500kv直流輸電工程電磁環(huán)境問(wèn)題分析

500kv直流輸電工程電磁環(huán)境問(wèn)題分析

1電網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)行中影響電網(wǎng)發(fā)展的重大技術(shù)問(wèn)題中國(guó)大部分能源分布在西部。東盟地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，電力負(fù)荷迅速增加。開(kāi)發(fā)西部的水電和火電,通過(guò)“西電東送”實(shí)現(xiàn)“全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”,需要采用安全穩(wěn)定且經(jīng)濟(jì)的輸電技術(shù)。20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的高壓直流輸電(HVDC)技術(shù)就是一種最具競(jìng)爭(zhēng)力的手段。近幾年來(lái)我國(guó)±500kV直流輸電工程的建設(shè)發(fā)展迅速。根據(jù)規(guī)劃,在未來(lái)20年中南方電網(wǎng)及華東電網(wǎng)都將建成7條或更多直流輸電線路,華中電網(wǎng)中將會(huì)出現(xiàn)近10條直流輸電線路。隨著我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展和民眾環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng),輸電工程的環(huán)境問(wèn)題已成為影響電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展的重要因素之一。輸電工程的環(huán)境影響主要包括電場(chǎng)效應(yīng)、無(wú)線電干擾和可聽(tīng)噪聲等幾方面內(nèi)容,它們是輸電工程設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行中必須考慮的重大技術(shù)問(wèn)題。中國(guó)電力科學(xué)研究院承擔(dān)了我國(guó)±500kV直流輸電工程調(diào)試的全部任務(wù),本文根據(jù)對(duì)葛(洲壩)—上(海)、天(生橋)—廣(州)、三(峽)—廣(東)以及貴(州)—廣(東)±500kV直流輸電工程電磁環(huán)境的測(cè)量結(jié)果,從電場(chǎng)效應(yīng)、可聽(tīng)噪聲、無(wú)線電和電視干擾以及接地極地電位等幾方面討論我國(guó)±500kV直流輸電工程電磁環(huán)境的有關(guān)問(wèn)題。2對(duì)地面合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度的測(cè)量表征電場(chǎng)效應(yīng)的參數(shù)主要有地面合成場(chǎng)強(qiáng)、離子流密度以及直流電場(chǎng)下人的感受和人截獲離子電流的感受,對(duì)人體的效應(yīng)主要是指人在直流電場(chǎng)中的感覺(jué)和離子流場(chǎng)中電荷積累引起的暫態(tài)電擊。1989年10月至11月,葛—上±500kV直流輸電工程兩極并聯(lián)單極運(yùn)行,通過(guò)測(cè)量線路的電場(chǎng)效應(yīng)得知:線路對(duì)地最小距離為16m、極間距離等于14m、電壓為405kV時(shí),離子流密度的平均最大值為47nA/m2,合成場(chǎng)強(qiáng)為18kV/m。2001年11月至12月,天—廣±500kV直流輸電工程系統(tǒng)雙極運(yùn)行時(shí)對(duì)地面合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度進(jìn)行了測(cè)量,測(cè)量時(shí)風(fēng)速約為1.0m/s。換流站最大的地面合成場(chǎng)強(qiáng)平均值為27kV/m,最大的離子流密度平均值為99nA/m2;黎塘輸電線路最大的地面合成場(chǎng)強(qiáng)平均值為15kV/m,最大離子流密度平均值為14nA/m2。文獻(xiàn)中規(guī)定,±500kV直流輸電線路下地面的合成場(chǎng)強(qiáng)限值取為30kV/m,離子流密度限值為100nA/m2?？梢?jiàn),葛—上±500kV直流輸電線路及天—廣±500kV直流輸電線路和換流站的地面合成場(chǎng)強(qiáng)和離子流密度均滿(mǎn)足導(dǎo)則要求。從葛—上±500kV直流輸電線下人體的感受情況來(lái)看,當(dāng)直流電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值時(shí),人的頭發(fā)會(huì)發(fā)生不同程度的豎立現(xiàn)象。