電場對線路走廊附近電磁環(huán)境的影響。直流輸電線路因電暈放電產(chǎn)生的空間離子流場顯著地增強(qiáng)了空間電場,使得其電場分布規(guī)律不同于交流線路。為了滿足湖南省特高壓直流建設(shè)的需要,為超高壓直流輸電線路尤其是特高壓直流線路的初步設(shè)計、環(huán)境影響評價、竣工環(huán)保驗收等環(huán)節(jié)提供技術(shù)指導(dǎo),以及為線路電磁環(huán)境糾紛處理、運(yùn)行單位的日常管理提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐,需要通過實驗和計算對高壓直流輸電線路的電場分布規(guī)律進(jìn)行深入研究。

目前高壓直流輸電線路電場計算方法有解析法、半經(jīng)驗公式法和有限元法。解析法〔1,2〕以Deutsch假設(shè)為基礎(chǔ),計算結(jié)果與工程實際吻合較好；半經(jīng)驗公式法〔3〕簡單,但使用限制較多；有限元法〔4〕理論計算精度最高,但程序編制復(fù)雜、計算耗時長,不適合大區(qū)域空間計算。

文中以 Deutsch假設(shè)〔2〕為基礎(chǔ),計算了±500 kV江城線湖南境內(nèi)某檔距段地面處合成電場強(qiáng)度和離子流密度,并與該線路實測值進(jìn)行對比。

1 計算方法

根據(jù)Deutsch假設(shè),空間電荷只影響電場幅值而不影響其方向,合成電場Es與標(biāo)稱電場E的關(guān)系可表示為

式(1)—(2)中,A為標(biāo)量函數(shù),Es與E為向量,J為電流密度,K為離子遷移率,ρ為空間電荷密度。

根據(jù)電磁場理論,

聯(lián)立式(1)—(4),得

若不考慮正、負(fù)極起暈特性的差異,則利用Peek公式〔5〕可估算正負(fù)極導(dǎo)線表面起暈電場E0:

式 (7)中 m為導(dǎo)線表面粗糙系數(shù),r為子導(dǎo)線半徑。

若考慮正、負(fù)極起暈特性的差異,利用Peek公式〔5〕可分別估算正、負(fù)極導(dǎo)線表面起暈電場E0＋和E0－:

對于給定的ρe,由式 (6)得到的ρ(φ)計算得到相應(yīng)的平均電荷密度ρm,如式 (10)所示:

平均電荷密度ρm又可表示為

通過弦截迭代法〔6〕,最終可得到起暈后導(dǎo)線表面的電荷密度ρe?？蛇M(jìn)一步通過式 (5)和式(6)分別求得標(biāo)量函數(shù)A和電荷密度ρ,代入式(1),(2)即可分別計算出合成電場Es與離子電流密度J。

2 現(xiàn)場測試

為了驗證Deutsch解析法的工程實用性,選取±500 kV江城線湖南境內(nèi)某檔距段面對地面合成電場和離子流進(jìn)行了實測。

2.1 實驗儀器

實驗所用主要儀器見表1。

2.2 線路參數(shù)

線路主要參數(shù)見表2。

2.3 現(xiàn)場布置

實驗現(xiàn)場布置如圖1所示:試驗斷面位于檔距中央,從負(fù)極側(cè)向正極側(cè)共布置10個合成場探頭和離子流板,同時測試10個點(diǎn)的合成場強(qiáng)和離子流密度,其中第6個點(diǎn)位于兩極中心處 (未布置合成場探頭和離子流板),5,6,7這3個點(diǎn)間隔3.5m,其余各測點(diǎn)均間隔5.0m。以第6個點(diǎn)為原點(diǎn) (O點(diǎn)),垂直于導(dǎo)線建立如圖1(a)所示二維直角坐標(biāo)系。

2.4 測試結(jié)果

在圖1中所示測點(diǎn)共進(jìn)行2次試驗,同時測試斷面各點(diǎn)的地面合成電場強(qiáng)度和離子流密度,每次試驗測試時長為30min。經(jīng)統(tǒng)計分析,分別得到2次試驗的合成場95%測值和離子流密度90%測值共4組數(shù)據(jù),見表3。

