尚贺子

（河南省实验中学文博学校，河南郑州 450002）

±800 kV直流输电导线表面电场及电磁环境研究

尚贺子

（河南省实验中学文博学校，河南郑州 450002）

为研究±800 kV特高压直流输电线路无线电干扰和可听噪声水平，使用模拟电荷法计算了一定几何结构下的输电导线表面的场强大小。在±10%范围内改变导线高度、极间距、子导线直径，分析以上各几何因素对导线表面电场强度的影响。获得了各条子导线表面的电场分布，以及不同子导线直径所对应的无线电干扰和可听噪声水平。计算表明，使用±800 kV特高压直流输电导线结构，得到的电磁环境指标均符合国际标准。

高压直流输电；导线表面电场；电晕放电；无线电干扰；可听噪声

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.12.20

0 引言

随着我国的快速发展，特高压直流输电在我国电网中所占比例与日俱增。特高压输电线路的电磁特性对其沿线所经地区的影响是线路设计和运行所要考虑的问题之一[1]。为使沿线居民的正常生活得到保障和经济效益最大化，需探求导线表面场强大小以及影响输电导线表面场强的因素，进而获得一定场强下的无线电干扰和可听噪声水平。当特高压直流输电导线表面场强大于电晕起始场强时，导线周围的空气分子被电离成正负离子[2-4]，该过程伴随导线上高频电流脉冲的发生，并产生可听噪声。

使用模拟电荷法，将±800 kV双极输电导线使用成组的模拟线电荷替代，获得了导线表面的场强分布。计算了导线高度、极间距和子导线直径分别对导线表面场强的影响，为特高压输电线路的设计运行提供参考。

1 计算模型和方法

1.1 计算模型

对于高压直流输电线路和地面之间区域的电位分布，若使用Laplace方程描述，则写为式（1）。

式中 φ——节点电位，V

计算模型的边界条件：①导线表面电位φ=±800 kV；②地面电位φ=0 V。特高压±800 kV直流输电杆塔的典型结构如图1所示[5]。设导线高度H为21 m，极间距Dp为22 m，导线分裂间距Ds为0.45 m，子导线直径Dc为3.62 cm。

1.2 计算方法

使用模拟电荷法计算±800 kV特高压直流输电子导线表面的标称电场分布。模拟电荷法（Charge Simulation Method，CSM）[6-7]是计算电场分布的主要方法之一。该方法将金属电极表面连续分布的自由电荷用一组离散化的模拟电荷进行替代。只要通过一定条件算出模拟电荷，即可实现等效替代。模拟电荷法可看作是广义的镜像法，因为镜像法同样是基于边界条件不变，将场域边界上的电荷等效替代为该区域外的镜像电荷。但模拟电荷法在数值处理和工程应用上优于镜像法[8]。

根据电位叠加原理，对应于各匹配点Mj，逐一列写由设定的模拟电荷所建立的电位方程组[8]，见式（2）。

图1 高压直流输电杆塔结构示意

方程组（2）中的元素 Pij为[9]式（3）。

式中ε——空气的介电常数，8.85×10-12F/m

（xi，yi）———第i个匹配点坐标

（Xj，-Yj），（Xj，Yj）———第j对模拟线电荷的坐标

2 计算结果

当输电电压等级一定时，影响子导线表面场强的因素有导线高度、极间距、分裂间距、子导线直径等。由于不同几何结构会对地面合成电场大小产生影响，而我国对输电线路电磁环境有相应指标[10]，因此需要研究影响电场强度的因素。

每条子导线表面电场强度的最大值随导线高度H的变化关系如图2所示。极间距、子导线分裂间距、子导线半径的取值与图1相同。子导线表面电场强度随导线高度的增加而减小。当导线高度H从基准值21 m的0.9倍18.9 m增加到基准值的1.1倍23.1 m时，即增加了22.2%，第5号子导线表面最大场强变化最为明显，但也仅减小了1.3%，从22.05 kV/cm减小到21.76 kV/cm；第2号子导线表面最大场强的变化最不明显，仅仅减小了0.85%，从22.40 kV/cm减小到22.21 kV/cm。

