直流架空輸電線路合成電場(chǎng)屏蔽措施分析

周象賢，劉巖

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

輸配電技術(shù)

直流架空輸電線路合成電場(chǎng)屏蔽措施分析

周象賢，劉巖

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014）

直流輸電線路電暈放電所產(chǎn)生的空間離子會(huì)使得地面附近的電場(chǎng)大幅增加，產(chǎn)生合成電場(chǎng)問(wèn)題。為了降低線路下方某些敏感區(qū)域的合成電場(chǎng)，需要采取一些屏蔽措施。采用通量線法對(duì)屏蔽線和屏蔽網(wǎng)2種合成電場(chǎng)屏蔽措施進(jìn)行定量計(jì)算分析，結(jié)果顯示屏蔽網(wǎng)的屏蔽效果更好，屏蔽線更適合用于大區(qū)域的合成電場(chǎng)屏蔽。指出了這2種屏蔽措施在實(shí)際應(yīng)用中需要注意的問(wèn)題。

直流輸電線路；合成電場(chǎng)；屏蔽線；屏蔽網(wǎng)；措施

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)西電東輸工程的建設(shè)，已經(jīng)有越來(lái)越多的直流架空輸電線路投入了運(yùn)營(yíng)。直流線路的電暈放電與交流線路差別較大，因?yàn)榻涣骶€路電壓周期性正負(fù)交替，電暈放電所產(chǎn)生的離子會(huì)在交流線路附近往復(fù)運(yùn)動(dòng)，但不會(huì)運(yùn)動(dòng)到離線路較遠(yuǎn)的區(qū)域。而直流線路的電壓極性是恒定的，線路電暈所產(chǎn)生的離子始終會(huì)朝著一定的方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)一部分離子運(yùn)動(dòng)到地面附近時(shí)，會(huì)使得地面電場(chǎng)增大2~3倍，這就是所謂合成電場(chǎng)問(wèn)題。

當(dāng)離子運(yùn)動(dòng)到地面附近時(shí)，會(huì)對(duì)懸浮或接地不良導(dǎo)體充電，使得導(dǎo)體電位提高，當(dāng)有人員接觸時(shí)會(huì)形成暫態(tài)電擊感[1]。此外，空間離子還可能會(huì)對(duì)線路下方的儲(chǔ)油設(shè)施等敏感目標(biāo)構(gòu)成一定的威脅[2]。根據(jù)我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，直流線路設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)能夠保證線路下方最大地面合成電場(chǎng)不超過(guò)30kV/m，直流線路走廊邊緣處合成電場(chǎng)不超過(guò)15kV/m，離子流密度不超過(guò)100 μA/m2[3]。因此，對(duì)于已建直流線路附近出現(xiàn)較為敏感的目標(biāo)時(shí)，研究如何對(duì)目標(biāo)附近局部區(qū)域的合成電場(chǎng)進(jìn)行抑制具有重要意義。

目前，見諸報(bào)道的合成電場(chǎng)抑制措施包括屏蔽線和屏蔽網(wǎng)2種。屏蔽線主要用于抑制較大范圍區(qū)域的合成電場(chǎng)[4]，它可以架設(shè)在既有的線路桿塔上，所需費(fèi)用不高，效果顯著。屏蔽網(wǎng)可以用于抑制小范圍內(nèi)的合成電場(chǎng)，其效果較屏蔽線更為顯著[5]，但造價(jià)也更昂貴。

本文利用現(xiàn)有計(jì)算方法對(duì)屏蔽線和屏蔽網(wǎng)的合成電場(chǎng)抑制作用進(jìn)行了分析，指出了這2種方法在實(shí)際應(yīng)用中所需要注意的問(wèn)題。

1 計(jì)算方法

合成電場(chǎng)問(wèn)題的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型可以寫為[6]：

式中：φ為電位；ρ為空間電荷密度；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；ε0為真空介電常數(shù)。

本文采用的計(jì)算方法為通量線法，該方法已經(jīng)比較成熟，僅作簡(jiǎn)要介紹。該方法進(jìn)行合成電場(chǎng)計(jì)算時(shí)，首先需要計(jì)算空間的電場(chǎng)線分布；其次，假設(shè)合成電場(chǎng)與標(biāo)稱電場(chǎng)（無(wú)空間電荷電場(chǎng)）之間的關(guān)系為∶

