004800kV直流线路与交流线路并行时的电磁环境监测及评估研究可研Word下载.docx

1、800kV相关电网的建设，我国电网交直流并行的输送格局已基本形成。然而，在特/超高压输电线路不断的建设中，输电走廊尤其是经济发达地区输电线路走廊日趋紧缺，制约了我国新输电线路的建设。如当大型换流站的交、直流进出线数目较多时，难免会出现交、直流线路彼此接近的情况。可以想象，随着输电线路走廊资源的紧缺，直流线路与交流线路同走廊架设已不可避免，甚至出于节约输电走廊的考虑，采用交直流同塔方案也是可能的。当输电线路交直流混合架设时，交直流线路导线间距离较小，相互间影响使得导线表面电位梯度不同程度的变大。混合线路的电磁环境较单回路交流或直流更为复杂，影响范围较单回路交、直流线路大。虽然交直流电晕模式不尽相

2、同，但由其产生的电晕噪声、无线电干扰的环境影响、测量方法、评价依据基本相同。而混合架设线路的交流电场和直流合成电场相互影响，形成了一个变化的混合电场，且由于交流电场和直流电场对周围环境的影响机理不尽相同，测量仪器、测量方法不同，目前在交直流线路并行时的混合电磁环境计算方法、测试系统研制和控制值等方面取得了一定成果，并用于工程设计。对于交直流混合电磁环境，虽然在试验基地进行过模拟试验，但缺乏对较大范围的实际工程进行测试分析；另外，对于交直流线路并行架设时，在电磁环境方面是否同时考虑交直流的迭加影响，还存在一定争议。因此如何测量、评价800kV 特高压直流输电线路与交流线路平行架设区域的电磁环境水

3、平，确定适用于工程的混合电磁环境评估方法，评估现有混合电磁环境计算方法的适用性，避免工程运行后出现投诉和纠纷，是急需解决的制约工程建设的重大问题。1.2 项目的经济效益分析（1）技术、经济、社会效益分析通过开展800kV直流线路与交流线路并行时的电磁环境监测及评估研究，具有重大的社会效益和重要的技术经济意义。主要体现在两个方面：其一、社会公众日益关注输变电工程附近的电磁环境，许多高压输电线路由于地面的电磁环境问题不得不重新改变线路路径，或大量拆迁居民。通过研究特高压直流输电线路与交流线路平行架设区域的电磁环境水平，对控制线路的电磁环境优化设计，对同塔混合架设线路工程的实施、标准化建设，以及改善

4、线路周边的电磁环境具有积极的作用。其二、随着国家经济建设和民用电量的急剧增大，高压电网分布越来越密集，使得线路走廊非常拥挤；并占用了大量的土地，混合架设线路可节约大量土地面积，并可优化线路走廊，为解决我国经济发达地区的线路走廊问题、促进我国输变电工程的发展具有重要意义，通过评估现有混合电磁环境计算方法的适用性，为后续大规模特高压工程的合理设计和交直流混合电磁环境的评价提供技术支撑。（2）推广应用前景伴随征地费用的逐步增高，我国电网建设正面临线路路径选择这一瓶颈问题。交直流线路同塔混合架设已经提上设计研究日程。随着我国特高压骨干电网的建设，我国电网将形成大容量交直流并列运行的格局，为了节约线路走

5、廊，可能采用交直流同塔多回输电线路进行电能传输。对于超、特高压交直流同塔多回输电线路，运行时将产生包括交流电场（工频电场）成份和直流电场成份的混合电场，带来了新的电磁环境问题。在设计和建设时，需要对其交直流混合电场、无线电干扰和可听噪声加以控制，使之满足环境保护要求。因此通过本项目研究得到的成果将为工程设计提供技术支撑，为建设交直流混合电磁环境的评价技术规范奠定理论和试验基础，成果的应用将全面提升输变电工程电磁环境监测及环境评价提供强有力的支撑，具有较强的应用价值和广阔的市场前景。二、国内外研究水平综述对于输电线路电磁环境的研究始于20世纪60年代，当时，超高压输电线路在各国开始兴建，电磁环境