由表3中實測數(shù)據(jù)可知,地面合成電場強(qiáng)度和離子流密度最大值分別為－8.49 kV/m和2.6 nA/m2,均小于DL/T 1088—2008《±800 kV特高壓直流線路電磁環(huán)境參數(shù)限值》中規(guī)定的限值要求。

3 計算驗證與討論

依據(jù)第1節(jié)介紹的Deutsch解析法編制計算程序,對表3中的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算校核,實測結(jié)果與計算結(jié)果基本一致。

3.1 計算參數(shù)選取

計算中,直流線路參數(shù)選取參見表2,導(dǎo)線表面粗糙系數(shù) (m)及離子遷移率 (K)選取如下所述。

導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)m的取值直接影響起暈場強(qiáng)的大小。對于光滑潔凈的導(dǎo)線來說,m＝1。而實際中的輸電線路,由于導(dǎo)線的絞合、表面污穢、水滴和局部損傷的影響,表面粗糙度能降至0.3～0.6之間。加拿大的TESHMONT咨詢公司參與過中國的葛上直流、天廣直流等線路的設(shè)計研究,是一家國際上較為權(quán)威的咨詢機(jī)構(gòu),在計算三常直流線路地面合成場強(qiáng)時,采用m＝0.381〔7〕。文中m的取值參照TESHMONT咨詢公司取為0.381。

宋明理學(xué)包含兩大流派——“程朱理學(xué)”和“陸王心學(xué)”，這兩大流派代表人物的觀點(diǎn)中有相同之處也有不同之處，學(xué)生難以區(qū)分，因此教師可提供以下幾則材料幫助學(xué)生分析理解“程朱理學(xué)”與“陸王心學(xué)”的異同。

不同學(xué)者所建議的離子遷移率K差異較大〔8〕,正、負(fù)離子遷移率取值在1.2～2.0 m2/V·s間變化。不同學(xué)者所使用的離子遷移率差異較大,這可能是由其計算的輸電線路所處的環(huán)境所決定的。對于離子遷移率這一參數(shù)的選取,雖然尚無標(biāo)準(zhǔn)可循,但研究普遍認(rèn)為離子遷移率與計算所得地面離子流密度的大小呈線性關(guān)系 (離子遷移率取值越大,地面離子流密度越大),但對計算所得地面合成場強(qiáng)影響較小。文中參考Zhao Tiebin等人較為保守的取值 (較大取值)〔9〕,取K＝1.7×10－4m2/V·s。

3.2 計算與實測比較分析

計算與實測比較結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,實測與計算結(jié)果均表明,由于負(fù)極導(dǎo)線的起暈電壓小于正極起暈電壓,負(fù)極導(dǎo)線側(cè)相應(yīng)測點(diǎn)的地面合成場強(qiáng)和離子流密度總體要大于負(fù)極側(cè)。當(dāng)考慮正負(fù)極起暈場強(qiáng)差別時,計算得到的地面合成場強(qiáng)和離子流密度與實測結(jié)果符合較好。當(dāng)不考慮正負(fù)極起暈場強(qiáng)差別時,負(fù)極側(cè)的地面合成場強(qiáng)計算值與實測較為接近,而正極側(cè)明顯高于實測值。

此外,由圖2中實測數(shù)據(jù)可知,2次試驗數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)波動,而表2中線路運(yùn)行電壓等參數(shù)幾乎沒有變化,說明影響直流線路下地面合成場和離子流密度的因素并不僅限于表2中的相關(guān)參數(shù)。而理論計算已經(jīng)證明,若線路運(yùn)行參數(shù)不變,直流標(biāo)稱電場也不發(fā)生改變。因此可以推測,必然是直流線路的離子流場發(fā)生了變化,離子流場與標(biāo)稱電場疊加后,才導(dǎo)致合成場強(qiáng)和離子流密度發(fā)生了相應(yīng)波動,這一點(diǎn)是交、直流輸電線路線下電場產(chǎn)生機(jī)理的最顯著差異。Deutsch假設(shè)認(rèn)為空間帶電離子只沿標(biāo)稱場的電力線運(yùn)動,實際上是一種非常理想的假設(shè)。實際線路下,風(fēng)速的影響不可忽略不計。在風(fēng)力的作用下,空間帶電離子的運(yùn)動受空氣粒子的碰撞可能會偏離電力線的相應(yīng)軌跡,導(dǎo)致離子流場發(fā)生變化,最終使合成電場發(fā)生隨機(jī)性的波動。目前,有限元法已經(jīng)能計算恒定風(fēng)速作用下的合成電場,但實際風(fēng)速和風(fēng)向具有較大的隨機(jī)性,用恒定風(fēng)速矢量來描述線路附近空間范圍內(nèi)的風(fēng)力場并不完全符合實際,因此有限元法的工程實用價值有限。綜合來看,基于Deutsch假設(shè)的解析法在靜風(fēng)條件下合成場的計算中仍然是一種實用性很強(qiáng)的工程算法,推薦在直流線路的初步設(shè)計、環(huán)境影響評價等環(huán)節(jié)中使用該方法對直流線路的電磁環(huán)境進(jìn)行預(yù)測。

