尚賀子

（河南省實(shí)驗(yàn)中學(xué)文博學(xué)校，河南鄭州 450002）

±800 kV直流輸電導(dǎo)線表面電場(chǎng)及電磁環(huán)境研究

尚賀子

（河南省實(shí)驗(yàn)中學(xué)文博學(xué)校，河南鄭州 450002）

為研究±800 kV特高壓直流輸電線路無線電干擾和可聽噪聲水平，使用模擬電荷法計(jì)算了一定幾何結(jié)構(gòu)下的輸電導(dǎo)線表面的場(chǎng)強(qiáng)大小。在±10%范圍內(nèi)改變導(dǎo)線高度、極間距、子導(dǎo)線直徑，分析以上各幾何因素對(duì)導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度的影響。獲得了各條子導(dǎo)線表面的電場(chǎng)分布，以及不同子導(dǎo)線直徑所對(duì)應(yīng)的無線電干擾和可聽噪聲水平。計(jì)算表明，使用±800 kV特高壓直流輸電導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，得到的電磁環(huán)境指標(biāo)均符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

高壓直流輸電；導(dǎo)線表面電場(chǎng)；電暈放電；無線電干擾；可聽噪聲

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.20

0 引言

隨著我國(guó)的快速發(fā)展，特高壓直流輸電在我國(guó)電網(wǎng)中所占比例與日俱增。特高壓輸電線路的電磁特性對(duì)其沿線所經(jīng)地區(qū)的影響是線路設(shè)計(jì)和運(yùn)行所要考慮的問題之一[1]。為使沿線居民的正常生活得到保障和經(jīng)濟(jì)效益最大化，需探求導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)大小以及影響輸電導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)的因素，進(jìn)而獲得一定場(chǎng)強(qiáng)下的無線電干擾和可聽噪聲水平。當(dāng)特高壓直流輸電導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)大于電暈起始場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，導(dǎo)線周圍的空氣分子被電離成正負(fù)離子[2-4]，該過程伴隨導(dǎo)線上高頻電流脈沖的發(fā)生，并產(chǎn)生可聽噪聲。

使用模擬電荷法，將±800 kV雙極輸電導(dǎo)線使用成組的模擬線電荷替代，獲得了導(dǎo)線表面的場(chǎng)強(qiáng)分布。計(jì)算了導(dǎo)線高度、極間距和子導(dǎo)線直徑分別對(duì)導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)的影響，為特高壓輸電線路的設(shè)計(jì)運(yùn)行提供參考。

1 計(jì)算模型和方法

1.1 計(jì)算模型

對(duì)于高壓直流輸電線路和地面之間區(qū)域的電位分布，若使用Laplace方程描述，則寫為式（1）。

式中 φ——節(jié)點(diǎn)電位，V

計(jì)算模型的邊界條件：①導(dǎo)線表面電位φ=±800 kV；②地面電位φ=0 V。特高壓±800 kV直流輸電桿塔的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。設(shè)導(dǎo)線高度H為21 m，極間距Dp為22 m，導(dǎo)線分裂間距Ds為0.45 m，子導(dǎo)線直徑Dc為3.62 cm。

1.2 計(jì)算方法

使用模擬電荷法計(jì)算±800 kV特高壓直流輸電子導(dǎo)線表面的標(biāo)稱電場(chǎng)分布。模擬電荷法（Charge Simulation Method，CSM）[6-7]是計(jì)算電場(chǎng)分布的主要方法之一。該方法將金屬電極表面連續(xù)分布的自由電荷用一組離散化的模擬電荷進(jìn)行替代。只要通過一定條件算出模擬電荷，即可實(shí)現(xiàn)等效替代。模擬電荷法可看作是廣義的鏡像法，因?yàn)殓R像法同樣是基于邊界條件不變，將場(chǎng)域邊界上的電荷等效替代為該區(qū)域外的鏡像電荷。但模擬電荷法在數(shù)值處理和工程應(yīng)用上優(yōu)于鏡像法[8]。

根據(jù)電位疊加原理，對(duì)應(yīng)于各匹配點(diǎn)Mj，逐一列寫由設(shè)定的模擬電荷所建立的電位方程組[8]，見式（2）。

圖1 高壓直流輸電桿塔結(jié)構(gòu)示意

方程組（2）中的元素 Pij為[9]式（3）。

式中ε——空氣的介電常數(shù)，8.85×10-12F/m

（xi，yi）———第i個(gè)匹配點(diǎn)坐標(biāo)

（Xj，-Yj），（Xj，Yj）———第j對(duì)模擬線電荷的坐標(biāo)

2 計(jì)算結(jié)果

當(dāng)輸電電壓等級(jí)一定時(shí)，影響子導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)的因素有導(dǎo)線高度、極間距、分裂間距、子導(dǎo)線直徑等。由于不同幾何結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)地面合成電場(chǎng)大小產(chǎn)生影響，而我國(guó)對(duì)輸電線路電磁環(huán)境有相應(yīng)指標(biāo)[10]，因此需要研究影響電場(chǎng)強(qiáng)度的因素。

