±500 kV直流架空线路地面合成场实测与计算

方芳,黄韬,吕建红,阳金纯,陶莉

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

±500 kV直流架空线路地面合成场实测与计算

方芳,黄韬,吕建红,阳金纯,陶莉

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

采用现场实测和仿真计算相结合的方法，研究±500 kV直流架空线路地面合成电场及离子流密度的分布规律，并讨论相关参数的设定问题，验证基于Deutsch假设的解析计算法的工程实用性，为特/超高压直流输电线路的初步设计、环境影响评价、竣工环保验收等环节提供技术支持。

高压直流；输电线路；合成电场；Deutsch假设；电磁环境

高压直流输电技术需要解决的一个重要问题是其产生的空间合成电场对线路走廊附近电磁环境的影响。直流输电线路因电晕放电产生的空间离子流场显著地增强了空间电场,使得其电场分布规律不同于交流线路。为了满足湖南省特高压直流建设的需要,为超高压直流输电线路尤其是特高压直流线路的初步设计、环境影响评价、竣工环保验收等环节提供技术指导,以及为线路电磁环境纠纷处理、运行单位的日常管理提供科学依据和技术支撑,需要通过实验和计算对高压直流输电线路的电场分布规律进行深入研究。

目前高压直流输电线路电场计算方法有解析法、半经验公式法和有限元法。解析法〔1,2〕以Deutsch假设为基础,计算结果与工程实际吻合较好；半经验公式法〔3〕简单,但使用限制较多；有限元法〔4〕理论计算精度最高,但程序编制复杂、计算耗时长,不适合大区域空间计算。

文中以 Deutsch假设〔2〕为基础,计算了±500 kV江城线湖南境内某档距段地面处合成电场强度和离子流密度,并与该线路实测值进行对比。

1 计算方法

根据Deutsch假设,空间电荷只影响电场幅值而不影响其方向,合成电场Es与标称电场E的关系可表示为

式(1)—(2)中,A为标量函数,Es与E为向量,J为电流密度,K为离子迁移率,ρ为空间电荷密度。

根据电磁场理论,

联立式(1)—(4),得

若不考虑正、负极起晕特性的差异,则利用Peek公式〔5〕可估算正负极导线表面起晕电场E0:

式 (7)中 m为导线表面粗糙系数,r为子导线半径。

若考虑正、负极起晕特性的差异,利用Peek公式〔5〕可分别估算正、负极导线表面起晕电场E0＋和E0－:

对于给定的ρe,由式 (6)得到的ρ(φ)计算得到相应的平均电荷密度ρm,如式 (10)所示:

平均电荷密度ρm又可表示为

通过弦截迭代法〔6〕,最终可得到起晕后导线表面的电荷密度ρe。可进一步通过式 (5)和式(6)分别求得标量函数A和电荷密度ρ,代入式(1),(2)即可分别计算出合成电场Es与离子电流密度J。

2 现场测试

为了验证Deutsch解析法的工程实用性,选取±500 kV江城线湖南境内某档距段面对地面合成电场和离子流进行了实测。

2.1 实验仪器

实验所用主要仪器见表1。

2.2 线路参数

线路主要参数见表2。

2.3 现场布置

实验现场布置如图1所示:试验断面位于档距中央,从负极侧向正极侧共布置10个合成场探头和离子流板,同时测试10个点的合成场强和离子流密度,其中第6个点位于两极中心处 (未布置合成场探头和离子流板),5,6,7这3个点间隔3.5m,其余各测点均间隔5.0m。以第6个点为原点 (O点),垂直于导线建立如图1(a)所示二维直角坐标系。

2.4 测试结果

在图1中所示测点共进行2次试验,同时测试断面各点的地面合成电场强度和离子流密度,每次试验测试时长为30min。经统计分析,分别得到2次试验的合成场95%测值和离子流密度90%测值共4组数据,见表3。

由表3中实测数据可知,地面合成电场强度和离子流密度最大值分别为－8.49 kV/m和2.6 nA/m2,均小于DL/T 1088—2008《±800 kV特高压直流线路电磁环境参数限值》中规定的限值要求。

3 计算验证与讨论

依据第1节介绍的Deutsch解析法编制计算程序,对表3中的实测数据进行计算校核,实测结果与计算结果基本一致。

3.1 计算参数选取

计算中,直流线路参数选取参见表2,导线表面粗糙系数 (m)及离子迁移率 (K)选取如下所述。

导线表面粗糙系数m的取值直接影响起晕场强的大小。对于光滑洁净的导线来说,m＝1。而实际中的输电线路,由于导线的绞合、表面污秽、水滴和局部损伤的影响,表面粗糙度能降至0.3～0.6之间。加拿大的TESHMONT咨询公司参与过中国的葛上直流、天广直流等线路的设计研究,是一家国际上较为权威的咨询机构,在计算三常直流线路地面合成场强时,采用m＝0.381〔7〕。文中m的取值参照TESHMONT咨询公司取为0.381。

