交、直流混合高压送电线路电磁场环境研究

陈聪

【摘 要】针对送电线路电磁场对周围环境影响日益严重的问题,以交、直流混合高压送电线路的电磁场环境为研究重点,分析交、直流线路并行或者同塔混合运行时线路间的相互作用,对其电磁场环境的计算提出更精确合理的方法,并与计算的交流和直流电磁场环境数学叠加方法进行对比,得出结论:在交、直流线路并行且线路间距较小或同塔运行时,不能忽略送电线路间的相互作用对线路电磁场环境的影响.

【期刊名称】《广东电力》 【年(卷),期】2011(024)009 【总页数】4页(P49-52)

【关键词】交、直流混合送电线路;表面电场强度;电磁场 【作 者】陈聪

【作者单位】广东天联电力设计有限公司,广东广州510600 【正文语种】中 文 【中图分类】TM72

随着节能环保、绿色能源的概念不断深入人心,输电线路对周围电磁环境的影响日益受到重视;加上线路走廊资源紧缺,必然带来交、直流输电线路的并列运行或同塔运行,形成多个复杂的交、直流混合送电系统,这也带来了一系列的环保问题。因此,

对交、直流混合送电线路电磁场环境的研究尤其重要。

送电线路的电磁场环境主要包括导线的表面电场强度、线航下方的地面电场、可听噪声、无线电干扰、电晕损失等[1]。当交、直流线路并列或者同塔运行时,由于需考虑线路间的相互作用,使送电线路对周围电磁场环境的影响更加恶劣。 本文提出了更为合理的混合线路电磁场环境的计算方法,并与简单的数学叠加进行对比,得出结论:在交、直流线路并行且间距较小或同塔运行时,不能忽略线路间的相互作用对线路电磁场环境的影响。 1 导线表面电场强度计算

导线表面电场强度直接决定高压送电线路的电晕特性,包括无线电干扰、可听噪音和电晕损失,所以对导线表面电场强度的正确计算是研究送电线路电磁场环境的重点[2]。

目前导线(特别是导线)表面电场强度的计算方法有马克特-门得尔法[1](Markt-Megele)、逐步镜像法[1](多重镜像法)、模拟电荷法及矩量法等。但是,在早期研究中,计算高压送电线路的导线表面电场强度时通常忽略交、直流线路间的相互作用,只是考虑二者单独运行后简单的数学叠加,欠缺精确度。 1.1 马克特-门得尔法

马克特-门得尔法提出用等效单根导线代替导线的思想,简单实用,在工程计算中得到广泛应用。马克特-门得尔法计算表面电场分2步:

a)计算等效电荷,即利用麦克斯韦方程式计算单位长度送电导线上的等效电荷,计算公式为:

式中:Q为导线上的电荷矩阵;P为电位系数矩阵;U为导线上的电压矩阵。 麦克斯韦电位系数包括自电位系数Pii和互电位系数Pik,计算公式为:

式中:ε0为真空介电常数,取值8.8×10-12F/m;hi为导线i距离地面的平均高度;req为导线的等效半径;Dik为导线i与导线k的镜像之间的距离;dik为导线i与导线k之间的距离;R为导线几何半径;n为子导线根数;r为子导线半径。 b)计算等效电荷产生的电场。利用步骤a)计算得到的等效电荷,忽略子导线之间的相互作用,将总电荷平均分配在每根子导线上,即每根子导线上的等效电荷为Q/n,则子导线表面的平均电场强度

实际上由于屏蔽效应,子导线的电场强度在导线外部较大,内部较小,则导线的平均最大与平均最小表面电场分别为:

沿导线圆周任意一点t的电场强度

式中:θ为Et与Emax间的夹角。

从以上计算过程可以看出,马克特-门得尔法的缺点是没有反映导线中每根子导线表面的电场大小和分布,特别是导线超过4根时不能计算导线附近的空间电场和电位,且计算准确度较差。

研究表明,混合线路中交、直流导线表面的电场强度有交流和直流2个分量。在直流导线表面的电场强度有1个因交流导线而产生的交流纹波,在交流导线表面的电场强度有1个因直流导线而产生的直流偏置,因此不能简单地计算,然后叠加。 如何将线路间的相互作用引入电场计算中成为解决问题的核心。本文提出在利用麦克斯韦电位系数法计算导线表面电荷分布的过程中考虑邻近线路导线对电荷分布的影响,即1种改进的麦克斯韦电位系数法。将式(1)中的P和U扩充成为混合线路导线电位系数矩阵P′和电压矩阵U′,继而得到更精确的导线电荷分布矩阵Q′。该方法的核心思想是利用麦克斯韦电位系数法将交、直流混合送电线路作为1个整体加

以考虑,使电磁场环境计算的理论基础发生本质变化,能准确反映实际状况。通过进一步运用逐步镜像法即可求得导线表面的电场强度。 1.2 算例

本文以500kV水平排列的单回交流线路和±500kV单回直流线路为例,考虑交、直流同走廊架设,电磁场环境计算模型如图1所示。图1中,D为交、直流线路的中心间距,H2为考虑高温时导线弧垂最低点的离地安全距离;交、直流导线分别为4XLGJ-400/35型和4XLGJ-720/50型钢芯铝绞线;交、直流地线型号分别为 JLB4-150和JLBIA-150。本文计算在交、直流线路间距分别为40 m和100 m的情况下,交流与直流线路单独运行计算和考虑线路间相互作用时导线的表面电场强度。计算结果见表1、表2。 图1 计算模型