6、的测量、计算、预测等研究工作有序展开。并取得了一大批成果，主要体现在对输电线路导线设计、起晕电压、电晕特性、工频电场、磁场、无线电干扰和可听噪声的预测计算上。现在使用的预测公式大多由这些研究得出。这些结论适用于单回路、同塔双回线路。由于各国国情以及地区差异，国外众多科技发达国家电力供求已经趋于饱和，线路设计已经定型，线路走廊已经不是十分突出的问题。（1）混合电场目前国内外对交直流混合架设方式线路附近的电磁环境没有开展过系统的研究，尚未见有关于交直流混合架设线路的电磁环境的控制指标的相关研究；在实际工程中，无法进行计算和评估。国外有学者对单导线的交直流模拟线段进行了交直流混合电场的初步研究，提出

7、了一些交流电场影响下的直流电场、离子分布的观点。由于国外没有交直流混合架设线路的需求，在电磁环境方面的研究尚没有开展。我国提出了特高压交直流线路混合同塔架设设计需求，并在前期进行的电磁环境计算中，采用了叠加的方法进行了电场的计算，并对交流直流电场分别采取各自限值进行控制的方法进行评估。混合线路的电场分布不同于独立运行的交流或直流线路。混合线路周围的空间电场中既存在独立交流线路运行时产生的工频电场；也存在独立直流线路运行时，由导线所带电荷产生的静电场和由空间电荷产生的合成电场。在上世纪80年代，美国邦维尔电力局（BPA）、加拿大魁北克水电局研究所（IREQ）、通用电气公司（GE）和美国电科院（E

8、PRI）等很多研究机构开展了交直流混合线路空间电场的研究，但研究都基于忽略交直流电场之间的相互影响进行计算。GE和IREQ通过从实验线路下得到的人体感受数据分析认为，尽管在计算电场时可不考虑交直流电场之间的相互作用，但是对于交直流线路下的人体感受则不能忽略交直流电场的相互作用。由于国外尤其是美欧经济发展对电网建设需求放缓，没有出现交直流混合架设线路、甚至是交直流临近线路也很少见，混合电场研究仅停留在理论分析层面。我国对500kV交直流线路同走廊的电场也开展了一些试验研究。浙江大学学者认为，交直流线路同走廊地面电场可通过交流电场瞬时值和直流电场直接叠加得到。清华大学、中国电科院等单位基于一定合理

9、的假设和简化，提出交直流共塔情况下混合电场、离子流场、电晕损耗、无线电干扰、可听噪声等的计算方法，分析交直流的相互作用机理，结合具体塔形布置，研究了交直流混合线路在不同电压等级组合情况下的电磁环境特性与规律。这些研究多基于理论分析对混合架设线路或临近交直流线路的电磁环境进行研究，并基于某种假定关系提出对导线选型、布置等；这些研究没有涉及到混合电场对邻近物体、人体等的耦合效应，也没有涉及到对混合电场的测量方法。武汉大学对通过模拟试验对混合电场进行了实验研究，通过不同的导线布置形式，研究了混合电场的分布和理论计算，同时提出了对混合电场的测量。（2）可听噪声输电线路导线产生电晕后，伴随电晕放电，还同

10、时会产生可听噪声。随着电压等级的升高，它已成为设计交直流特高压线路必须考虑的重要因素。通过交直流线路大量试验研究，已经查明交直流线路电晕放电时产生的可听噪声主要来自正极性流注放电。输电线路因电晕放电产生的可听噪声，严重时会对线路附近居民带来烦躁和不安，因此设计和建设直流线路时，应将可听噪声限制到合理范围内。完整的线路可听噪声特征应包括当时的背景噪声、噪声的频率、噪声的空间分布。然而目前一般的方法并不能计算这些。目前所有的可听噪声预测方法都根据A-Weighted声音水平，dB（A）。A-Weighted是一种广泛应用的噪声测量方法，它考虑了整个频率范围内的噪声，但给不同的频率加上不同的“权重”

