800kV换流站场强特性的研究

Ec 29.8m (1
0.301 ) (5) r
式中：r为导线半径，δ为空气相对密度，m为反映导体表面状况的粗糙系数。 在计算导体表面起晕场强时，m 值的选取存在较大差异的。这一系数的选取直接影响了计算 结果。我国行业标准[2]给出的 m 值为 0.47。泰西蒙公司在为葛上直流所作的研究报告[3]中取 m 为 为 0.381。 加拿大魁北克水电研究所利用电晕试验笼对直流管母线在干燥、 潮湿和污秽条件下的起 晕电位梯度进行了研究，通过研究结果其反推出来 m 的取值为：0.6（干燥） 、0.37（潮湿）和 0.3 （污秽） 。 从换流站运行情况看，由于静电的吸附作用，户外运行区域污秽较重，而阀厅内的运行条件 较好，所以本文应用了不同条件下的 m 多种取值进行合成场强的计算，这样计算范围也涵盖了行 业标准 0.47 的要求。 （3）导体最大表面场强的计算 管母线的电晕直接影响合成电场、可听噪声和无线电干扰的大小，它们与管母线结构及气候 条件紧密相关。体现管母线结构的因素主要有：管母线直径、截面积和导线对地高度。线路计算 中上用于计算导线表面场强常用的方法有逐步镜象法、 矩量法和模拟电荷法。 常用的简便算法有： 一种是国际无线电干扰特别委员会（CISPR）推荐的等效半径法。用这个方法计算准确度可以达 到 2%，计算精度满足工程要求。另一种方法是经验公式法：瓦格纳提出的计算单极性直流线路 最大表面场强公式。对于管母线等同于于单导线的表面场强的计算，可应用以下公式计算：
g max
2U (6) d ln(4 H / d )
其中，U 为极导线电压，H 为导线对地高度，d 管母线为导线直径。 （4）合成场强的计算 由式(1)~(4)，数学推导出标称电场的放大系数 A 与空间电荷密度ρ的计算公式：
A2 Ae2
2 e Ae
0
( E )
V
d
2
(7)
170
关键词：换流站 合成场强 电晕特性 控制指标
1
引言
换流站户外直流场管母线设计的主要考虑因素是管母线产生的电磁环境。直流管母线电场效
应是电磁环境重要的考量因素。因此研究管母线合成场强特性，提出合理的管母线安装形式对换 流站设计以及将来的换流站运行的经济性和可靠性是非常重要的[1~4]。 高压直流母线运行产生电晕，电晕产生的空间电荷将大大加强导线电荷产生的静电场（标称 场强） 。这种由空间电荷和导线电荷共同作用产生的电场称为合成电场[7]。合成场强的大小取决于 电晕放电严重程度。 国内外学者对地面合成电场的计算方法作了大量研究工作，提出了很多计算方法 [1-6] 。 M.P.Sarma 等人最早提出了基于 Deutsch 假设计算直流线路下合成电场的解析法，电晕损耗和电 场分布进行了计算，计算结果与实测值基本一致[4-5]。很多学者基于该方法对直流线路的地面合成 电场进行了计算，分析了线路对地高度、极间距、导线半径、分裂数等对地面合成电场的影响规 律[3,10]。本文则将这方法应用到换流站管母线的合成场强的计算。
图 6 250mm 管母线时地面最大离子流密度随管母线对地高度变化曲线
图 7 给出了采用 300mm 管母线时地面最大标称场强和污秽管母线地面最大合成场强和管母 线高度变化的计算结果。由于管母线在潮湿情况下 11.3kV/m 时 300mm 管母线仍然不会起晕或起 晕微弱，其计算结果同标称场强相同。由图 7 可见，当 300mm 的管母线对地高度大于 16.3m 时， 在所考虑的污秽情况下可以满足地面最大合成电场小于 25kV/m 的要求。图 8 给出了采用 300mm 管母线时地面最大标称场强、潮湿和污秽管母线地面最大离子流密度与管母线高度变化曲线。由 图可见，无论是在户内还是在户外，当管母线对低高度为 14-18m 时，地面中最大离子流密度均 小于 100nA/m2。
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会起晕；但其表面场强大于污秽条件起晕场强，管母线在污秽情况下会起晕。 （2）管母线合成场强计算 对 250mm、300mm 管母线在不同对地高度下地面的电场强度和离子流密度进行了计算，管 母线上加± 816kV 电压。 图 4 给出了干燥条件下不同的管母线对地高度地面， 采用 300mm、 250mm 两种典型管母时地面最大电场强的计算结果。
Es AE
式中 A 为大于零的标量函数。 4） 离子迁移率与电场强度无关，为常数。 5） 忽略离子的扩散作用和风的影响。 如果求得直流线路的标称电场E、标量函数A
(4)
和空间电荷密度ρ，即可进一步求得合成电场Es和离子流密度J。 （2）起晕场强及电压的计算 利用 Peek 公式可算导体表面起晕场强：
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±800kV 直流换流站管母线合成场强 特性研究
岳云峰 彭冠炎 王燕 李志泰
（广东省电力设计研究院 510663）
摘要：合成场强特性研究对于换流站管母线的选型和布置具有重要意义。本文在 Deutsch 假设基础上，建立换流
站管母线表面场强和地面和成场强的计算模型， 计算分析了不同型号换流站管母线的电晕特性和合成场强， 结合相 关标准和文献提出了了换流站合成场强特性的控制指标，提出了换流站管母线参数选型建议和安装高度。
J 0
式中：K 为离子迁移率；为空气的介电常数。 计算过程引入以下假设：
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1） 导线表面附近发生电离后，导线表面电场保持起晕场强值，并忽略导线周围电晕层的厚 度。 2） 正极管母与地面间的区域只存在正离子，负极管母与地面间的区域只存在负离子。 3） 合成电场 Es 与标称电场 E 的方向相同，幅值不同，即 Deutsch 假设：
2
计算原理及方法
直流线路的合成电场计算是直流线路静电场与离子运动相互耦合的电场计算问题。以正极性
（1）基本方程和假设条件 导线为例，在不考虑风速影响的情况下，直流线路的合成电场 Es、空间电荷密度ρ及离子流密度 J 满足如下基本方程[7]：
Es / 0 J K Es
(1) (2) (3)
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1