宋明理学包含两大流派——“程朱理学”和“陆王心学”，这两大流派代表人物的观点中有相同之处也有不同之处，学生难以区分，因此教师可提供以下几则材料帮助学生分析理解“程朱理学”与“陆王心学”的异同。

不同学者所建议的离子迁移率K差异较大〔8〕,正、负离子迁移率取值在1.2～2.0 m2/V·s间变化。不同学者所使用的离子迁移率差异较大,这可能是由其计算的输电线路所处的环境所决定的。对于离子迁移率这一参数的选取,虽然尚无标准可循,但研究普遍认为离子迁移率与计算所得地面离子流密度的大小呈线性关系 (离子迁移率取值越大,地面离子流密度越大),但对计算所得地面合成场强影响较小。文中参考Zhao Tiebin等人较为保守的取值 (较大取值)〔9〕,取K＝1.7×10－4m2/V·s。

3.2 计算与实测比较分析

计算与实测比较结果如图2所示。由图2可知,实测与计算结果均表明,由于负极导线的起晕电压小于正极起晕电压,负极导线侧相应测点的地面合成场强和离子流密度总体要大于负极侧。当考虑正负极起晕场强差别时,计算得到的地面合成场强和离子流密度与实测结果符合较好。当不考虑正负极起晕场强差别时,负极侧的地面合成场强计算值与实测较为接近,而正极侧明显高于实测值。

此外,由图2中实测数据可知,2次试验数据在一定范围内波动,而表2中线路运行电压等参数几乎没有变化,说明影响直流线路下地面合成场和离子流密度的因素并不仅限于表2中的相关参数。而理论计算已经证明,若线路运行参数不变,直流标称电场也不发生改变。因此可以推测,必然是直流线路的离子流场发生了变化,离子流场与标称电场叠加后,才导致合成场强和离子流密度发生了相应波动,这一点是交、直流输电线路线下电场产生机理的最显著差异。Deutsch假设认为空间带电离子只沿标称场的电力线运动,实际上是一种非常理想的假设。实际线路下,风速的影响不可忽略不计。在风力的作用下,空间带电离子的运动受空气粒子的碰撞可能会偏离电力线的相应轨迹,导致离子流场发生变化,最终使合成电场发生随机性的波动。目前,有限元法已经能计算恒定风速作用下的合成电场,但实际风速和风向具有较大的随机性,用恒定风速矢量来描述线路附近空间范围内的风力场并不完全符合实际,因此有限元法的工程实用价值有限。综合来看,基于Deutsch假设的解析法在静风条件下合成场的计算中仍然是一种实用性很强的工程算法,推荐在直流线路的初步设计、环境影响评价等环节中使用该方法对直流线路的电磁环境进行预测。

4 结论

基于Deutsch假设的解析计算法是一种有效、实用的工程算法,能够基本满足直流输电线路地面合成电场和离子流密度预测的精度要求。建议在特/超高压直流输电线路的初步设计、环境影响评价、竣工环保验收等环节中采用该算法作为技术指导。

不考虑正、负极导线起晕场强差别时,计算结果能够基本反映负极导线侧的地面合成电场和离子流密度分布；考虑正、负极导线起晕场强差别时,计算结果与实测结果更为接近。

影响直流线路合成电场和离子流密度的因素较多,需要进一步研究正、负极导线的起晕特性和相关参数设定,才能更准确地预测直流线路的地面合成电场和离子流密度分布。

〔2〕傅宾兰.高压直流输电线路地面合成场强与离子流密度计算〔J〕.中国电机工程学报,1987,7(5):57-63.

〔3〕JOHNSON G B.Degree of corona saturation for HVDC transmission lines〔J〕.IEEE Transactions on Power Delivery,1990,5(2): 695-703.

〔4〕AL－HAMOUZ Z,ABDEL－SALAM M.Finite-element solution of monopolar corona on bundle conductors〔J〕.IEEE Transactions on Industry Applications,1999,35(2):380-386.

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

〔6〕M.P.Sarma,W.Janishewskyj.Analysis of corona losses on DC transmission lines part I－Unipolar lines〔J〕,IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1969,88(5):718-731.

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

〔8〕崔翔.高压直流输电线路离子流场计算方法研究进展〔J〕.中国电机工程学报,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,大学本科,工程师,主要从事电力系统电磁环境试验与研究工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.01.001

2013-06-03

国网湖南省电力公司重点科技项目 (KZ12K16004)

黄韬(1988),男,工学硕士,助理工程师,主要从事电力系统电磁环境与电磁兼容的试验与研究工作。

吕建红 (1981),男,工学博士,工程师,主要从事电力系统电磁环境与电磁兼容的试验与研究工作。