500 kV/±800 kV交直流同走廊運行時的電磁環境分析

楊子科， 徐瑋江， 肖宏峰

(1.國網湖南常德德山區供電公司， 湖南 常德 415001； 2.沙理工大學 電氣與信息工程學院， 長沙 410004)

隨著中國經濟的迅猛發展，社會對電能的需求日益增大。由于中國資源分布與經濟發展的不均衡，需要建設大量高壓架空輸電線路，將西部的電能輸送到經濟較為發達的東部[1-2]，不可避免地會造成交直流輸電線路同走廊架設的情況，而高壓輸電線路會對環境造成一定的影響[3-5]，可能會影響到線路周邊居民的正常生活。

文獻[6]利用線性疊加原理得出了交直流混行架空線路所產生的混合電場計算方式，結合不同天氣下線路電暈放電強度的改變，提出了交直流線路同走廊架設時無線電干擾和可聽噪聲的計算方法。文獻[7]針對高海拔地區±500 kV直流輸電線路電磁環境進行了計算與分析，并對不同型號的導線進行了無線電干擾和可聽噪聲等電磁環境參數的計算，選出了更適合于高海拔地區的超高壓直流導線型號。文獻[8]總結了多種電場的標準，提出了交直流混合電場的合成方法，計算了±800 kV直流輸電線路與220 kV交流輸電線路的平行距離，給出了各相導線的最小對地高度。近些年來，大多數學者僅研究了交流線路與直流線路單獨運行時的電磁環境影響[9-11]，而對交直流線路同塔混行時的電磁環境鮮有研究。

筆者通過上海-向家壩±800 kV特高壓直流線路參數與500 kV超高壓交流輸電線路并行，利用CDEGS仿真軟件建立超、特高壓交直流混行的仿真模型，計算不同條件下的混合場強并分析了天氣因素、極導線高度以及交直流導線間距對線路所產生的無線電干擾和可聽噪聲的影響。

1 電磁環境影響原理

交直流線路同塔混行架設時，會對線路周圍的環境造成影響，如圖1所示。在線路周邊的空間中產生一個混合電場，混合電場和電暈效應的計算一般考慮各導線束表面最大或平均最大電場。每個交流導體表面的電場將具有由直流導體產生的直流偏壓，每個直流導體表面的電場將具有由交流導體產生的交流紋波分量。對于每根交直流導線束，當其表面的交流電場分量和直流電場分量之和的平均最大值大于其起暈電場時，就會發生電暈。通過上述分析可以得出：交直流輸電線路平行相鄰架設將影響每根交直流導線束的電暈起始電壓。

圖1 架空線路的電磁環境影響

施加在交流導線束上的電壓變化將改變同一走廊線路附近的空間無電荷電場，會影響直流電暈產生的空間電荷分布。直流電暈產生的大量空間電荷將被交流輸電線路阻止到達位于交流輸電線路下方的地面[12-13]。

由于無線電干擾的頻帶寬度較大，通常在工程應用中僅計算其0.5 MHz時的分量[14-15]。高壓交流線路與直流線路運行時都會產生可聽噪聲，對環境造成一定的影響[16-18]。對于交直流混行線路所產生的可聽噪聲，可通過對交直流線路單獨運行時所產生的可聽噪聲值進行算術相加來計算[19-20]。

2 計算模型及參數設置

模型是基于向家壩-上?！?00 kV特高壓架空輸電線路與500 kV交流架空輸電線路同塔并行完成搭建。大多數學者在進行交直流輸電線路同走廊運行時的電磁環境研究時，僅采用有限元分析法建模進行分析，但該計算方法存在一定的局限性，電流連續性方程的求解無法全面反映交流電壓的變化對空間電荷密度的影響，甚至有少部分學者僅簡單地將交流電場與直流電場疊加進行分析，其計算結果存在較大誤差。而在本文模型中，將地面視為面積無窮大的導體平面，大地表面電位值設置為0，并將輸電線路看作等位面，其電壓值恒定不變，結合上流有限元法與向后歐拉法，可較為全面地考慮不同等級電壓對離子流密度和地面電場的影響，并且考慮了同塔交直流線路空間電荷的運動，可準確分析交流電場對直流離子流場的作用機制。采用CDEGS中的架空交流和直流架空線路設計模塊(SESEnviroPlus)計算了超、特高交直流并行時，架空線路對周邊所造成的電磁環境影響，模型中線路具體布局如圖2所示。其中±800 kV直流架空線路所采用的鋼芯鋁絞線型號為6×LGJ-720/50，其分裂間距取0.45 m，兩根地線均采用型號為JLBIA-150的鋁包鋼絞線，直流線路中心坐標為20 m；500 kV交流線路采用的鋼芯鋁絞線型號為4×LGJ-400/35，其分裂間距為0.45 m，兩根地線均采用型號為JLB-150的鋁包鋼絞線，交流線路中心坐標為-30 m。交流導線對地最低高度為11 m，直流導線對地高度為18 m，土壤電阻率取100 Ω·m；海拔高度為0，大氣壓強設置為750 mm汞柱，溫度取25 ℃，觀測面取地面。

