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直流架空輸電線路合成電場屏蔽措施分析

文檔作者：周象賢，劉巖文檔來源：國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年07月01日
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2015年第6期
浙江電力
ZHEJIANG ELECTRIC POWER
直流架空輸電線路合成電場屏蔽措施分析
周象賢，劉巖
(國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州310014)
摘 要：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大幅增加，產(chǎn)生合成電場問
題。為了降低線路下方某些敏感區(qū)域的合成電場，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)用中需要注意的問題。
關(guān)鍵詞：直流輸電線路；合成電場；屏蔽線；屏蔽網(wǎng)；措施
中圖分類號(hào)：TM835．4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007—1881(2015)06—0001—04
Synthetic Electric Field Shielding Measures Analysis of DC Overhead
Transm ission Lines
ZHOU Xiangxian，LIU Yah
(State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China)
Abstract：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 shield—
ing 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．
Key words：DC transmission lines；synthetic electric field；shielding wire；shielding mesh；measures
O 引言
近年來，隨著我國西電東輸工程的建設(shè)，已
經(jīng)有越來越多的直流架空輸電線路投入了運(yùn)營。
直流線路的電暈放電與交流線路差別較大，因?yàn)?
交流線路電壓周期性正負(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)使得地面電場增大2～3倍，這就是所謂合成電
場問題。
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：I芭；【¨。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_2l。根據(jù)我國相關(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不
超過30 kV／m，直流線路走廊邊緣處合成電場不
超過15 kV／m，離子流密度不超過100 m 。
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
進(jìn)行抑制具有重要意義。
目前，見諸報(bào)道的合成電場抑制措施包括屏
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 ，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，其效果較屏蔽線
更為顯著【5l。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題。
2 浙江電力 2015年第6期
1 計(jì)算方法
合成電場問題的簡化數(shù)學(xué)模型可以寫為?：
V =—p 0， (1)
· E)=0， (2)
式中： 為電位；P為空間電荷密度；E為電場強(qiáng)
度；占。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，僅作簡要介紹。該方法進(jìn)行合成電
場計(jì)算時(shí)，首先需要計(jì)算空間的電場線分布；其
次，假設(shè)合成電場與標(biāo)稱電場(無空間電荷電場)
之間的關(guān)系為：
E=AE一， (3)
式中：A為合成電場與標(biāo)稱電場間的倍數(shù)關(guān)系；
E一為標(biāo)稱電場。由式(1)-(3)可知，只要求出A
就可得到空間合成電場，而該系數(shù)的求解可以沿
每一條電場線進(jìn)行．其求解公式為：
A z；A f 咖 80
J ’
1
=
p
1 + U
咖
+ J ， d
I -
口 口
O X
(a)線路結(jié)構(gòu)
與正負(fù)極導(dǎo)線中軸線的距離，m
(b)合成電場計(jì)算結(jié)果
圖1 線路下方無屏蔽線時(shí)的合成電場計(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
式中：A。和 分別表示A和P在導(dǎo)線表面的取
值； 為計(jì)算點(diǎn)的電位；U為導(dǎo)線電位。
2 屏蔽線對(duì)合成電場的屏蔽效應(yīng)
2．1 線路下方無屏蔽線時(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
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×
104 m2／V·s，線路起暈場強(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)的合成電場計(jì)
算結(jié)果。圖1(a)中O點(diǎn)為合成電場計(jì)算中的橫坐
標(biāo)0 m位置，下文中的合成電場計(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)，合成電場峰值約為25 kV／m，而在
線路外側(cè)16 m處合成電場已經(jīng)降到了15 kV，m
以下．正負(fù)極導(dǎo)線下方合成電場分布差異不大。
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)
的合成電場計(jì)算結(jié)果。由圖2(b)可見，此時(shí)的合
成電場峰值處于線路外側(cè)約5．2 m處，合成電場
峰值約為21．8 kV／m，在線路外側(cè)17 m處合成電
場已經(jīng)降到了15 kV／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15 kV／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)和合成電場計(jì)算結(jié)果如圖3所
示。由圖3(b)可見，合成電場峰值為19．8 kV／m，
峰值位置處于線路外側(cè)7 m處，在線路外側(cè)17 m
處合成電場已經(jīng)降到了15 kV／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，合成電場峰
2015年第6期 周象賢，等：直流架空輸電線路合成電場屏蔽措施分析 3
I l
口 o
● ●
O X ．
魯
》
螺
疆
司Ⅱ 一
(a)線路結(jié)構(gòu)
與正負(fù)極導(dǎo)線中軸線的距離，m
(b)合成電場計(jì)算結(jié)果
圖2 線路下方有2條屏蔽線時(shí)的合成電場計(jì)算結(jié)果
I
口 口
- ● - -
0 X
(a)線路結(jié)構(gòu)
(b)合成電場計(jì)算結(jié)果
圖3 線路下方有4條屏蔽線時(shí)的合成電場計(jì)算結(jié)果
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。
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l所示為屏蔽線粗細(xì)對(duì)合成電場屏蔽效果
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，屏蔽線高度固定在5 m，屏蔽線半徑則
從2 mm增大到12 mm。由表1可見：地面合成
電場峰值隨屏蔽線半徑的增大而減小。但其減小
的幅度不大，屏蔽線半徑從2 mm增大到12 mm
時(shí)，地面合成電場峰值只減小了2．3％。這說明在
使用屏蔽線時(shí)只需從機(jī)械強(qiáng)度考慮其粗細(xì)，在機(jī)
械強(qiáng)度足夠的情況下盡量使用較細(xì)的屏蔽線以節(jié)
約建設(shè)成本。
表l 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 in。從表2可見：地面合成電場
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)，合成電場峰值下降了
11．8％；屏蔽線高度從6 rn增加到7 m時(shí)，地面
合成電場峰值增大了5．4％ ；再繼續(xù)增加屏蔽線
高度．合成電場峰值變化不大。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 rn。
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
需要引起注意的問題。
3 屏蔽網(wǎng)對(duì)合成電場的抑制效應(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
4 浙江電力 2015年第6期
有效降低屏蔽網(wǎng)下方區(qū)域的合成電場。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l51，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 Inx2 In的屏蔽網(wǎng)放
在了導(dǎo)線外側(cè)4 In處，屏蔽網(wǎng)平行于地面。高度
固定在3 In，屏蔽網(wǎng)網(wǎng)孔邊長為O．66 In(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)，其下方合成電場只降低了3．9％，這說明
通過增大屏蔽網(wǎng)線徑來改進(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 mIn，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。比較沒有屏蔽網(wǎng)和有網(wǎng)孔為0．66 In 的屏蔽
網(wǎng)時(shí)的屏蔽效果，合成電場下降了22％，這說明
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)，合成電場持續(xù)下降，說
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)子L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種合成電場屏蔽措
施的效果進(jìn)行了定量計(jì)算，通過計(jì)算和分析認(rèn)為
應(yīng)用這2類屏蔽方法時(shí)需要注意以下問題：
(1)屏蔽線適合于大區(qū)域的合成電場屏蔽，屏
蔽網(wǎng)適合于小區(qū)域的合成電場屏蔽，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。
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Transaction on Power Apparatus and System ，1 969，88
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收稿日期：2015—03—04
作者簡介：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。

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