由于直流輸電線下人體的截獲電流比交流情況下人的感應(yīng)電流小1～2個(gè)數(shù)量級(jí),而站在直流輸電線下人體的直接感覺(jué)閾值比站在交流輸電線下的大,因此直流線路下的穩(wěn)態(tài)電擊很微弱;站在直流輸電線下人體的截獲電流比直接感覺(jué)閾值小3～4個(gè)數(shù)量級(jí),因此在直流輸電線下一般不會(huì)有什么感覺(jué)(傘效應(yīng)除外),但對(duì)人體的長(zhǎng)期效應(yīng)迄今尚無(wú)定論。由于葛—上±500kV直流輸電線路途徑人口密集地區(qū),輸電線不可避免地會(huì)出現(xiàn)跨越民房的現(xiàn)象。從跨越民房時(shí)電場(chǎng)效應(yīng)的測(cè)量結(jié)果來(lái)看,在額定功率下葛—上±500kV直流輸電線路跨越民房不影響民房?jī)?nèi)居民的正常生活及其在民房周?chē)幕顒?dòng)。測(cè)量時(shí)跨房處導(dǎo)線與房頂距離為15.9m,導(dǎo)線與民房地面的距離為25.4m。葛—上±500kV直流輸電導(dǎo)線型號(hào)為4×LGJQ300/45,天—廣±500kV直流輸電導(dǎo)線型號(hào)為4×LGJQ400/45,目前我國(guó)三峽工程中的±500kV直流輸電線路均采用大截面ACSR-720/50導(dǎo)線,其電磁環(huán)境各項(xiàng)指標(biāo)將有很大改善。3可聽(tīng)到噪聲3.1極性流注放電交流輸電線路由電暈產(chǎn)生的可聽(tīng)噪聲由兩部分組成:一種是由正極性流注放電產(chǎn)生的寬頻帶噪聲,它是交流噪聲的主要部分;另一種是電壓周期變化使導(dǎo)線附近帶電離子往返運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生純音,其頻率是50Hz的整倍數(shù)。對(duì)于直流輸電線路,電暈產(chǎn)生的噪聲主要是正極性流注放電。在50dB(A)以?xún)?nèi)直流和交流輸電線路可聽(tīng)噪聲造成的煩惱程度是相同的,但高于該噪聲水平后直流線路將產(chǎn)生更令人煩惱的噪聲。實(shí)際上±500kV直流線路走廊外的可聽(tīng)噪聲一般小于45dB(A),因此±500kV直流線路的可聽(tīng)噪聲造成的煩惱程度要比相應(yīng)電壓等級(jí)交流線路的小。葛—上±500kV直流輸電工程雙極并聯(lián)單極運(yùn)行時(shí),金山地區(qū)在距線路投影15～20m處的可聽(tīng)噪聲測(cè)量值為35dB(A),系統(tǒng)雙極運(yùn)行時(shí)宜昌地區(qū)正極導(dǎo)線下的可聽(tīng)噪聲約為34dB(A),都很接近背景噪聲值。天—廣±500kV直流輸電工程雙極運(yùn)行時(shí),在距極I導(dǎo)線投影20m處的廣西賓陽(yáng)縣黎塘鎮(zhèn)測(cè)量的可聽(tīng)噪聲值為33.5dB(A),也比較接近背景噪聲值。由上述分析可見(jiàn),±500kV直流輸電線路的可聽(tīng)噪聲很低,屬于無(wú)或低抱怨區(qū)水平。3.2換流站噪聲惡化換流站內(nèi)的主要噪聲源有換流變壓器、平波電抗器、交流濾波器、換流閥和冷卻系統(tǒng)等設(shè)備。統(tǒng)計(jì)天—廣、三—常、三—廣和貴—廣直流輸電工程的換流站的可聽(tīng)噪聲測(cè)量數(shù)據(jù)可得到:雙極輸送功率為3GW時(shí),在距離設(shè)備3m遠(yuǎn)處的某些位置,換流變壓器和換流閥發(fā)出的可聽(tīng)噪聲超過(guò)90dB(A),平波電抗器和冷卻系統(tǒng)設(shè)備發(fā)出的可聽(tīng)噪聲超過(guò)80dB(A),交流濾波器組發(fā)出的可聽(tīng)噪聲超過(guò)75dB(A)。其中,換流閥和冷卻系統(tǒng)設(shè)備置于室內(nèi),其噪聲基本被房屋所屏蔽;換流變壓器、平波電抗器和交流濾波器均安裝在室外,其噪聲對(duì)外界影響較大。換流站的可聽(tīng)噪聲惡化了站內(nèi)及周邊的聲環(huán)境,在某些區(qū)域甚至達(dá)到了干擾人們正?；顒?dòng)和休息的程度。對(duì)于換流站的噪聲應(yīng)在以下兩方面引起注意:(1)換流站圍墻外20m的噪聲設(shè)計(jì)指標(biāo)與國(guó)家環(huán)保要求存在不協(xié)調(diào)的問(wèn)題;(2)站內(nèi)的一些設(shè)備(如換流變壓器等)發(fā)出的噪聲太大。新建換流站時(shí)要特別注意采取措施減小可聽(tīng)噪聲。