11、，在对人耳最敏感的中频（500-3000Hz）所加的权重最大。直流线路可听噪声的计算公式主要根据试验线路和已运行的实际线路大量测量而得到的。主要的计算方法有美国邦纳维尔电力局（B队）推荐公式、美国电力科学研究院（EPRI）推荐公式、德国FGH公式、魁北克水电局（IREQ）公式和日本中央电力研究院（CRIEPI）公式。这些计算方法都被应用在不同的线路结构上，大部分为有长期可听噪声测量数据的正在运行的或者试验线路。目前国内对超、特高压输电线路无线电干扰与可听噪声的计算，主要采用国外研究机构利用点云龙和试验线路总结出的经验公司，最新的国家标准（GB15707-1995高压交流架空送电线路无线电干扰限

12、值）及国家电网公司企业标准（Q_GDW145-2006800kV直流架空输电线路电磁环境控制值）运用的则是BPA、IREQ和EPRI等机构总结的经验公式。（3）无线电干扰第二次世界大战以后，380kV 电压等级线路开始出现，输电线路的无线电干扰成为线路建设必需解决的关键问题。在1950至1960年间，国外不少国家对输电线路的无线电干扰进行了大量的研究工作，至19世纪60年代末，关于交流输电线路30MHz 以下的无线电干扰研究工作已相当充分。在19 世纪70年代，很多国家对电晕现象的研究取得了很大的成果。很多国家都进行了交流线路的无线电干扰电晕笼实验。美国电力公司（AEP）和瑞典通用电气公司在匹

13、茨费尔德附近建立了特高压研究试验站，特高压线路长 305m。从1974 年开始开展了大量试验研究，包括无线电干扰、电晕损失和其他环境效应的实验。美国邦纳维尔电力公司（BPA）建成莱昂斯电气试验场和莫洛机械试验线段，从 1976 年开始进行了电晕和电场、生态和环境等的研究。美国电力研究院（EPRI）1974 年开始在雷诺特高压试验场建设 1000-1500kV的三相试验线路，进行了长达三年的试验研究，测量了电磁环境指标。日本在1972年启动了特高压输电技术的研发计划。于1988年开始动工建设特高压输电工程，先后于 1992年4月和 1993年10月降压为 500kV 运行。日本对环境十分重视，在

14、1000kV 输电线路建设前，成立了特高压输电研究促进委员会。委员会下设了几个专委会，其中就有环境分会。日本在赤城建立了环境试验场，利用试验线段、电晕笼等对各种生态效应、无线电和电视干扰、感应电击等现象进行大量试验观测。自1971年，意大利开始了1000kV特高压输电领域的研究、开发和论证工作。1976 年，在萨瓦雷托试验站建设了长度为 1km 的特高压试验线路和主要由电晕笼组成的电晕、电磁环境试验设备，进行了无线电干扰、电晕损失的测量。加拿大魁北克水电研究院建设了户外试验场，该试验场由试验线路和两个电晕笼组成。主要用于最高至 1500kV 交流和 1800kV 直流的分裂导线电晕试验。在 1

15、972 年由 CIGRE 和 IEEE 共同总结了加拿大、德国、美国、日本等国家的电晕笼实验的无线电干扰数据。1974 年国际大电网会议（CIGRE），第 36.01 工作组基于各国的研究成果写出电力系统电晕效应产生的干扰（现象描述和实用计算导则），对无线电干扰研究工作进行了总结。1996 年进行了修订，重新出版。国际无线电干扰特别委员会（CISPR）于 1982 年至 1986 年间，先后以第 18 号出版物名义，出版架空线路和高压设备无线电干扰特性。2010 年又进行了修订。CISPR和 CIGRE 出版的两部导则系统全面总结了电力系统无线干扰的研究成果。但是，对于无线电干扰预测的研究主要