表1 交、直流线路单独运行时导线表面电场强度线路类型导线表面电场强度/(V.cm-1)导线 地线直流 51 991 8 510交流 16 091 5 391

表2 交、直流线路混合运算时导线表面电场强度线路类型线路间距/m导线表面电场强度/(V.cm-1)导线 地线直流40 437 10 679 100 52 392 9 433交流 40 23 082 10 4 100 19 388 7 462

表1、表2中的计算数据证明,考虑了线路间相互影响的导地线表面电场强度在线路间距较小时与没考虑时的情况下相比存在较大差距,距离缩小,差距更加明显。 2 线航下方地面电场强度计算 2.1 算法

对于L相(L可表示线路三相中的任一相)导线上的电荷在线下空间任意点 ρ产生的电场强度为:

式中:Eρ v和Eρ h分别为ρ垂直和平行地面的分量,Eρ为ρ的模;xi、yi分别为第i

根导线的横、纵坐标;Di ρ为第i根导线与ρ点的距离;D′iρ为第i根导线镜像与ρ点的距离;Qi为第i根导线所带电量。 图2为地表电场强度计算曲线。 图2 地表电场计算曲线 2.2 算例

从原理分析得知,地面电场的大小主要由导线表面的电荷分布情况决定,而考虑了线路间的作用后地面电场强度加强,且当间距较小时更明显。 3 可听噪声计算 3.1 算法

3.1.1 交流线路可听噪音计算采用美国邦纳维尔电力局的预测公式:

式中:An为A计权声级;z表示相数;DL为测点至被测L相导线的距离;PL为L相导线的声功率级,PL=-1.6+120lg Emax+55lg deq,deq=0.58n0.48d,其中,Emax为导线表面最大电场强度,d为子导线直径,deq为导线等效直径。该公式适用于导线间距为30～50 cm、导线表面电场强度为 0～0.25kV/m的常规对称导线[3-4]。

3.1.2 直流线路可听噪音计算 采用美国邦纳维尔电力局的预测公式:

式中:Emax为导线表面最大电场强度;deq=0.66n0.d;D为离正极性导线的距离。 图3为可听噪音计算曲线。 3.2 算例

从原理分析得知,可听噪音的大小主要由导线的表面电场强度决定,而是否考虑线路间的作用会使其存在差距,且当间距较小时这种差距更明显。

图3 可听噪音计算曲线 4 无线电干扰计算

采用电力行业标准DL/T 691—1999《高压架空线送电线路无线电干扰计算方法》[5]以及美国西屋电力公司推荐的公式计算。 4.1 单相交流线路

单相交流线路无线电干扰计算公式为

式中:R为无线干扰值。 4.2 三相单回交流线路

三相交流线路无线电干扰计算公式为

式中:RL为距L相导线直接距离DL处的无线电干扰值;DL为被干扰点距L相导线的距离;EL,max为L相导线表面的最大电位梯度,

计算出每一相在某一点产生的无线电干扰场强,如果有一相的无线电干扰场强值至少比其余相大3 dB,则无线电干扰场强值即为该场强值,否则按照下式再计算:

式中:RL为高压交流架空送电线无线电干扰场强;RL1、RL 2为三相导线中两相较大无线电干扰场强。 a)同塔多回交流线路

计算出单相输电线路的无线电干扰场强度后,将同名相导线产生的场强几何相加。

式中:RL,j为第j回L相导线在计算点处的干扰场强。

如果有一相的无线电干扰场强值至少比其余相大3 dB,无线电干扰场强值即为该场强值,否则按(17)式计算。

5 结束语

对高压输电交流线路和直流线路的电磁环境进行了分析,着重研究了高压送电线路交、直流线路之间的相互影响,提出了改进的麦克斯韦电位系数法。从交、直流混合高压送电线路的导线表面电场强度、下方地面电场、可听噪声、无线电干扰等方面进行算法分析,并与交、直流线路单独运行时的情况进行比较,得出结论:高压送电线路交、直流间的相互影响随线路间距的减小而增强,所以在进行电力线路设计和运行过程中,在线路间距较小甚至同塔的情况下,应考虑线路间的相互作用,准确把握线路间的电磁环境。 参考文献:

[1]林福昌.高电压工程[M].北京:中国电力出版社,2006.LIN Fu-chang.High Voltage Engineering[M].Beijing:China Electric Power Press,2006. [2]邬雄,万保全.交流特高压输电电磁环境影响问题的研究[R].武汉:武汉高压研究所,2005.WU Xiong,WAN Bao-quan.Research on Impact of Electromagnetism of AC UHV Transmission on

Environment[R].Wuhan:Wuhan HV Research Institute,2005.

[3]刘振亚.特高压电网[M].北京:中国经济出版社,2005.LIU Zhen-ya.UHV Power Grids[M].Beijing:China Economy Publishing House,2005.

[4]OLSEN R G.Radio Noise due to Corona on a Multi-conductor Power Line above a Dissipative Earth[J].IEEE Transactions on Power Delivery,1998,3(1):272-287.

[5]DL/T 691—1999,高压架空送电线路无线电干扰计算方法[S].DL/T691-1999,Calculation Method for Radio Interference of HV Overhead Transmission Lines[S].