2

1

2 e

2
0 e Ae
( E )
V
d
2
(8)
其中 Ae 为管母线起晕后表面标称电场的放大系数， ρe 为起晕后表面电荷密度， 为空 间标称电位，V 为管母线运行电压。沿电力线进行积分得到合成场强的放大系数 A。 标称场强的计算采用(9)~(11)：
研究结论提出换流站内管母线下合成场强控制指标为 25kV/m，最大离子流密度限值晴天不超过 100nA/m2， 雨天不超过 150nA/m2。 根据管母线合成场强进行计算结果和合成场强限值要求， 建议 户外布置±800kV 管母线宜采用 300mm 或以上的管母线， 布置高度不小于 16.3m。 对户内布置或 阀厅±800kV 管母线在通流能力允许情况下可采用 250mm 管母线。由于阀厅设计为封闭运行， 因此合成场强不必按照控制指标执行。
2 2 (9) E Ey Ex
Ex
Ey
x xi (10) 2 0 ( x xi )2 ( y yi ) 2 Q
y yi (11) 2 0 ( x xi )2 ( y yi ) 2 Q
式中： E x 和 E y 分别为标称场强在 x 和 y 方向上的分量。 xi 和 yi 分别为管母线及其镜 像的坐标，如图 1 所示。Q 为管母线等效线电荷，可由计算 Markt-Megele 方法得到。
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图 5 250mm 管母线时地面最大电场强度随管母线对地高度变化曲线
图 6 给出了采用 250mm 管母线时潮湿和污秽管母线地面最大离子流密度与管母线高度变化 曲线。由图 6 可见，无论是在户内还是在户外，当管母线对地高度为 14-18m 时，地面中最大离 子流密度均小于 100nA/m2。
图 4 地面最大电场强度随管母线对地高度变化曲线
Leabharlann Baidu
从计算结果可以看出，管母线下地面最大电场强度与管母线对地高度成近似反比关系，即管 母线高度越高，地面最大场强越小。在 14m 以上的高度情况下地面最大场强均小于 25kV/m。由 于在干燥条件下，管母线上加± 816kV 电压，管母线上不会起晕或起晕很小，管母线上产生的离 子很少，地面最大电场强度基本为标称场强，空间电荷产生的场强很小，所以直径大的管母线在 地面产生的最大电场强度略大于直径小的管母线。 图 5 给出了采用 250mm 管母线时地面最大标称场强、潮湿和污秽管母线地面最大合成场强 和管母线高度变化的计算结果。由图 5 可见，对于 250mm 的管母线对地高度为 14m-18m 时，在 所考虑的污秽情况下，不能够满足地面最大合成电场小于 25kV/m 的要求。因此，户外直流场设 计应考虑潮湿和污秽环境的电场情况。而在户内及阀厅内管母线的设计只考虑干燥条件下即可。
图 2 250mm 管母线表面最大场强随高度变化曲线
图 3 300mm 管母线表面最大场强随高度变化曲线
从计算结果可以得到： （1）250mm 管母线架设高度在 12m~18m 时，表面电场强度小于干燥 管母线起晕场强，管母线不会起晕；但其表面场强大于潮湿条件湿管母线起晕场强和污秽条件管 母线起晕场强，管母线在潮湿和污秽条件下会起晕。 （2）300mm 管母线高度在 12m~18m 时，表 面电场强度小于干燥条件管母线起晕场强和潮湿条件管母线起晕场强，干管母线和湿管母线均不
参考文献
[1] Sarma M P，Janishewskyj W．Analysis of corona losses on DC transmission lines，part i-unipolar lines．IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1969，88(5)：718-731． [2] Sarma M P，Janishewskyj W．Analysis of corona losses on DCtransmission lines，part ii-bipolar lines[J]．