对于每条子导线表面电场强度的最大值随极间距Dp的变化，计算表明子导线表面电场强度随极间距的增加而减小。当极间距Dp从基准值22 m的0.9倍19.8 m增加到基准值的1.1倍时，即增加了22.22%，第1号子导线表面最大场强变化最为明显，减小了4.52%。第4号子导线表面最大场强的变化最不明显，减少了3.18%。

对于每条子导线表面电场强度的最大值随子导线直径Dc的变化，计算表明子导线表面电场强度随子导线直径的增加而迅速减小。当子导线直径Dc从基准值的0.9倍3.258 cm增加到基准值的1.1倍3.982 cm时，即增加了22.22%，第4号子导线表面最大场强变化最为明显，减小了14.80%，第1号子导线表面最大场强的变化最不明显，减小了14.58%。计算还表明，当子导线直径以基础值3.62 cm浮动±10%时，子导线表面场强的最大值可以浮动±8%左右。导线高度、极间距、分裂间距以某一基础值变化±10%时，子导线表面场强的最大值分别变化±1%、2%、0.5%左右。这表明，与导线高度、极间距相比，子导线直径对子导线表面电场强度影响最为明显。

图2 子导线表面场强最大值随导线高度的变化

3 无线电干扰和可听噪声的计算

无线电干扰和可听噪声水平是描述输电线路重要的电磁环境参数。由于高压直流输电线路的电晕放电，放电脉冲将在空中产生高频电磁波，可能对无线电通信产生影响，因此需要计算可接受的无线电干扰范围。此外，电晕放电还会有“咝咝”的噪声，也需要定量计算噪声的强度。基于导线表面电场强度的结果，可以计算无线电干扰（Radio Interference，RI）和可听噪声（Audible Noise，AN）。根据参考文献[11，12]，线路无线电干扰和可听噪声的计算公式见式（4）和式（5），观测点的对地高度是1.5 m，导线结构尺寸与图1相同。

式中 Emax——导线表面最大场强值，kV/cm

n———导线为分裂数，n=6

d———观测高度，d=1.5 m

计算结果表明，子导线直径为4.4 cm时，无线电干扰最大值为 53.3 dB（μV/m），仍小于电磁环境限值 55 dB（μV/m）。当子导线半径＞4.4 cm时，距导线水平距离20 m外处的可听噪声也未超过限值45 dB（A）。

4 结论

使用模拟电荷法定量计算了±800 kV特高压直流输电线路子导线表面电场强度的分布和最大值；基于无线电干扰和可听噪声的经验公式，计算了±800 kV直流输电线路地面附近的无线电干扰和可听噪声水平，取得了如下结论。

（1）与导线高度和极间距相比，子导线直径是影响子导线表面电场强度最重要的几何参数。当子导线直径以基础值浮动±10%时，子导线表面场强的最大值可以浮动±8%。

（2）导线高度和极间距以某一基础值变化±10%时，子导线表面场强的最大值分别变化±1%和±2%。

（3）使用±800 kV特高压直流输电线路几何参数，计算得到的地面附近的无线电干扰和可听噪声水平均低于国际标准的限值。

［1］赵畹君.高压直流输电工程技术［M］.北京:中国电力出版社，2011.

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［3］Z.Zou，X.Cui，T.Lu，X.Bian.Measurement method of ionic mobilities in direct current corona discharge in air［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2016，23（3）:1879-1885.

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［10］中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T 1088—2008，±800 kV特高压直流线路电磁环境参数限值［S］.

［11］Methods of Calculation of Radio Interference From High Voltage Overhead Transmission Lines.DL/T 691-1999.

［12］IEEE Standard for the Measurement of Audible Noise From Overhead Transmission Lines.IEEE Std.656-1992.

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〔编辑 凌 瑞〕