特高压直流输电的电磁环境问题

特高压直流输电的电磁环境问题
我国电网的特点是能源资源与经济发展地理分布极不均衡，必须发展长距离、大容量电能传输技术，采用新的或更高一级电压等级，实现西南水电东送和华北火电南送。

高压直流输电可远距离、大容量传输电能，适合大区电网非同步互联，具有线路造价低，功率损耗小，功率调节迅速灵活，不存在系统稳定问题等优点，在国内外得到了广泛应用。

我国正在积极兴建直流输电工程，±800 kV 特高压直流输电工程已经在建。

与此同时，环境保护问题引起人们越来越多的关注，居民的法律保护意识日益加强，与电力部门因环境问题的纠纷不断发生。

直流输电线路除了具有与交流输电线路相似的电晕损失和无线电骚扰外，还有空间电荷的存在使地面场强增大以及直流特有的离子流场等问题。

虽然±800 kV 特高压直流输电在技术上是可行的，但世界上还没有1条实际线路运行，缺乏实际经验。

我国在±800 kV 直流输电电磁环境、过电压与绝缘配合、直流偏磁、控制保护系统、特高压交直流混合电网的稳定性等重要问题上还需深入研究。

本文只针对特高压直流输电电磁环境问题进行讨论。

1 电磁环境概述
1.1 概述
输电线路的电磁环境包括线路下方电场效应、无线电干扰和可听噪声等几方面内容，是输电工程设计、建设和运行中必须考虑的关键问题之一。

高压直流输电线路运行时在导线周围空间产生离子流场，线下合成场强对人体产生影响。

线路或换流站设备产生的无线电干扰对无线电通信正常接收产生干扰，产生的过高可听噪声易使附近居民或工作人员感觉烦躁不安。

随着电压等级的升高，电磁环境问题将更加突出，因此对特高压直流输电进行电磁环境研究十分重要。

1.2 有关限值选取的建议
中国电力科学研究院建议将±800 kV 及以上电压等级直流输电线路的电磁环境指标限制在±500 kV 直流输电线路的水平，即合成场强限值为30 kV/m，离子流密度限值为100 nA/m2。

距正极性导线15 m 处的50%全天候可听噪声水平限值为45~50 dB(A)；无线电干扰水平的限值参照GB15707–1995中对交流500 kV 输电线路的无线电干扰限值要求选取。

这些限值的选取还应结合我国的具体情况进行分析。

1.3 需要重点研究的问题
美国电力科学研究院对±800 kV 及以上电压等级直流输电线路的电磁环境进行了大量研究工作，为±800 kV 及以上电压等级直流输电线路的设计提供了宝贵的经验。

由于我国输电线
路距离长，所经高海拔地区气候条件恶劣；与离子流、无线电干扰及可听噪声的产生密切相关的电晕放电受空气密度、湿度、天气条件等因素的影响很大。

我们应该在参考国外研究经验的基础上根据国内实际情况进行深入的研究。

建议加强特高压直流输电电磁环境标准体系的研究；加强高海拔复杂气候条件下线路电晕放电情况、无线电干扰、可听噪声的研究；加强线路离子流场的计算和测量研究；加强换流器对换流站内、站外无线电和噪声干扰机理和抑制措施的研究等。

2 电场强度和离子流密度
2.1直流线路电场下人的直接感受
直流线路的电场由导线上电荷产生的场(标称电场) 和电晕引起的空间电荷(离子) 产生的场合成。

除合成场外，人体截获直流输电特有的离子流效应也可能对人体造成一定影响。

其产生机理如下：高压输电线路上，当输电导线表面电位梯度超过一定数值时，靠近导线表面的空气发生电离，产生的离子在电场力的作用下向导线四周扩散，在此过程中还发生复杂的中和和迁移运动。

对于双极直流输电线路，整个空间大致分为3 个区域：在正极导线与地面之间的区域充满正离子；负极导线与地面之间区域充满负离子；正负极导线之间正负离子同时存在。

导线发出和吸收电荷的过程造成电晕损失，入地的电荷则构成入地离子流。

空间电荷运动形成离子流。

离子遇到对地绝缘体，将附着在该物体上使其带电，可能引起暂态电击。

人在直流线下会截获离子流，被截获的离子流通过人体入地。

研究表明：要得到同样的感受，流过人体的直流电流要比交流电流大 5 倍以上；而人在直流线下截获的电流又比能感觉的临界值小2 个数量级。

因此，人在直流线下截获离子流一般不会有感觉。

与交流线路不同，在正常运行的直流线路下，基本没有电场变化产生位移电流的现象。

人在电场中的直接感受和暂态电击是制定直流线路电场限值需考虑的主要问题。

美国在直流线下进行的直接感受试验表明，对穿普通鞋的人，当电场为30 kV/m 时，毛发和皮肤才开始出现刺激感。

ICNIRP( 国际非电离辐射防护委员会) 指出，对大多数人，因表面电荷引起烦恼的感觉不会发生在25 kV/m 场强以下。

前苏联研究直流电场效应后认为，直流线路下的允许电场可达50 kV/m。

中国电力科学研究院在直流线路下进行的人体直接感受试验表明：毛发和皮肤对直流电场最敏感。

在地面电场强度E<30 kV/m 的地方，皮肤感觉不明显；在E 为30、35、38、44 kV/m 的地方，外露皮肤的感觉分别为有微弱刺激感、较明显的刺激感、很明显的刺激感和刺激感很强烈。

