高海拔地区大截面导线束的无线电干扰特征研究*

万保权 冯 华 何旺龄 丰 佳 李有春

(1.中国电力科学研究院电网环境保护国家重点实验室，湖北 武汉 430074；2.国网浙江省电力有限公司，浙江 杭州 310007；3.华北电力大学电气与电子工程学院，河北 保定 071003；4.国网金华供电公司，浙江 金华 321000)

我国青藏高原地区太阳能、风能等新能源储量丰富，实现大规模清洁能源开发和远距离输送，是保证碳达峰、碳中和“30·60目标”的重要方案，国家电网有限公司明确提出将加快以输送清洁能源为主的输电通道建设。因此，未来在高海拔地区进一步建设特高压输电线路势在必行。然而，人们在享受远距离电力传输利益的同时也承受着电磁对人类健康的危害和对环境的污染。电磁辐射污染成为继废水、废气、固废、噪声污染之后的又一大影响居民身体健康的重要污染源[1-2]。联合国人类环境会议已将电磁污染列为环境保护项目之一。当输电线路的导线运行电压等级提高时，导线表面场强会高于起晕场强发生电晕放电现象，产生电晕损失、可听噪声和无线电干扰等环境影响[3]，进而影响邻近无线电设施及军用台站的正常工作及线路周围居民健康[4]。因此，国家对于输电线路的无线电干扰水平有明确的限值标准[5-6]。

高海拔地区空气密度小，分子间平均自由程大，导线更容易发生电晕放电现象，对外辐射的无线电干扰强度也更大[7]。恶劣环境下，尤其是降雨条件下，导线表面的雨滴会导致场强发生畸变，加剧放电强度[8]。在相同运行电压条件下，大截面多分裂导线能够有效降低导线表面场强，进而降低线路电晕效应问题。因此，研究高海拔地区降雨条件下的大截面分裂导线束的电晕放电干扰无线电的特征对于高海拔地区交流输电线路选型至关重要。

关于高海拔地区交流输电线路的无线电干扰问题，CHARTIER等[9]230通过长期测试一条海拔1 953 m的500 kV同塔双回线路，并对比相似线路的低海拔实测数据，提出了1/300 dB/m的无线电干扰海拔修正系数。与其同时，南非电力公司也开展了海拔1 600 m和海平面高度交流线路的导线电晕笼试验，认为1/300 dB/m的海拔修正可以接受[10]。国内学者在2013年利用可移动式电晕笼在我国湖北武汉(海拔23 m)、甘肃靖远(海拔1 408 m)、青海西宁(海拔2 261 m)、青海共和(海拔2 943 m)以及西藏羊八井(海拔4 300 m)对不同分裂导线束进行了不同海拔的无线电干扰测量，提出了基于海拔高度的非线性修正方法[11]，为高海拔输电线路的建设提供了一定技术支持。此外，有部分学者研究了单点放电、交直流细导线等条件下无线电干扰与电晕放电脉冲的关系，能够较好地反映无线电干扰产生机理和表现特性[12]。然而，上述研究中采用的可移动式电晕笼长度及截面较小，空气间隙裕度较小，难以有效测量大截面分裂导线束在不同降雨量条件下的无线电干扰特性。大气参数对空气间隙放电特性的影响十分复杂，电晕放电过程涉及复杂的电磁、热力、光电学过程，且伴有许多随机性因素，导致建立科学准确的仿真模型相对困难。当前微观机理研究大多采用细铜丝或者单根细绞线进行小电晕笼试验，而实际输电线路主要采用多分裂钢芯铝绞线，空间尺度大，导线表面状态复杂，现有物理模型尚不能扩展至实际交流线路的无线电干扰预测。