4無(wú)線和電視干擾4.1最大干擾區(qū)域特征直流輸電線路對(duì)無(wú)線電干擾的信噪比允許值為20dB,即廣播信號(hào)必須比直流電暈干擾高出20dB才能取得較滿(mǎn)意的收聽(tīng)效果。而對(duì)于交流輸電線路,廣播信號(hào)取得較滿(mǎn)意收聽(tīng)效果的信噪比為28dB,可見(jiàn)直流輸電線路因電暈對(duì)無(wú)線電廣播產(chǎn)生的干擾要比交流線路的小。葛—上±500kV直流輸電工程雙極并聯(lián)單極運(yùn)行時(shí),在鴉鵲嶺地區(qū),在距離導(dǎo)線投影20m處的0.5MHz無(wú)線電干擾水平為42.9～44.7dB,1MHz無(wú)線電干擾水平為38.5～40.9dB。測(cè)量結(jié)果低于500kV交流線路的干擾限值(0.5MHz下55dB,1MHz下50dB)。在電視干擾頻段,干擾儀接收的干擾平均小于機(jī)器的本機(jī)噪聲,干擾水平很低;測(cè)量線路附近的居民對(duì)電視接收的效果也比較滿(mǎn)意。天—廣±500kV直流輸電工程雙極運(yùn)行時(shí),對(duì)黎塘線路進(jìn)行了無(wú)線電和電視干擾測(cè)量,結(jié)果表明:輸電線路的干擾主要表現(xiàn)為無(wú)線電干擾,在距導(dǎo)線投影距離20m處,對(duì)0.5MHz無(wú)線電的干擾水平為46dB,對(duì)1MHz無(wú)線電的干擾水平為43dB。由上述分析可見(jiàn),±500kV直流輸電線路的無(wú)線電和電視干擾水平能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)限值的要求,對(duì)電視的干擾較交流低得多,正極性導(dǎo)線30m以外可以不予考慮干擾。4.2有了干擾值的測(cè)量直流輸電線路的電磁環(huán)境直接與輸電線路的電暈特性有關(guān),換流站的電磁環(huán)境除與帶電導(dǎo)體電暈放電有關(guān)以外,還與換流裝置的換流特性有關(guān)。由于現(xiàn)在換流站均采用戶(hù)內(nèi)可控硅閥,這樣就屏蔽了由整流閥的周期性導(dǎo)通和阻斷過(guò)程中閥體電流的急劇變化所產(chǎn)生的高頻電磁干擾源。天—廣±500kV直流輸電工程正常運(yùn)行5個(gè)月后,在雙極運(yùn)行情況下天生橋和廣州換流站站外距換流站帶電設(shè)備構(gòu)架450m處無(wú)線電和電視干擾水平低于限值(設(shè)備合同中規(guī)定無(wú)線電干擾限值為40dB,電視干擾限值為20dB)。三—?！?00kV直流輸電工程雙極運(yùn)行時(shí),分別對(duì)龍泉和政平換流站的無(wú)線電和電視干擾進(jìn)行了測(cè)量,在龍泉換流站圍墻外距帶電設(shè)備構(gòu)架450m處測(cè)得對(duì)0.5MHz和20MHz無(wú)線電的干擾值分別為30.2dB、和15.9dB。在政平換流站圍墻外距帶電設(shè)備構(gòu)架450m處測(cè)得0.5MHz和20MHz下的干擾值分別為39.1dB和19.5dB。三—廣±500kV直流輸電工程雙極運(yùn)行時(shí),對(duì)江陵和鵝城換流站的無(wú)線電和電視干擾進(jìn)行了測(cè)量,在墻外距帶電設(shè)備構(gòu)架450m處的三個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的結(jié)果均沒(méi)有超過(guò)設(shè)備合同中所規(guī)定的限值。分析這些測(cè)量結(jié)果可知,天—廣、三—常和三—廣直流工程的換流站無(wú)線電干擾主要來(lái)自于電暈和火花放電。由上述測(cè)量結(jié)果可見(jiàn),±500kV直流換流站的無(wú)線電和電視干擾值能滿(mǎn)足限值要求。多年的實(shí)際運(yùn)行情況表明,設(shè)備合同中的無(wú)線電和電視干擾限值是可以接受的,對(duì)周?chē)鸁o(wú)線電接收和廣播信號(hào)的接收干擾很弱。5非晶態(tài)極對(duì)環(huán)境的影響5.1對(duì)不平衡電流回流的保護(hù)目前我國(guó)±500kV直流輸電工程均采用雙極兩端接地的運(yùn)行方式,即在理想情況下地中無(wú)電流,但實(shí)際運(yùn)行中地中有小于額定直流電流1%的不平衡電流流過(guò)。任意一極輸電線路或換流閥發(fā)生故障時(shí)大地回路中的故障電流與故障極上的電流相同。接地極既起著鉗制中性點(diǎn)電位的作用,又為直流電流提供了通路。單極–大地的運(yùn)行方式提高了直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性、可靠性以及可用率,但也對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生了影響。