16、是通过总结电晕笼实验的数据得到经验公式。在70年代，EPRI、CISPR、IREQ、CIGRE等相继提出了自己的激发函数公式。激发函数法也是利用电晕笼实验得到激发函数，通过电晕电流的计算，分析其传播过程，最后得到电晕电流造成的无线电干扰的场强。激发函数法适用于四分裂及以上的输电线路。直流线路的无线电干扰研究还很少，主要还是基于实验得出的经验公式法。我国于20世纪80年代初开始了 500kV 以上更高电压等级的论证。在论证的基础上，国家明确提出 500kV 以上的输电电压为 1000kV 特高压。2005 年初，国家电网公司又启动了特高压输电工程关键技术研究和可行性研究，组织了国内有实力的科研单

17、位、大专院校、设计院、咨询单位和设备厂家，各取所长、各尽所能地进行了关键技术的研究。根据制定的特高压交流输电关键技术研究框架，分三批下达了共计 46 项特高压交流输电技术研究课题。这些课题对特高压电磁环境问题取得了许多成果。武汉高压研究所、清华大学、中国电力科学院等都对电晕的机理和现象进行过研究，也对无线电干扰现有的方法进行过比较。但是基本上都是利用经验公式或是激发函数法。武汉、河北霸州、北京、云南、西藏等特高压实验基地建设有电晕实验线路。交直流同输电走廊的计算方法也只是经验公式法分别计算无线电干扰场强。交直流同走廊的无线电干扰更好的监测和评估方法目前仍然有待研究。三、项目的理论和实践依据3.

18、1 项目的理论基础1.导线表面电场的计算独立运行的交流线路导线表面电场为工频电场，独立运行的直流线路导线表面电场为直流电场，而且导线在电晕时还会产生大量的空间电荷，这些电荷也将影响导线表面电场。对于交直流并行（混合架设）线路，受交流导线和直流导线的共同作用，交流线路产生的导线表面电场和直流线路产生的导线表面电场彼此影响同时互存，导线表面电场分布和独立交流、独立直流线路时有所不同。交流导线表面电场含有直流导线产生的偏置，如图3-1-a所示。直流导线产生的偏置可导致交流导线表面电场正负半波不对称。同样，直流导线表面电场含有交流导线产生的纹波，如图3-1-b所示。交流导线产生的纹波会导致直流导线在低

19、于正常起晕电压时即发生起晕放电现象。图3-1 混合线路导线表面电场分布图混合线路导线表面电场含有交流和直流两个分量。因此不能直接用独立交流线路和独立直流线路计算表面电场的方法来计算混合线路，需要考虑交直流线路之间的相互影响。独立交流线路中，计算导线表面电场一般采用电压有效值，场强单位为kV/cm（电压有效值）;而对于独立直流线路，导线表面电场场强单位一般为kV/cm。文献认为在交直流混合线路中，交流线路表面电场中含有直流偏置Edc，如图1 （a）所示，其峰值和有效值之间不再是简单的压倍的关系，因此计算时交流线路表面电场时应采用电压瞬时值U（t）。一般工程上计算导线表面电位梯度的方法主要有Mar

20、kt-Megele法、模拟电荷法和逐步镜像法。采用Markt-Megele法在计算分裂导线少于4根时有较好的准确性，但无法反映不同子导线表面电场大小和分布的差异性。一般认为逐步镜像法和模拟电荷法计算比较准确，但模拟电荷的位置和电荷量受人为经验因素影响比较大。相对于Markt-Megele法和模拟电荷法，逐步镜像法可以避免上述问题，同时在计算交流、直流混合线路的表面电场时，将交流、直流子导线放在同一个系统中计算，便于考虑交流、直流混合线路之间的相互影响。2.地面混合电场的计算交直流混合线路的地面电场可通过交流电场瞬时值和直流电场叠加计算得到。计算线路表面电荷时，将交流线路导线和直流线路导线放在同