4 結(jié)論

基于Deutsch假設(shè)的解析計算法是一種有效、實用的工程算法,能夠基本滿足直流輸電線路地面合成電場和離子流密度預(yù)測的精度要求。建議在特/超高壓直流輸電線路的初步設(shè)計、環(huán)境影響評價、竣工環(huán)保驗收等環(huán)節(jié)中采用該算法作為技術(shù)指導(dǎo)。

不考慮正、負(fù)極導(dǎo)線起暈場強(qiáng)差別時,計算結(jié)果能夠基本反映負(fù)極導(dǎo)線側(cè)的地面合成電場和離子流密度分布；考慮正、負(fù)極導(dǎo)線起暈場強(qiáng)差別時,計算結(jié)果與實測結(jié)果更為接近。

影響直流線路合成電場和離子流密度的因素較多,需要進(jìn)一步研究正、負(fù)極導(dǎo)線的起暈特性和相關(guān)參數(shù)設(shè)定,才能更準(zhǔn)確地預(yù)測直流線路的地面合成電場和離子流密度分布。

〔2〕傅賓蘭.高壓直流輸電線路地面合成場強(qiáng)與離子流密度計算〔J〕.中國電機(jī)工程學(xué)報,1987,7(5):57-63.

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〔5〕Sarma M P.Corona performance of high-voltage transmission lines〔M〕.England:Research Studies Press Ltd.,2000:179-211.

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〔7〕Teshmont Consultants Inc.Gezhouba－Shanghai±500 kV transmission system report on transmission line studies〔R〕.Winnipeg: Teshmont Consultants Inc,1983.

〔8〕崔翔.高壓直流輸電線路離子流場計算方法研究進(jìn)展〔J〕.中國電機(jī)工程學(xué)報,2012,32(36):130-141.

〔9〕Zhao Tiebin.Measurement and calculation of hybrid HVAC and HVDC power line corona effects〔D〕.Ohio:The Ohio State University,1995.

Test and calculation research of total electrical field at ground level for±500 kV HVDC overhead transm ission line

FANG Fang,HUANG Tao,LV Jian-hong,YANG Jin-chun,TAO Li
(State Grid Electric Power Corporation Research Institute,Changsha 410007,China)

The distribution rules of total electric field and ion current density at ground level of±500 kV HVDC Lines are investigated through combination of testand simulationmethods,and the simulation parametersare also discussed.The field test result is consistentwith the resultof simulation,so the engineering probability of analytic calculationmethod based on Deutsch method has been verified.The Deutsch method can provide technical support in preliminary design,environmental impact assessment and environmental protection acceptance of HVDC transmission lines.

HVDC；transmission line；total electric field；Deutsch assumption；electromagnetic environment

TM752.1

B

1008-0198(2014)01-0001-04

方芳(1967),女,大學(xué)本科,工程師,主要從事電力系統(tǒng)電磁環(huán)境試驗與研究工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.01.001

2013-06-03

國網(wǎng)湖南省電力公司重點(diǎn)科技項目 (KZ12K16004)

黃韜(1988),男,工學(xué)碩士,助理工程師,主要從事電力系統(tǒng)電磁環(huán)境與電磁兼容的試驗與研究工作。

呂建紅 (1981),男,工學(xué)博士,工程師,主要從事電力系統(tǒng)電磁環(huán)境與電磁兼容的試驗與研究工作。