式中：A為合成電場(chǎng)與標(biāo)稱電場(chǎng)間的倍數(shù)關(guān)系；Enom為標(biāo)稱電場(chǎng)。由式（1）—（3）可知，只要求出A就可得到空間合成電場(chǎng)，而該系數(shù)的求解可以沿每一條電場(chǎng)線進(jìn)行，其求解公式為：

式中：Ae和ρe分別表示A和ρ在導(dǎo)線表面的取值；φ1為計(jì)算點(diǎn)的電位；U為導(dǎo)線電位。

2 屏蔽線對(duì)合成電場(chǎng)的屏蔽效應(yīng)

2.1 線路下方無(wú)屏蔽線時(shí)

利用上節(jié)所描述的計(jì)算方法，對(duì)某典型±800 kV直流輸電線路線下懸掛屏蔽線時(shí)的合成電場(chǎng)分布情況進(jìn)行了計(jì)算和分析。該線路最低點(diǎn)高度為18 m（下文所有線路高度均指最低點(diǎn)高度）、導(dǎo)線半徑16.8 mm、分裂距離0.45 m、分裂數(shù)為6、極間距離20 m。計(jì)算中正負(fù)離子遷移率均取1.5× 10-4m2/V·s，線路起暈場(chǎng)強(qiáng)取18 kV/cm。

圖1（a）所示為直流線路下方?jīng)]有屏蔽線時(shí)的線路結(jié)構(gòu)，圖1（b）所示為該結(jié)構(gòu)的合成電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。圖1（a）中O點(diǎn)為合成電場(chǎng)計(jì)算中的橫坐標(biāo)0 m位置，下文中的合成電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果橫坐標(biāo)0 m位置與此相同。由圖1（b）可見，此時(shí)的合成電場(chǎng)峰值處于線路外側(cè)約2 m處（即離橫坐標(biāo)原點(diǎn)12 m處），合成電場(chǎng)峰值約為25kV/m，而在線路外側(cè)16 m處合成電場(chǎng)已經(jīng)降到了15kV/m以下，正負(fù)極導(dǎo)線下方合成電場(chǎng)分布差異不大。

全域旅游時(shí)代背景下，“+旅游”模式能夠充分發(fā)揮旅游產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)能力，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供發(fā)展更好的平臺(tái)，形成經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新局面。修水縣應(yīng)圍繞打造“國(guó)家全域旅游示范區(qū)”的總體目標(biāo)，大力推動(dòng)“+旅游”發(fā)展戰(zhàn)略方向，依據(jù)其優(yōu)越的自然環(huán)境和社會(huì)歷史人文背景，改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，探尋鄉(xiāng)村旅居、水域風(fēng)光、休閑度假、宗教傳承、文化影響等多元化的旅游發(fā)展方向，創(chuàng)建“+旅游”模式，形成全域旅游新局。

圖1 線路下方無(wú)屏蔽線時(shí)的合成電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

2.2 線路下方有2條屏蔽線時(shí)

在圖1（a）所示的線路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在正負(fù)極導(dǎo)線正下方位置各增設(shè)1條半徑為8 mm的屏蔽用架空地線，該架空地線高度設(shè)為5 m，在其他計(jì)算參數(shù)均保持不變的情況下，其合成電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖2所示。圖2（a）所示為直流線路下方有2條屏蔽線時(shí)的線路結(jié)構(gòu)，圖2（b）所示為該結(jié)構(gòu)的合成電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。由圖2（b）可見，此時(shí)的合成電場(chǎng)峰值處于線路外側(cè)約5.2 m處，合成電場(chǎng)峰值約為21.8kV/m，在線路外側(cè)17 m處合成電場(chǎng)已經(jīng)降到了15kV/m以下。與2.1節(jié)計(jì)算結(jié)果相比較可見：在正負(fù)極導(dǎo)線下方各增設(shè)1條屏蔽線時(shí)，地面合成電場(chǎng)峰值下降了12.8%，峰值所處位置向?qū)Ь€外側(cè)移了4 m，但按照15kV/m控制的走廊寬度變化不大。

2.3 線路下方有4條屏蔽線時(shí)