21、一个系统中研究，考虑交流、直流线路之间的相互耦合影响，得到导线表面电荷后，再分别计算交流线路和直流线路的地面电场。对于直流合成场强的计算,一般认为直流导线电晕产生的电荷充斥在直流导线与地面之间的空间，并形成离子流，故直流离子流电场为导线上的电荷和直流导线电晕产生的离子流空间电荷共同形成的合成电场。为简化离子流电场模型，作以下假设：1）空间电荷只影响电场强度的大小而不影响其方向，即Deutcsh假设；2）导线表面电场强度保持在电晕起始电场强度值；3） 电荷只受电场力的作用，不考虑电荷扩散；4）电荷迁移率是一个常数，且正负离子的迁移率相同。Deutsch假设法将二维计算变为一维计算，这使得计算过程

22、既相对简单、又可满足计算的要求。3.电场测量工频电场测量探头有几种型式，但多采用悬浮型场强仪。悬浮体型探头的工作原理是测量引入到被测电场的两个孤立导体（极板）之间的工频感应电流（感应电荷），由两部分之间的电容和取样电阻形成的回路，测量电阻上的电压，以得到工频感应电流，通过校准获得电流和场强的对应关系（如图3-2）。（a）球型探头 （b）平行板探头图3-2 两种悬浮体型探头设平行板相对应部分的面积为S（m2）平行板，在强度为E（V/m）的均匀电场中，平板表面电荷在数量上等于该面积上的平均位移电荷： （3-1）测量从板间流过的电流为： （3-2）则，被测量的电场强度为： （3-3）对于空气中的工频

23、（50Hz）电场，=314rad/s、=8.8510-12F/m，S7.0710-4 m2；因此可得地面上电场强度有效值为： （3-4）由式3-4可将感应电流I转化为测量两极板间连接阻抗上的压降来获得电场的数值。测量直流场强的基本原理，是使传感组件上接受到的电力线总数量周期的变化，与之相应的感应电荷也随之周期性的变化。利用周期性变化的电荷所形成的电流即可测出相应的场强。通常，将合成电场的测量仪器叫“场磨”。场磨常用的传感器有快门型，圆筒型和震板型，其中快门型传感器应用较广。图3-3 快门型传感器示意图场磨探头（如图3-3所示）是由每隔一定角度开有若干个扇形孔的两个圆片组成，两圆片同轴安置，两者

24、间隔开一定距离并相互绝缘，上面圆片随轴转动并直接接地，下面圆片固定不动并通过一电阻接地。当动片转动时，直流合成场通过转动圆片上的扇形孔，时而作用在定片上，时而又被屏蔽。这样在定片与地之间产生一交变的电流信号。该电流信号与被测直流合成场成正比，通过测量该交变的电流可以确定直流合成场的大小，可以用数学公式说明如下。假设圆片上共有n个扇形孔，每个扇形孔面积为，上面圆片转动的角速度为，则当上圆片转动时下面圆片暴露于直流合成场的面积A随时间的变化为： （3-5）若被测直流合成场的场强为，空气的介电系数为，则定片上感应的电荷为： （3-6）由直流合成场感应的电流为 （3-7）通过测量可以求出合成电场。还需

25、要指出的是，空间的离子电流，也通过转动圆片上的扇形孔进入定片，若离子电流密度为，则进入到下面固定圆片的离子电流为： （3-8）由式3-7和3-8可知，进入固定圆片的电流是由离子电流和感应电流两个分量组成，其感应电流和离子电流相角正好差90可以通过相敏电路来讲这两个分量的电流分离，从而避免离子电流对电场测量的影响。3.2 项目的实践依据山西省公司的实践依据随着公众对电磁环境安全的关注度不断提高，有关电磁环境污染的投诉、冲突及公众焦虑逐年上升，很多发达国家都已经建立了辐射环境在线监测系统。 2011年，国网公司启动了电磁环境监测系统的研发，在公司总部、省级公司、基层单位进行推广应用，进一步提升公司