每條子導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值隨導(dǎo)線高度H的變化關(guān)系如圖2所示。極間距、子導(dǎo)線分裂間距、子導(dǎo)線半徑的取值與圖1相同。子導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度隨導(dǎo)線高度的增加而減小。當(dāng)導(dǎo)線高度H從基準(zhǔn)值21 m的0.9倍18.9 m增加到基準(zhǔn)值的1.1倍23.1 m時(shí)，即增加了22.2%，第5號(hào)子導(dǎo)線表面最大場(chǎng)強(qiáng)變化最為明顯，但也僅減小了1.3%，從22.05 kV/cm減小到21.76 kV/cm；第2號(hào)子導(dǎo)線表面最大場(chǎng)強(qiáng)的變化最不明顯，僅僅減小了0.85%，從22.40 kV/cm減小到22.21 kV/cm。

對(duì)于每條子導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值隨極間距Dp的變化，計(jì)算表明子導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度隨極間距的增加而減小。當(dāng)極間距Dp從基準(zhǔn)值22 m的0.9倍19.8 m增加到基準(zhǔn)值的1.1倍時(shí)，即增加了22.22%，第1號(hào)子導(dǎo)線表面最大場(chǎng)強(qiáng)變化最為明顯，減小了4.52%。第4號(hào)子導(dǎo)線表面最大場(chǎng)強(qiáng)的變化最不明顯，減少了3.18%。

對(duì)于每條子導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值隨子導(dǎo)線直徑Dc的變化，計(jì)算表明子導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度隨子導(dǎo)線直徑的增加而迅速減小。當(dāng)子導(dǎo)線直徑Dc從基準(zhǔn)值的0.9倍3.258 cm增加到基準(zhǔn)值的1.1倍3.982 cm時(shí)，即增加了22.22%，第4號(hào)子導(dǎo)線表面最大場(chǎng)強(qiáng)變化最為明顯，減小了14.80%，第1號(hào)子導(dǎo)線表面最大場(chǎng)強(qiáng)的變化最不明顯，減小了14.58%。計(jì)算還表明，當(dāng)子導(dǎo)線直徑以基礎(chǔ)值3.62 cm浮動(dòng)±10%時(shí)，子導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)的最大值可以浮動(dòng)±8%左右。導(dǎo)線高度、極間距、分裂間距以某一基礎(chǔ)值變化±10%時(shí)，子導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)的最大值分別變化±1%、2%、0.5%左右。這表明，與導(dǎo)線高度、極間距相比，子導(dǎo)線直徑對(duì)子導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度影響最為明顯。

圖2 子導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)最大值隨導(dǎo)線高度的變化

3 無線電干擾和可聽噪聲的計(jì)算

無線電干擾和可聽噪聲水平是描述輸電線路重要的電磁環(huán)境參數(shù)。由于高壓直流輸電線路的電暈放電，放電脈沖將在空中產(chǎn)生高頻電磁波，可能對(duì)無線電通信產(chǎn)生影響，因此需要計(jì)算可接受的無線電干擾范圍。此外，電暈放電還會(huì)有“咝咝”的噪聲，也需要定量計(jì)算噪聲的強(qiáng)度?；趯?dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度的結(jié)果，可以計(jì)算無線電干擾（Radio Interference，RI）和可聽噪聲（Audible Noise，AN）。根據(jù)參考文獻(xiàn)[11，12]，線路無線電干擾和可聽噪聲的計(jì)算公式見式（4）和式（5），觀測(cè)點(diǎn)的對(duì)地高度是1.5 m，導(dǎo)線結(jié)構(gòu)尺寸與圖1相同。

式中 Emax——導(dǎo)線表面最大場(chǎng)強(qiáng)值，kV/cm

n———導(dǎo)線為分裂數(shù)，n=6

d———觀測(cè)高度，d=1.5 m

計(jì)算結(jié)果表明，子導(dǎo)線直徑為4.4 cm時(shí)，無線電干擾最大值為 53.3 dB（μV/m），仍小于電磁環(huán)境限值 55 dB（μV/m）。當(dāng)子導(dǎo)線半徑＞4.4 cm時(shí)，距導(dǎo)線水平距離20 m外處的可聽噪聲也未超過限值45 dB（A）。

4 結(jié)論

使用模擬電荷法定量計(jì)算了±800 kV特高壓直流輸電線路子導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度的分布和最大值；基于無線電干擾和可聽噪聲的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算了±800 kV直流輸電線路地面附近的無線電干擾和可聽噪聲水平，取得了如下結(jié)論。

（1）與導(dǎo)線高度和極間距相比，子導(dǎo)線直徑是影響子導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度最重要的幾何參數(shù)。當(dāng)子導(dǎo)線直徑以基礎(chǔ)值浮動(dòng)±10%時(shí)，子導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)的最大值可以浮動(dòng)±8%。

（2）導(dǎo)線高度和極間距以某一基礎(chǔ)值變化±10%時(shí)，子導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)的最大值分別變化±1%和±2%。

（3）使用±800 kV特高壓直流輸電線路幾何參數(shù)，計(jì)算得到的地面附近的無線電干擾和可聽噪聲水平均低于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的限值。

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〔編輯 凌 瑞〕