為了比較屏蔽線根數(shù)增加時(shí)地面合成電場(chǎng)的變化情況，在2.2節(jié)的基礎(chǔ)上于正負(fù)極導(dǎo)線外側(cè)2 m處分別增加1條屏蔽線，屏蔽線高度仍為5 m。此時(shí)線路結(jié)構(gòu)和合成電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由圖3（b）可見，合成電場(chǎng)峰值為19.8kV/m，峰值位置處于線路外側(cè)7 m處，在線路外側(cè)17 m處合成電場(chǎng)已經(jīng)降到了15kV/m以下。與2.2節(jié)中只有2條屏蔽線時(shí)的計(jì)算結(jié)果相比，合成電場(chǎng)峰值進(jìn)一步下降了約9.2%，但是峰值位置和走廊寬度基本不變。

圖3 線路下方有4條屏蔽線時(shí)的合成電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

2.4 屏蔽線屏蔽效果的影響因素

從2.2節(jié)和2.3節(jié)的計(jì)算結(jié)果可見，屏蔽線對(duì)于地面合成電場(chǎng)有明顯的屏蔽效果。為了給屏蔽線的實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)，就屏蔽線粗細(xì)、懸掛高度對(duì)屏蔽效果的影響進(jìn)行分析。

表1 屏蔽線粗細(xì)對(duì)屏蔽效果的影響

表2所示為屏蔽線高度對(duì)合成電場(chǎng)屏蔽效果影響的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算所采用的線路結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，屏蔽線半徑固定在8 mm，屏蔽線高度從3 m增大到8 m。從表2可見：地面合成電場(chǎng)峰值隨屏蔽線高度的增加而先減小后增大，屏蔽線高度從3 m增加到6 m時(shí)，合成電場(chǎng)峰值下降了11.8%；屏蔽線高度從6 m增加到7 m時(shí)，地面合成電場(chǎng)峰值增大了5.4%；再繼續(xù)增加屏蔽線高度，合成電場(chǎng)峰值變化不大。可見，屏蔽線高度對(duì)于屏蔽效果的影響較為顯著，并且存在1個(gè)最佳懸掛高度，對(duì)于本節(jié)所采用的線路結(jié)構(gòu)而言，最佳懸掛高度約為6 m。

表2 屏蔽線高度對(duì)屏蔽效果的影響

從本節(jié)的計(jì)算和分析可知，改變屏蔽線半徑對(duì)于屏蔽效果影響不大，但是調(diào)整屏蔽線高度對(duì)于屏蔽效果則具有顯著影響，這是在實(shí)際應(yīng)用中需要引起注意的問(wèn)題。

3 屏蔽網(wǎng)對(duì)合成電場(chǎng)的抑制效應(yīng)

3.1 屏蔽網(wǎng)的架設(shè)方法

將接地的屏蔽網(wǎng)架設(shè)在敏感目標(biāo)的上方可以有效降低屏蔽網(wǎng)下方區(qū)域的合成電場(chǎng)。圖4所示即為典型的屏蔽網(wǎng)架設(shè)方法，這種架設(shè)方法可以保護(hù)屏蔽網(wǎng)下方區(qū)域內(nèi)的敏感目標(biāo)。

圖4 合成電場(chǎng)屏蔽用屏蔽網(wǎng)的典型架設(shè)方式

3.2 屏蔽網(wǎng)線徑對(duì)屏蔽效果的影響

本節(jié)的計(jì)算仍然采用了本文第2部分所述的典型±800 kV直流線路類似的結(jié)構(gòu)，區(qū)別為極間距離為22 m，其它計(jì)算參數(shù)保持一致，計(jì)算基本原理如第2部分所述，區(qū)別在于屏蔽網(wǎng)屏蔽性能的計(jì)算是三維的[5]，因而計(jì)算量與計(jì)算復(fù)雜度均要大一些。

為了分析屏蔽網(wǎng)線徑（本文均指半徑）對(duì)屏蔽效果的影響，計(jì)算中將1個(gè)2 m×2 m的屏蔽網(wǎng)放在了導(dǎo)線外側(cè)4 m處，屏蔽網(wǎng)平行于地面，高度固定在3 m，屏蔽網(wǎng)網(wǎng)孔邊長(zhǎng)為0.66 m（正方形）。表3所列為不同線徑的屏蔽網(wǎng)正下方平均合成電場(chǎng)強(qiáng)度，由表3可見：屏蔽網(wǎng)線徑越大其屏蔽效果越好，但是當(dāng)屏蔽網(wǎng)線徑從0.5 mm增大到1.5 mm時(shí)，其下方合成電場(chǎng)只降低了3.9%，這說(shuō)明通過(guò)增大屏蔽網(wǎng)線徑來(lái)改進(jìn)屏蔽效果的做法是不經(jīng)濟(jì)的。