离开高场强区后，皮肤刺激感立即消失，无任何不适反应。

除此以外，离子流场对导线下物体产生较明显的灰尘吸附作用，线下植物叶片、建筑物墙壁上可清晰看到吸附有明显的黑色灰尘。

2.2 ±800 kV 直流输电线路的电场和离子流密度的限值
±800 kV 直流线路的电场和离子流密度限值仍保持与我国±500 kV 直流线路的相同水平：即线下合成电场和离子流密度限值分别取30 kV/m 和100 nA/m2；线路临近民房时民房所在地面合成电场限值取15 kV/m(对应于湿导线) 。

直流线路的合成电场会受电晕和风速风向的影响，测量时利用统计量衡量这种随机量是否满足限值要求应采用统计平均值( 即50%值) 。

因此，从测量角度考虑，建议民房所在地面合成电场50%值不超过15 kV/m，最大不超过25 kV/m。

3 磁感应强度
拟建的±800 kV 直流工程的额定电流为4 kA。

根据可行性研究初步结果，为控制合成电场，极导线高度将取18 m，线下地面最大磁场小于45 μT，比我国内陆的地磁还小。

目前没有国家专门制定标准对直流线路磁场予以限制。

ICNIRP 建议1Hz 以下磁场的公众暴露限值取40mT。

±800 kV 直流线路的最大磁场只有ICNIRP建议的公众暴露限值的1/900。

对这一水平的磁场，人类早已习惯，不会影响人的健康；否则，人类在地球上生存都成问题。

因此，没有制定磁场限值的必要。

4 可听噪声
直流线路可听噪声横向衰减特性基本上关于正极性导线对称。

因此，在评价直流线路的可听噪声时，参考点一般选在正极性导线之外。

随距离增加，可听噪声比电场和无线电干扰衰减慢。

在线路临近民房时，应注意选择合适的导线控制噪声源强，不能仅靠抬高导线和增加房屋与线路之间的距离来处理噪声。

雨天时导线的起晕场强比晴天时低，导线周围的离子比晴天时的多；下雨初期，导线表面离子浓度不大时，电晕放电比晴天时稍强；下雨延续一段时间后，导线起晕场强进一步降低，导线表面离子增加，使得导线不规则的面都被较浓的电荷所包围，减小了电晕放电强度，使可听噪声较晴天反而有所减小。

空中飘落物附在导线上会使局部表面场强增大，可听噪声增加。

这些飘落物会随季节变化，夏季较多。

根据以上特点，在确定直流线路可听噪声的限值时，重点应考虑夏季晴天情况。

在国际上，直流线路的可听噪声限值一般取40~45 dB(A) ，如美国取40~45 dB(A) ；日本取40 dB(A) ；巴西直流线路走廊边沿取40 dB(A) 。

在确定可听噪声限值时，除考虑噪声的特点、参考国际上的限值外，还应满足国家环境噪声标准。

综上所述，建议±800 kV 直流线路电晕产生的可听噪声限值为：距正极导线对地投影外20 m 处可听噪声50%值的限值取45 dB(A) ；海拔高度大于1000m 且线路经过非居民区时，取50 dB(A) 。

5 无线电干扰
直流线路的无线电干扰场强，在低频段较高；随着频率增大，干扰场强衰减很快。

当频率大于10MHz，干扰强度已很小，可忽略不计。

通常，线路电晕放电产生的场强频率考虑到30 MHz 已足够。

无线电干扰横向衰减特性基本上关于正极导线对称。

因此，在评价无线电干扰时，参考点一般选在正极导线对地投影之外。

CISPR( 国际无线电干扰特别委员会) 18 号出版物指出：无线电干扰的横向分布应在高出地面2m 的某处确定，该处与边导线投影的距离不得超过200m，超过这一距离，无线电干扰可以忽略不计。

可见，直流线路产生的无线电干扰的频率范围主要限于调幅广播频段；影响无线电接受的范围很有限。

直流线路无线电干扰随湿度增加而减小：随温度增加而增加；气压改变没有明显影响。

雨天时直流线路的无线电干扰比晴天时的低，一般约低3 dB( μV/m) 。

无线电干扰会随季节变化，在晚秋和早冬较低，在夏季最高，在冬季和早秋接近平均值。

参考国内外限值，并考虑交、直流线路无线电干扰的特点以及我国特高压直流线路经过高海拔地区的特殊性，建议：对于±800 kV 直流线路，距正极导线对地投影外20 m 处0.5MHz 的无线电干扰限值，一般地区取58 dB( μV/m) ，海拔高度大于1 000 m 时取61 dB( μV/m) 。

6 结论
(1) 直流线路由于离子流现象的存在，线路下方的合成电场强度随距地面高度的增加而减小。

±800 kV 直流线路下地面合成电场强度为28.85 kV·m- 1，接近限值。

国内外电场感受试验表明，电场强度为30 kV·m-1时，人会感到电场的存在。

文中规定，±500 kV直流输电线路下地面的合成场强限值取为30 kV·m- 1。

±800 kV 直流线路下地面合成电场的限值应不高于30 kV·m- 1。

(2) ±800 kV 线路磁场强度在45 μT 以下，远远低于国际标准的公众暴露限值40 mT。

(3) 雨天时无线电干扰和可听噪声比晴天时小。

±800 kV 直流线路晴天时地面无线电干扰和可听噪声最大值分别为57.80 dB 和48.32 dB，雨天时比晴天时分别低约5 dB 和8 dB。

无线电干扰和可听噪声主要来自正极导线的电晕。