混合交、直流输电线路下方地面电场分布分析

邰 超，秦松林，肖登明

（上海交通大学 电气工程系，上海 200030）

随着中国电力系统全国联网、西电东送、南北互供工程的实施，以及国家特高压骨干电网的建设，中国电网将形成大容量交直流并列运行的格局，电力工业正在面临有限的输送资源与新输送线路走廊高成本的现实.对于更传统的交流输电线来说，在长距离的情况下，高压直流输电线是一种有前途的替代方式，它可以减少长距离的电压降，同时还可能降低生产成本［1－2］.然而，随着当前在线路走廊上的诸多限制，为了增加输电容量、获得高压直流输电的优点以及减轻对昂贵的新线路的需求，需要一种沿着现存线路走廊的混合高压直流、交流传输线路.这种线路结构在同一走廊或同一杆塔上既有高压直流线路又有交流线路，它可以降低建设的总成本，也可以提高传输容量.然而，尤其是当这2种回路都位于同一个杆塔上时，这些新的高压直流回路与原有的交流线路之间的电场相互作用是一个值得深思的问题.而目前很少有关于高压交流与高压直流输电线路之间电场相互影响的研究.

在试验室环境中进行试验，能避免可预见的其他外力的影响.笔者研究空间电荷对特高压输电线路下合成电场的影响，对正确认识特高压输电线路下的电场性质具有重要意义.

1 试验装置及方法

试验中共有10个探头位于线路下方，直流导线位于左侧第5个探头上方，且地面电场以其为坐标轴中心水平分布，交流导线在直流导线右侧1.2或1.8 m处，导线距离地面高度为90cm.试验中有3种线路结构：单根导线、一根通电导线与一根不通电导线并行及2条线路同走廊运行，试验装置连接示意如图1所示.

图1 试验装置连接示意Figure 1 Connection schematic diagram of experiment devices

试验目的：探究当交流架空线路与直流架空线路相距很近、在同一走廊下甚至位于同一杆塔上的情况下，地面交流电场和直流电场是否会受到影响及其对混合线路下方总电场的影响以及混合线路下电场受到交流、直流线路电晕产生的空间电荷的影响，最直观的方法就是采用各种线路结构时，从地面电场分布波形的对比中观察地面附近交流电场及地面附近直流电场的异常变化；与没有附加直流线路并行运行以及在一条不通电的线路旁边运行时电晕的影响情况下的地面电场分布波形相比，研究不同线路结构对地面电场的影响，从各结果图中观察、分析和总结，得出交流线路下方电场、直流线路下方电场以及混合线路中间区域电场的形状、幅值、总体偏移等随附加线路所加电压、线路间距等因素变化的情况，试验现场装置如图2所示.

图2 试验装置现场Figure 2 Experiment site

2 混合交、直流线路下方的电场分布

直流导线与地面之间的空间电荷分布及电场示意如图3所示，E总为空间总电场，方向由导线指向地面.与导线同极性的空间电荷自导线向地面运动形成离子流［3］，而在导线与地面之间的空间中部，部分正、负电荷有机会中和，并有部分正电荷到达地面附近，以致在导线与地面之间的空间正电荷聚集在靠近地面处，而少量负电荷和电子聚集在靠近导线附近处，这样，由于E内与E总方向相反，就会导致导线与地面之间空间中部的电场强度降低，而靠近地面和导线附近空间的电场强度就会由于E1，E2与E总同方向而增强，从而产生和加强离子流，造成电力线路更严重的电晕损失.

图3 线路下方空间电场示意Figure 3 Schematic diagram of electric field under transmission lines

1）混合线路中附加交流导线对地面直流电场的影响.

如图4所示，3种线路结构分别是单根通电直流导线、直流通电直流导线与1根不通电导线并行及直流导线与交流导线同时运行，直流导线在零点位置，交流导线在1.2m处.从图4中可以看出，当在直流导线旁附加1条交流线路时，无论交流线路是否通电，都会对原地面直流电场值产生一定影响，并且对2条线路中间部分电场的影响稍大，对直流导线左边的直流电场影响很小；图4（a）、（b）中通电交流导线所加电压分别为36.25，43.5kV，交流导线所加电压的改变对电场几乎没有影响.虽然不运行的线路会由空间电荷感应出电荷，但感应电荷与直流导线上的电荷及空间电荷相比影响甚微，只能对稍近处电场产生影响，减小交流导线下方的地面直流场强，并不能对通电线路下方稍远的地面电场造成明显影响；另外，交流导线的存在使直流线路下方空间电荷流向地面的数量减少了，不通电的交流导线相当于接地线，这对直流空间电荷产生分流作用，使部分空间电荷不流向地面而流向接地的交流导线，通过图3可知，这减小了地面直流场强［4－5］；在交流导线通电后，交替正、负电压又使更多直流导线下方的空间电荷移向远处或近处，交流导线的负电位进一步加剧了对空间电荷的分流作用，导致地面直流场强的减小.