26、电磁环境监测水平，提高工作效率和质量。2013年2015年，南京南瑞集团已在浙江省电力公司先后建立了杭州110kV横河变电站、宁波220kV桑田变电站、110kV马鞍池变电站、杭州220kV荣庄变电站和绍兴220kV绍兴变电站电磁环境信息公示站，目前正在山东济南110kV舜玉变电站建立固定式电磁环境监测站，为掌握电磁环境质量状况及其变化趋势提供了现代化手段，同时让公众及时了解电磁设施周边区域的电磁环境质量，为环境管理提供有力的依据。南瑞集团公司（国网电力科学研究院）是我国电网权威的技术研究机构，是国内最早从事变电站及输电线路电磁兼容相关研究的科研单位之一，在电磁环境监测方法、电磁环境模拟计算与

27、仿真等领域具有较高的权威，负责起草、制订了包括DL/T988高压交流架空送电线路、变电站工频电场和磁场测量方法在内的多项和电磁环境相关的国家标准和行业标准。先后自主研发了包括工频电场测量仪、工频磁场强度测量仪、直流合成场强测试仪、工频电场强度校准装置、工频磁场强度校准器等一系列电磁环境领域的测量设备与校准设备。主要承担的国网2014年科技项目输变电工程环保监测与敏感区域预测技术研究已通过国网公司验收，研发的工频电场、工频磁场和可听噪声等电磁环境监测装置能实现输变电工程全天候监测；目前正在执行的2016年国网公司科技项目基于移动便携终端的输变电工程环境敏感区识别与辅助设计技术研究，研究各类敏感区

28、域移动式电磁环境信息采集方法，建立环境敏感区域移动式电磁环境信息监测系统。以上经验为本课题的研究提供重要的实践依据。武汉大学多年来一直从事电力装备安全与高效利用的理论研究与应用开发，主要课题方向为电力设备状态监测、故障诊断、检修决策、电磁环境监测、核电安全寿命管理等，成功的将知识网格、虚拟现实技术应用到电力系统，并与多家企业合作，将其研究成果应用于生产生活实践。山西西屋电气有限公司3.3 项目研究的关键和难点课题1：同走廊超/特高压交直流线路并行架设时的电磁环境监测与评估研究1）不同季节800kV与500kV、1000kV并行架设线路电磁环境测试；2）对比分析和评估考虑和不考虑交直流跌加影响的

29、电磁环境水平；课题2：同走廊超/特高压交直流线路并行架设时的混合电磁环境计算与实测对比研究1）不同季节条件下交直流并行架设区域无线电干扰、可听噪声和混合电场计算方法验证；2）通过模型结果验证与实际监测数据对比分析，提出不同条件下的混合电磁环境修正量。四、项目研究内容和实施方案项目包含两个子课题，其中课题1同走廊超/特高压交直流线路并行架设时的电磁环境监测与评估研究主要开展800kV 特高压直流输电线路与交流线路并行架设时的混合电磁环境分布特性和水平研究，并通过对不同季节的电磁环境数据测量，为课题2同走廊超/特高压交直流线路并行架设时的混合电磁环境计算与实测对比研究开展提供大量现场数据支撑，课题

30、2通过建立计算方法，理论上验证800kV与500kV、1000kV并行架设线路电磁环境计算结果，结合实测与理论计算对比分析，提出不同条件下的混合电磁环境修正量，项目整体研究成果为后续大规模特高压工程的合理设计和交直流混合电磁环境的评价提供技术支撑。图4-1项目各课题关系示意图4.1 项目研究内容1）进行不同季节交直流混合电场、可听噪声和无线电干扰横向分布测试研究；a）选取800kV与500kV、1000kV并行架设线路，在春、夏、秋、冬四个季节开展考虑和不考虑交直流的迭加影响的混合电场现场测试研究；b）选取800kV与500kV、1000kV并行架设线路，在春、夏、秋、冬四个季节开展考虑和不考虑交直流的迭加影响的可听噪声现场测试研究；c）选取800kV与500kV、1000kV并行架设线路，在春、夏、秋、冬四个季节开展考虑和不考虑交直流的迭加影响的无线电干扰横向分布现场测试研究。2）基于交直流混合电场、可听噪声和无线电干扰测试结果，对交直流混合电磁环境水平进行评估；a）根据不同季节现场测试结果，掌握800kV 特高压直流输