在電磁環境參數模塊中，所需要的導線起始電暈場強可由式(1)所示的Peek公式進行計算，即

(1)

式中：m表示導線表面粗糙系數，對于理想的光滑導線m≈1，通常情況下晴天取0.47，雨天時取0.38；r為導線半徑；δ為空氣相對密度。

圖2 ±800 kV/500 kV交直流混行仿真模型

3 電場強度計算

3.1 交、直流電場及混合電場計算

通過上述模型仿真計算了晴天狀態下，交、直流輸電線路單獨運行時所產生的場強及交直流線路共同作用下的混合電場強度，晴天時m取0.47，由于海拔高度設置為0，δ取1，通過計算得到所需的起始電暈電位梯度值為17.61 kV/cm，場強計算結果如圖3所示。

圖3 電場強度計算

由圖3可知，500 kV交流場強峰值為8.23 kV/m，±800 kV直流場強峰值為28.16 kV/m，混合電場所引起的場強峰值為28.64 kV/m，其數值僅比直流線路單獨運行時高1.7%?？拷涣骶€路處，混合電場的空間分布與交流電場分布趨勢相似，而在靠近直流線路端，混合電場分布與直流電場分布趨勢一致。交直流線路單獨運行時，所產生的電場分布基本在其線路中心左右呈“V”形對稱分布，而混合電場的分布無明顯的規律。交流線路所產生的交流場強在其線路中心位置-30 m時數值最低，為3.57 kV/m，直流線路所引起的直流場強分量在其線路中心位置20 m處數值最低，為0.33 kV/m,交直流混合電場強度最小位置也在20 m處，其數值為0.45 kV/m。

3.2 不同極導線高度

通過改變模型極導線的對地高度進行仿真計算，得出電場分布與極導線高度間的關系。計算結果如圖4所示。

圖4 不同極導線高度下的混合場電場分布

由圖4可知，隨著極導線的升高，地面的混合場強數值也有所下降，當交流導線最低相為9 m，直流為18 m時，混合場強峰值為33.91 kV/m，將交直流極導線相應升高2、4 m時，混合場強峰值分別28.64、24.30 kV/m，分別降低了5.27、4.34 kV/m。不同極導線高度下，兩端導線正下方的混合場強具體數值見表1。

表1 極導線高度對地面混合電場的影響

3.3 不同極導線間距

交流與直流線路位置關系的改變會使線路下方的混合電場分布發生改變，研究混合電場分布與交直流線路中心間距的關系，僅改變交流線路的架設位置即可。筆者分別計算了交直流中心間距40、50、60m時的混合電場分布，其結果如圖5所示。

圖5 不同極導線間距時的混合電場分布

由圖5可知，不同極導線間距對混合電場的空間位置的分布會產生改變，但對于混合場強的峰值影響很小。當改變交流線路中心的架設位置時，僅對交流線路周邊的混合電場影響較大，而對直流線路端的混合電場影響幾乎可以忽略不計。交直流線路中心間距40 m時，混合場強的峰值為29.27 kV/m，間距60 m時，峰值為28.40 kV/m，其導線間距增大20 m，混合場強峰值僅降低2.9%。

4 無線電干擾及可聽噪聲計算

4.1 天氣因素

不同的天氣環境會對線路產生無線電干擾和可聽噪聲造成一定影響。在雨天時，長時間的雨水會使得輸電導線的起始電暈場強有較大幅度的降低，造成線路表面存在大量的離子，不規則導線表面周圍聚集大量電荷，從而使得電暈放強度有所下降。通過CDEGS仿真軟件計算了雨天與晴天時混合線路產生的無線電干擾和可聽噪聲，表2、表3分別列出了交流線路中心和直流線路中心無線電干擾、可聽噪聲的計算結果以及不同天氣下的影響峰值。

表2 不同天氣下線路產生的無線電干擾

表3 不同天氣下線路產生的噪聲影響

由表2可知，不論是晴天還是雨天環境下，直流線路中心處的無線電干擾值都略大于交流線路中心。晴天時，交流線路中心與直流線路中心處所產生的混合無線電干擾值分別為45.27、42.57 dB，雨天環境下的干擾值分別為51.27、50.74 dB。晴天與雨天環境下的干擾峰值分別為55.45、51.95 dB，較雨天而言，晴天環境下的無線電干擾值更大，高出8.7%。參照中國對于±800 kV直流輸電線路的無限電干擾標準的規定，未超過58 dB的限值，符合相關限值要求。故在后續計算中，僅對晴天環境下無線電干擾進行計算分析。