综合而言，国外在进行不同海拔无线电干扰研究时，测点相对较少，导线类型单一，且导线截面和分裂数都较小，海拔2 000 m以上数据非常稀少。国内研究虽然讨论了不同海拔对线路无线电干扰的影响规律，对于前期高海拔地区线路建设起到了重要的支撑作用，但涉及多分裂、大截面导线较少，且没有细化研究不同降雨量对线路放电干扰无线电的影响规律。考虑到高海拔、降雨等环境气候和天气条件对于线路电晕放电和无线电干扰具有强烈的影响，本研究利用青海高海拔(2 261 m)特高压交流电晕笼测量系统，对3种大截面多分裂导线(型号分别为8×LGJ720、8×LGJ900、10×LGJ720)在不同降雨量条件下的无线电干扰特性进行了试验研究，讨论了不同导线表面场强、不同降雨量对线路无线电干扰的影响规律，研究结果对于高海拔地区输电线路电磁污染控制和环境保护具有技术支撑作用。

1 电晕笼测量系统

1.1 高海拔特高压交流电晕笼

电晕笼具有投资小，更换导线以及调整导线结构方便，试验时可以有效控制导线表面场强和气候环境条件等优点，为此本研究采用电晕笼系统对不同型式分裂导线的电晕特性进行测量。由于真型导线试验，特别是6分裂及以上的导线束，需要更高的加压电源，良好的设备绝缘，因此大尺寸的电晕笼才能有效复现实际导线的运行状态。本研究建立的电晕笼长度35 m，横截面为8 m×8 m，电晕笼配备3套导线连接金具，可分别组装1～12分裂的分裂导线(见图1)。电晕笼试验电源为额定容量400 kV·A、额定电压800 kV的单相交流试验变压器，采用无晕导线引入，最高可模拟交流1 500 kV电压等级的实际导线电晕情况。电晕笼测试系统内配备淋雨装置，可进行不同降雨量条件下的导线电晕效应试验，用于分析不同降雨量对导线电晕效应的影响。电晕笼淋雨装置由淋雨喷头、送水管路、大小阀门、过滤器、止回阀、潜水泵和远方的变频控制柜、闭环控制模块等组成。降雨量可以通过阀门和变频器控制进行调整，降雨量在1.5～50.0 mm/h内连续可调。

图1 高海拔特高压交流电晕笼Fig.1 The high altitude ultra-high-voltage corona cage

1.2 试验导线类型

本次试验采用3种类型的大截面钢芯铝绞线，导线型号分别为8×LGJ720、8×LGJ900、10×LGJ720。导线型号及子导线直径见表1。考虑到在子导线直径或导线分裂数相同的情况下，导线分裂间距对线路无线电干扰激发函数的影响很小[9]235，本次试验固定导线分裂间距为400 mm。

表1 试验导线类型

1.3 试验条件及测量回路

在本次试验中，测量时环境温度在16～25 ℃，风速不超过3 m/s。试验过程中，分别在降雨量为0(干燥状态)、1.5、2.0、6.0、12.0、18.0 mm/h等不同条件下的导线无线电干扰特性进行测试。

无线电干扰测量系统包括高压耦合电容(Cc)、测量回路以及无线电干扰接收机(见图2)。无线电干扰电压主要通过FSH4频谱分析仪(德国Rohde & Schwarz公司)测量，测量频率参照国际无线电干扰委员会(CISPR)的建议选取0.5 MHz；采用HOBO小型气象观测站(美国Onset公司)进行环境参数测量，包括气压、降雨量、风速等。降雨量传感器测量分辨率为0.2 mm/h，最大量程为100 mm/h。

图2 无线电干扰测量系统Fig.2 Schematic of radio interference measurement system

2 数据测量与分析

2.1 导线表面场强

试验过程中，为了便于比较试验数据，通常以导线表面场强作为主要参考变量。以导线10×LGJ720为例，对其在电晕笼中1 kV施加电压下的场强分布进行测定，结果见图3。由图3可知，由于内部屏蔽效应，分裂导线束每个子导线表面的场强分布并不均匀。因此，需要提取不同子导线表面的最大场强进行平均，作为导线表面场强的参考量。

图3 电晕笼中导线10×LGJ720在1 kV施加电压下的场强分布Fig.3 Electric field distribution of 10×LGJ720 in corona cage with the voltage of 1 kV