图4 3种线路结构下的地面直流电场分布Figure 4 Lateral distributions of DC ground electric field in three different line structures

2）混合线路中附加直流导线对地面交流电场的影响.

如图5所示，3种线路结构与图4所示相同，直流导线在零点位置，交流导线在1.2m处.从图5中可以看出，在交流线路旁附加1条直流线路，无论直流线路是否通电，原地面交流电场受到的影响都很小；并且当直流线路所加电压由36.48kV变为46.12kV时，地面电场几乎没有变化，可见同走廊内直流线路所加电压的改变并不能对地面交流电场产生明显的影响［6］.交流线路电晕产生的正、负空间电荷仅在交流导线周围往复运动，且不会影响地面交流电场，直流线路的存在并不能改变它们的活动；由于直流导线电晕产生的空间电荷及其在交流导线上感应出的电荷产生的是直流电场，不会对交流电场产生影响；而直流导线对交流电场具有屏蔽作用，使电场线发生畸变，会略微减小地面交流场强.

图5 3种线路结构下的地面交流电场分布Figure 5 Lateral distributions of AC electric field over ground in three different line structures

3）混合线路中导线间距对地面直流电场的影响.

如图6所示，直流导线在零点位置，交流导线分别在1.2m和1.8m处.从图6（a）中可以得出，当交流导线不通电时，增大间距对原间距下地面直流电场影响很小，对直流导线左侧的地面直流电场几乎无影响，对线路中间区域的地面直流电场略有影响，扩大线路间距减弱了中间区域交流导线对直流空间电荷的分流作用，减少了交流导线右侧的直流空间电荷流向地面的数量，因此，增大间距相对来说会略微增大原间距时的线路中部地面直流电场而略微减小导线右侧的地面直流电场；由图6（b）可以得出，增大间距对地面直流电场的影响情况类似图6（a），增大了线路中部地面直流电场，减小了交流导线右侧地面直流电场；对于最左侧直流场强的降低可以归因于增大间距减少了由交流正电位推向左侧空间的原直流导线下空间电荷的数量［7－9］.

图6 混合线路间距变化对地面直流电场的影响Figure 6 Effects on DC electric field over ground caused by the change of line space in hybrid lines

4）混合线路中导线间距对地面交流电场的影响.如图7所示，直流导线分别在零点和－0.6m处，交流导线在1.2m处.从图7可总结得到，交、直流线路间距变化对地面交流电场的影响总体不大，略微增大了交流场强，这主要是由于增大间距减弱了直流导线对交流电场的屏蔽作用，导致交流场强总体增大了一些.

图7 混合线路间距变化对地面交流电场的影响Figure 7 Effects on AC electric field over ground caused by change of line space in hybrid lines

3 结论

1）运行在不通电交流线路旁的直流线路下方，地面直流场强比单根直流线路下方中间区域地面直流场强降低一些，而运行在不通电直流线路旁的交流线路下方，地面交流场强与单根交流线路下方地面交流场强差别很小，因此，在输电线路旁并行架设一条不通电的线路能够对地面电场造成部分影响.

2）在正极直流导线左侧，单根直流导线下的地面场强与混合线路中的地面直流场强之间有较小的差别，直流导线右侧的直流电场变化较大，而交流电压的改变对地面直流电场几乎无影响；而不通电和通电的直流导线对交流电场的影响都很小，略微降低了交流场强，直流电压的改变对地面交流电场影响甚微.

3）对于交、直流输电线路之间的不同间隔距离，当改变混合线路间距后，与不通电导线并行运行的线路下方，地面交、直流场强及混合线路下方地面交、直流场强变化不大；由于增大线路间距相当于减弱了分流、屏蔽作用，使得间距增大后中间区域的直、交流场强增大一些.

笔者针对目前国内混合输电线路研究资料的缺乏，在实验室搭建试验平台，探究混合输电线路下地面交流电场与直流电场所受影响的情况，为今后的输电线路环境影响的研究积累宝贵经验.

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