由表3可知，晴天環境下，交直流混合線路產生的可聽噪聲峰值為47.73 dB與交流線路中心正下面產生的噪聲值47.72 dB大小基本相同，對于雨天狀況下的可聽噪聲規律也基本一致，由此可判斷交流線路所產生的可聽噪聲較直流線路而言幅值更大，計算得到晴天、雨天時直流線路中心的可聽噪聲值分別為43.55、41.20 dB，通過對比直流線路中心正下方的可聽噪聲值也可證明該結論。由于晴天時線路產生的可聽噪聲峰值較直流線路高7.5%，故后續分析中也僅對晴天環境下的噪聲值進行計算。按照交直流線路可聽噪聲的限值標準，在檔距中央導線兩端20 m處，晴天不超過45 dB的標準，交直流混合架空線路產生的可聽噪聲干擾略大于限值要求，故在實際工程應用中可采用架設屏蔽線和屏蔽網等措施來減小噪聲影響。

4.2 不同極導線高度

在不改變其他參數的條件下，通過搭建仿真模型計算了晴天環境下極導線設高度對交直流混行線路產生的無線電干擾和可聽噪聲數值的影響，其結果分別如圖6、圖7所示。

圖6 不同極導線高度下的無線電干擾

圖7 不同極導線高度下的可聽噪聲影響

由圖6可知，隨著極導線高度的升高，交直流混行線路下方區域的無線電干擾值有所下降，但是整體的區域分布規律幾乎未發生改變，不論是極導線高度上升還是下降，從計算結果中都可以看出，在交流線路中心與直流線路中心處的無線電干擾值都在其兩端呈“V”形對稱分布。當交流線路最低相架設高度為13 m，直流線路架設高度為20 m時，無線電干擾在距線路中心34 m處取的最大值為54.55 dB，將所有的導線架設高度以依次降低2、4 m，計算得到無線電干擾的最大值分別為55.46、56.48 dB，且其峰值所在位置也基本不變。當極導線高度升高2 m時，無線電干擾峰值會降低1.6%；升高4 m時，其峰值會降低3.4%。無線電干擾值隨極導線高度的變化較小，所以在降低無線電干擾的防護措施中，考慮到工程建設的經濟性，不建議采用升高桿塔高度的方式來提高極導線架設高度。

由圖7可知，交直流混行線路下方的混合區域可聽噪聲值隨著極導線高度的升高而下降。3種不同極導線高度下，都呈現從左至右逐漸上升的趨勢直至在距線路中心31 m位置取得噪聲影響的峰值，按照極導線架設高度由低到高分別為48.54、47.73、47.05 dB，當線路架設高度交流9 m、直流16 m時，線路產生的可聽噪聲數值最大，極導線升高2 m時，其數值下降0.82 dB；升高4 m時，下降1.49 dB。

通過計算可以得出，提升極導線的架設高度可以適當降低交直流混合線路造成的無線電干擾和可聽噪聲影響。

4.3 不同極導線間距

不同間距下交直流混合輸電線路所產生的無線電干擾和可聽噪聲計算結果如圖8、圖9所示。

圖8 不同極導線間距下的無線電干擾

圖9 不同極導線間距下的可聽噪聲影響

由圖8可知，隨著極導線間距的改變，交直流混行線路所產生的無線電干擾的峰值大小幾乎相等，極導線間距40、50、60 m時的無線電干擾峰值分別為55.40、55.46、55.50 dB。在計算模型中是通過改變交流線路位置來改變交流與直流導線間距的，從計算結果中可以發現在交流線路中心-20、-30、-40 m處的無線電干擾值都是其所在單位區間內的最低值，而在邊相導線正下方取得最大值。通過分析，可以得出對于交直流混行線路，改變極導線間距并不會對無線電干擾的數值產生較大的影響，僅會使其空間分布發生相應的移動。

圖9給出了不同極導線間距下，交直流混行線路所產生的可聽噪聲影響，從計算結果中可以發現，隨著導線間距的增大，可聽噪聲的數值并未發生較大的變化，其峰值都在47.70 dB左右。

結果顯示，極導線間距對交直流混行輸電線路產生的無線電干擾和可聽噪聲影響較小，通過改變極導線間距來降低混合線路產生的干擾效果不佳。

5 結論

通過CDEGS軟件對500 kV/±800 kV交直流混行線路進行仿真模型的搭建，并對不同天氣因素、極導線架設高度、極導線間距下的電磁環境進行了仿真計算，得出以下結論：

1)交直流混行線路所產生的混合電場，可不計交流與直流線路間的相互影響，等效于單獨計算交流電場與直流電場后的疊加。

2)交直流輸電線路產的混合場強隨著極導線高度的升高而降低，隨著導線間距的增大而減小。極導線升高4 m混合場強峰值下降9.61 kV/m，導線間距增大20 m，場強峰值降低0.87 kV/m。

3)晴天時的無線電干擾、可聽噪聲值分別比雨天高8.7%、7.5%。晴天時，極導線升高4 m，無線電干擾值下降1.93 dB，可聽噪聲下降1.49 dB；極導線間距的改變對無線電干擾和可聽噪聲數值的影響幾乎可忽略不計。

計算結果可為實際工程中的超、特高壓交直流線路同走廊架設提供一定的參考。