2.2 不同场强下的无线电干扰水平

通过调节电晕笼中施加电压改变导线表面场强，经计算，电晕笼施加电压分别为262.5、315.0、367.5、412.0 kV时，导线表面场强分别为10、12、14、16 kV/cm，对3种大截面分裂导线束在不同表面场强和降雨量条件下的无线电干扰水平进行了测量，结果见图4。可以看出，随着导线表面场强的增加，3种大截面分裂导线束的无线电干扰水平均呈现出明显的增加趋势。但是随着表面场强的增大，无线电干扰增加量总体有所减小，这主要是由于导线电晕放电较为剧烈时，存在一定的放电饱和效应所导致。当降雨量保持在1.5 mm/h，导线表面场强从10 kV/cm增加到12 kV/cm时，8×LGJ720、8×LGJ900、10×LGJ720的无线电干扰增量分别为10.8、10.6、11.9 dB，但是当表面场强从14 kV/cm增加到16 kV/cm时，无线电干扰增量分别为6.7、5.7、5.5 dB。

图4 大截面分裂导线束在不同表面场强和降雨量下的无线电干扰水平Fig.4 Radio interference level of three types of large section conductor bundles in different field strength and rain rate conditions

此外，通过对比不同降雨量条件下导线无线电干扰水平可以发现，8×LGJ720在10、12 kV/cm的低表面场强条件下，导线无线电干扰随着降雨量增加呈现出近似线性增加的趋势。导线表面场强为12 kV/cm时，当降雨量从1.5 mm/h增至12.0 mm/h，无线电干扰水平增加了9.7 dB。但当场强为14、16 kV/cm，降雨量≥2.0 mm/h时，降雨量对无线电干扰的影响相对较小。

对于8×LG900、10×LGJ720，导线表面场强为10、12、14 kV/cm时，降雨量从0 mm/h增加到2.0 mm/h，无线电干扰呈现增大趋势；当降雨量>2.0 mm/h，场强≥12 kV/cm时，降雨量对于无线电干扰的影响很小。

综上可知，随着导线表面场强的增大，导线表面电晕放电强度增大，由此产生的无线电干扰水平也明显增加，但当导线表面场强足够大时，导线表面的电晕放电点呈现出一定程度的饱和趋势从而导致增量逐渐减小。同样，在强降雨状态和高表面场强条件下，导线表面电晕放电剧烈，且呈现出饱和趋势，因此降雨量增加对无线电干扰水平的影响明显减弱。此外，由于导线表面的电晕放电点具有一定的排斥性，某一放电点周围非常近的区域放电程度会明显减弱，该因素也会对无线电干扰的变化区域有一定影响。

试验的过程中，本研究利用紫外成像对导线表面的放电情况进行了拍摄，选取10×LGJ720在14 kV/cm条件下的紫外放电图为例(见图5)，可以看出干燥条件下导线表面的电晕放电主要集中于一个特定区域且放电剧烈，该区域可能存在导线伤痕或者表面较为粗糙。而降雨条件下，由于雨滴的作用使得导线表面的电晕放电点呈现出相对比较均匀的情况。由此可知，尽管导线在干燥和降雨条件下的无线电干扰水平类似，但是放电形态明显不同。

图5 导线10×LGJ720在14 kV/cm下的紫外放电Fig.5 Ultraviolet discharge image of 10×LGJ720 with the electric field intensity of 14 kV/cm

3 结论与建议

利用海拔2 261 m的特高压交流电晕笼，对8×LGJ720、8×LGJ900、10×LGJ720共3种大截面分裂导线束的无线电干扰特性开展了试验研究。对于8×LGJ720，导线表面场强在10、12 kV/cm时，无线电干扰水平随着降雨量的增大呈现出近似线性增大的趋势。对于8×LGJ900、10×LGJ720，当降雨量>2.0 mm/h，表面场强≥12 kV/cm时，雨量对于无线电干扰的影响很小。尽管导线在干燥和降雨条件下无线电干扰值较为接近，但是表面电晕放电的形态存在不同。

根据测量数据，建议高海拔地区新能源外送通道建设导线选型时，当降雨量>2.0 mm/h、表面场强≥12 kV/cm时，推荐使用8×LGJ900、10×LGJ720导线，其无线电干扰水平平滑度较好，对环境的干扰更加缓和；当导线表面场强<12 kV/cm、降雨量<2.0 mm/h时，推荐使用8×LGJ720，其无线电干扰水平相对较低，投资成本小。