IEEE Transactions onPower Apparatus and Systems，1969，88(10)：1476-1489． [3]张乔根．污秽条件下±800kV直流输电线路电晕特性. 高电压技术。2010，36（1）31-36. [4] 傅宾兰．高压直流输电线路地面合成场强与离子流密度的计算．中国电机工程学报，1987， 7(5)：56-63． [5] Takuma T，Ikeda T，kawamoto T．Calculation of ion flow fields of HVDC transmission lines by the finite element method． IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems， 1981， 100(12)： 4802-4810． [6] Institut de Recherche de LHydro-Quebec (IREQ)． Bipolar HVDC transmission system study between ±600kV and ±1200kV：corona studies，phase．USA：EPRI EL-1170，1979． [7] 赵畹君.高压直流输电工程技术[M].北京：中国电力出版社，2004，267-289. [8] DL/T 436-2005, 高压直流架空送电线路技术导则, 2005 [9] 泰西蒙公司.葛上线咨询报告.Report 636-41000，1983 [10] 杨勇，陆家榆，雷银照．同塔双回高压直流线路地面合成电场的计算方法．中国电机工程学 报，2008，28(6)：32-36
图 1 管母线下电场计算参数图
3
管母线合成场强和离子流控制指标
我国行业标准规定直流输电线路下方最大合成场强按照 30kV/m 控制，对于换流站内合成场
强控制值没有明确的控制指标。由于输电线路与站内的情况不同，站内设备需要运行维护人员进 行检查和巡视，因此限值需要考虑到人暴露的情况。 国内外的研究[11-14]表明将地面的合成场强控制在 25kV/m， 对人体不会引起不舒服的感觉， 但 不排除个别人会在此电场中引起有刺痛感的电击，这与人体对地绝缘和空气干燥程度密切相关。 为了最大限度地减少电击引起的不适，我国最新的直流输电线路设计标准[8]中对邻近民房处地面 合成场强的控制值为 25kV/m（晴天） ，同时满足 80%测量值不超过 15kV/m。最大离子流密度限 值晴天不超过 100nA/m2，雨天不超过 150nA/m2，因此建议换流站直流场地面合成场强也按此控 制标准考虑。这同美国工业卫生协会规定直流电场的职业暴露限值相同。
4
计算结果及分析
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（1）管母线起晕电位和表面最大电位梯度计算 表 1 是应用 Peek 公式对 200mm~300mm 管母线在不同的粗糙系数 m 条件下管母线的起晕电 位梯度的计算结果。 从计算结果我们可以得出，管母线外径越大起晕电压越低。环境条件越恶劣，管母线越容易 起晕。
图 7 300mm 管母线时地面最大电场强度随管母线对地高度变化曲线
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图 8 300mm 管母线时地面最大离子流密度随管母线对地高度变化曲线
5
结论及管母线应用优化建议
本文基于 Deutsch 假设，建立了换流站内管母线的的合成场强计算模型。结合国内外标准和
表 1 管母线起晕电位的计算（kV/cm）
粗糙系数
0.60(干燥)
管母线外径/mm 200 18.46 11.33 9.24 250 18.40 11.30 9.21 300 18.37 11.27 9.19
0.37(潮湿) 0.30(污秽)
由于在实际换流站布置时正负极母线距离超过百米， 因此计算时可以忽略正负极管母线相互 间的影响。图 2、图 3 是对管母线表面最大电场强度进行计算结果。