5.2接地極的校核和在正常的工況下運(yùn)行由于土壤電阻的存在,電流自接地極經(jīng)周?chē)寥懒魃r(shí)會(huì)在土壤中產(chǎn)生壓降并形成一定的地表電位分布;人畜在接地極附近活動(dòng)時(shí),當(dāng)跨步電壓和接觸電壓超過(guò)安全數(shù)值時(shí)就會(huì)導(dǎo)致人畜的觸電事故。因此接地極在正常和非正常運(yùn)行時(shí),要確保其周?chē)孛娴目绮诫妷汉徒佑|電壓對(duì)人畜無(wú)害。三—?！?00kV直流輸電工程的青臺(tái)(宜昌地區(qū))和邁步(常州市)接地極的地電位和跨步電壓均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。在額定電流下青臺(tái)和邁步接地極極址設(shè)備的接觸電壓小于1.6V,正常運(yùn)行時(shí)不會(huì)危及人身安全。三—廣±500kV直流輸電工程的胡臺(tái)(宜昌市)接地極的地電位、跨步電壓和接觸電壓均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求;觀音閣(惠州市)接地極的地面跨步電壓、接地極上方設(shè)備及附近桿塔的接觸電壓也滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。5.3變壓器交流方式的選擇當(dāng)直流輸電采用單極–大地返回方式運(yùn)行時(shí),入地電流使接地極周?chē)牡仉娢簧?附近變電站/換流站不同位置之間會(huì)出現(xiàn)直流地電位差。直流電流通過(guò)三相交流中性點(diǎn)的接地極流經(jīng)交流系統(tǒng)某些部分,從而引起有關(guān)變壓器鐵心磁通不對(duì)稱(chēng)飽和、噪聲和發(fā)熱,影響變壓器的工作,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞變壓器。國(guó)外解決該問(wèn)題的措施有:在變壓器中性點(diǎn)加裝一小電阻或電容,如新西蘭、加拿大等國(guó);采用雙極金屬中線方式,但其線路結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜,線路造價(jià)會(huì)隨著增加,如英國(guó)倫敦、日本和加拿大的一些直流工程;還有其它的解決辦法。究竟哪一種方案在我國(guó)比較可行還需要經(jīng)多方面考慮后再?zèng)Q定。廣東省的大地電阻率普遍較高,按電力規(guī)劃珠江三角洲地區(qū)的換流站較多,上述問(wèn)題將會(huì)比較嚴(yán)重。廣東境內(nèi)已有三座±500kV的換流站,新的直流輸電工程近期也擬在規(guī)劃建設(shè)中,目前僅靠控制運(yùn)行方式來(lái)回避上述問(wèn)題比較被動(dòng),應(yīng)盡早著手研究和解決直流接地極地電位升對(duì)交流系統(tǒng)的影響。5.4埋地設(shè)施的金屬構(gòu)件直流輸電工程采用單極–大地返回方式運(yùn)行時(shí),其地中直流電流主要對(duì)地下和地面金屬管道、鎧裝電纜、電力線路桿塔基礎(chǔ)等這些大跨度的埋地設(shè)施的金屬構(gòu)件產(chǎn)生電腐蝕。一般認(rèn)為,判斷接地極是否對(duì)地下金屬管道和鎧裝電纜的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅主要是看在其設(shè)計(jì)壽命期間該接地極是否對(duì)它產(chǎn)生了影響。由于我國(guó)的直流輸電工程采用單極–大地返回方式運(yùn)行的時(shí)間較短,而接地極的電腐蝕影響需要長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),因此針對(duì)我國(guó)直流輸電接地極對(duì)地下金屬構(gòu)件的電腐蝕問(wèn)題,目前還沒(méi)有得出明確的結(jié)論。6換流站使用的問(wèn)題(1)我國(guó)±500kV直流輸電線路的無(wú)線電和電視干擾、可聽(tīng)噪聲的水平均低于交流500kV線路的水平。目前尚無(wú)無(wú)線電和電視干擾、可聽(tīng)噪聲方面的限值,需盡快制定出科學(xué)合理的限制標(biāo)準(zhǔn)。(2)所測(cè)工程的合成場(chǎng)強(qiáng)、離子電流密度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)導(dǎo)則的要求。(3)從天—廣、三—常、三—廣和貴—廣±500kV直流輸電工程的電磁環(huán)境測(cè)試結(jié)果來(lái)看,換流站存在兩個(gè)突出問(wèn)題:(1)換流站的可聽(tīng)噪聲較大;(2)系統(tǒng)以單極–大地回路的方式運(yùn)行時(shí),如接地極的接地電阻較大,則其地電位