表3 屏蔽網(wǎng)線徑對(duì)屏蔽效果的影響

3.3 屏蔽網(wǎng)網(wǎng)孔大小對(duì)屏蔽效果的影響

將3.2節(jié)中屏蔽網(wǎng)線徑固定在1 mm，改變屏蔽網(wǎng)網(wǎng)孔的大小，其對(duì)屏蔽效果的影響如表4所示。比較沒(méi)有屏蔽網(wǎng)和有網(wǎng)孔為0.66 m的屏蔽網(wǎng)時(shí)的屏蔽效果，合成電場(chǎng)下降了22%，這說(shuō)明網(wǎng)孔很稀疏的屏蔽網(wǎng)也能起到良好的屏蔽作用。當(dāng)繼續(xù)減小網(wǎng)孔大小時(shí)，合成電場(chǎng)持續(xù)下降，說(shuō)明網(wǎng)孔較密的屏蔽網(wǎng)具有更好的屏蔽效果。

表4 屏蔽網(wǎng)網(wǎng)孔大小對(duì)屏蔽效果的影響

4 結(jié)論

本文對(duì)屏蔽線和屏蔽網(wǎng)2種合成電場(chǎng)屏蔽措施的效果進(jìn)行了定量計(jì)算，通過(guò)計(jì)算和分析認(rèn)為應(yīng)用這2類屏蔽方法時(shí)需要注意以下問(wèn)題：

（1）屏蔽線適合于大區(qū)域的合成電場(chǎng)屏蔽，屏蔽網(wǎng)適合于小區(qū)域的合成電場(chǎng)屏蔽，并且屏蔽網(wǎng)的屏蔽效果更好。

（2）屏蔽線和屏蔽網(wǎng)的線徑大小對(duì)于屏蔽效果有一定影響，但影響不大，實(shí)際應(yīng)用中可以以機(jī)械性能為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)挑選合適的屏蔽線與屏蔽網(wǎng)。

（3）為了取得最好的屏蔽效果，屏蔽線的懸掛高度可參考其最佳高度。

（4）網(wǎng)孔較大的屏蔽網(wǎng)已具有顯著的屏蔽效果，但屏蔽網(wǎng)的網(wǎng)孔越小屏蔽效果越好。

[1]甄永贊，崔翔，盧鐵兵，等.離子流場(chǎng)中導(dǎo)體充電電位的計(jì)算[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（27）∶8-13.

[2]ATCO Electric.Facts about electrical effects from direct current transmission lines[EB].2011.

[3]DL/T 1088-2008±800 kV特高壓直流線路電磁環(huán)境參數(shù)限值[S].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[4]Y AMANO，Y SUNAGA.Study on reduction in electric field,charged voltage,ion current and ion density under HVDC transmission lines by parallel shield wires[J]. IEEE Trans.on Power Delivery，1983，4（2）∶1351-1359.

[5]XIANGXIAN ZHOU.Analysis of the Shielding Effect of Wire Mesh to Ion Flow Field from HVDC Transmission Lines[J].IEEE Trans.on Magnetics，2014，50（20）∶89-92.

[6]MARUVADA P S，JANISCHEWKY W．Analysis of corona loss on DC transmission lines：II-bipolar lines[J]．IEEE Transaction on Power Apparatus and System，1969，88（10）∶1476-1491.

（本文編輯：趙曉明）

Synthetic Electric Field Shielding Measures Analysis of DC Overhead Transmission Lines

ZHOU Xiangxian，LIU Yan
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

The ions generated by corona discharge on DC transmission lines will enhance the ground level electric field substantially，resulting in synthetic electric field.Shielding measures is probably necessary to reduce synthetic electric field around sensitive objects under the lines.This paper uses the flux tracing method to analyze the shielding effect of shielding wire and shielding mesh.The results show that the shielding mesh has better shielding effect，while the shielding wire is more appropriate for synthetic electric field shielding in large areas.Several precautions in application of the two shielding measures are proposed.

DC transmission lines；synthetic electric field；shielding wire；shielding mesh；measures

TM835.4

A

1007-1881（2015）06-0001-04

2015-03-04

周象賢（1987），男，工程師，研究方向?yàn)檩旊娋€路防雷、載流量計(jì)算與電暈。