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超高压直流输电线路电场环境研究 摘要 随着我国经济的快速发展，电力需求急剧增加。我国的能源主要分布在西部， 而电力需求主要在东部发达地区，为了实现资源优势和经济优势的互补，需要进 行长距离、大容量的电力输送。当输电距离超过8 0 0 1 0 0 0 k m 时，超高压直流 ( e h v d c ) 输电比超高压交流( e i 、，a c ) 输电更具优势，在我国的西电东送中 开始应用。随着人们环境意识的提高，对输电工程引起的环境问题十分关注。 本文针对工程中常见的超高压直流输电线路设计参数取值范围，采用解析法 研究了线下电场、空间电荷密度和离子流密度的大小和分布规律。研究表明，不 论是单极还是双极输电线路，导线高度是影响电场分布的主要因素，导线越高， 地面电场强度越低；对单极输电线路，次导线半径对电场分布的影响较明显，次 导线半径越大，地面电场强度越低；对双极输电线路，极间距对电场分布的影响 较明显，极间距越大，地面电场强度越大；其它参数对电场分布的影响不明显。 总结了地面最大电场强度和导线设计参数的经验公式，为环境评价和工程设计提 供参考。 鉴于超高压交流输电已经广泛采用，在工程建设中积累了较多的经验。为了 对比，本文研究了超高压交流输电线下的工频电场强度及其分布。结果表明，导 线高度对工频电场影响显著，导线越高，工频电场强度越小；相间距对工频电场 的影响比较明显，相间距越大，工频电场越强；次导线布置形式对工频电场的影 响也比较明显；其它参数对工频电场分布的影响不明显。 由于对输电线路电场生态效应的研究较少，本文从电场在食品、农业和医学 领域中的应用着手，分析归纳电场的生态效应，为超高压直流输电地面电场强度 限值的确定提供依据。 总结前人研究成果发现，人在直流线下的感受电流和摆脱电流均大于交流， 直流是交流的5 7 倍。总结电场在食品、医学和农业领域的实验研究成果发现， 当电场强度大于1 5 k v m 时，电场对细胞产生较为明显的影响。电场强度限值是 一个经济、技术和环境卫生需求等因素相互作用、相互平衡的结果，不同时期将 有不同的限值要求。根据目前的研究成果，考虑到实验中的电场强度大小不变、 研究对象固定，而输电线路的电场强度和人均是变化的，并且线路的电场设计标 准限值按最不利情况考虑。类比国外同等级的超高压直流输电线路的电场强度标 准限值，本文建议以2 0 k v m 作为我国超高压直流输电线的电场强度标准限值。 关键词：超高压直流输电，合成场强，空问电荷密度，离子流密度，工频电 场，电场标准，电场生态效应 r e s e a r c h o ne l e c t r i cf i e l de f f e c tg e n e r a t e d b ye h 加ct r a n s m i s s l 0 nl i n e s a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u re c o n o m y , t h ee l e c t r i cd e m a n d sa r ei n c r e a s e d d r a m a t i c a l l y t h ee l e c t r i cr e s o u r c e sa r em a i n l yd i s t r i b u t e di nt h ew e s tp a r to fc h i n a , w h i l et h ee l e c t r i cc o n s u m p t i o ni sm a i n l yi nt h ee a s t i no r d e rt ot a k ea d v a n t a g e s b e t w e e nt h ee a s ta n dt h ew e s t ，t h el o n ge l e c t r i ct r a n s m i s s i o nl i n em u s th ec o n s t r u c t e d w h e nt h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c ei so v e rs 0 0 q 0 0 0 k m , t h ee h v d ch a v et h e a d v a n t a g e so v e rt h ee h v a c ，s oe h v d c h a v eab r o a dp r o s p e c t si no u rc o u n t r y o n t h eo t h e rh a n dp e o p l eb e g a nt ot a k eg r e a tc o n c e r nt h ee n v i r o n m e n ti m p a c tp r o d u c e d b yt h ee h v d c t r a n s m i s s i o nl i n e s o nt h eb a s i so ft h ea b o v eb a c k g r o u n d ，t h ee l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o nu n d e rt h e e h v d ct r a n s m i s s i o nl i n e sa r ec a l c u l a t e di nt h ep a p e r , t h ei n f l u e n c e so f t h es e c o n d a r y c o n d u c t o r sr a d i u s ，t h el a y o u ta n dt h es p a c i n go f t h es e c o n d a r yc o n d u c t o r s ，t h eh e i g h t o ft h ec o n d u c t o r sa n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ep o s i t i v ea n dt h en e g a t i v ec o n d u c t o r a r ec a l c u l a t e db ya na n a l y t i c a lm e t h o d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eh e i g h to f t h ec o n d u c t o ri st h em a i nf a c t o r , t h eh i g h e rt h ec o n d u c t o ri s ，t h ew e a k e rt h ee l e c t r i c f i e l dw i l lb e t h er a d i u so ft h es e c o n d a r yc o n d u c t o ri st h es e c o n df a c t o rf o rt h e u n i p o l a rt r a n s m i s s i o nl i n e ，t h el a r g e rt h es e c o n d a r yc o n d u c t o rr a d i u si s ，t h eh i g h e r i n c e p t i o nv o l t a g ei s ，t h ew e a k e rt h ee l e c t r i cf i e l dw i l lb e t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h e p o s i t i v ea n dt h en e g a t i v ec o n d u c t o ri st h es e c o n df a c t o rf o rt h eb i p o l a rt r a n s m i s s i o n l i n e s ，t h el a r g e rt h ed i s t a n c ei s ，t h es t r o n g e rt h ee l e c t r i cf i e l dw i l lh e t h eo t h e rf a c t o r s o ft h et r a n s m i s s i o nl i n eh a v em i n o ri n f l u e n c e so nt h ee l e c t r i cf i e l d t h ee x p e r i e n c e f o r m u l ao nt h eg r o u n dm a x i n l u l ne l e c t r i cf i e l di n t e n s i t ya n dc o n f i g u r a t i o n sp a r a m e t e r s w e r ed e d u c e d ，w h i c hp r o v i d er e f e r e n c e st oe n v i r o n m e n t a la s s e s s m e n ta n de n g i n e e r i n g d e s i g n i no r d e rt oc o m p a r et h ee l e c t r i cf i e l dm a g n i t u d ea n dd i s t r i b u t i o n ，t h ep o w e r f r e q u e n c ye l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o no fe h v a c t r a n s m i s s i o nl i n ei sc a l c u l a t e d t h e h e i g h to ft h ec o n d u c t o ri st h em a i nf a c t o ro nt h ee l e c t r i cf i e l d ，t h eh i g h e rt h e c o n d u c t o ri s ，t h ew e a k e rt h ep o w e rf r e q u e n c ye l e c t r i cf i e l dw i l lb e t h ed i s t a n c eo f t h et h r e e p h a s ec o n d u c t o r si st h es e c o n d a r ym a i nf a c t o r ，t h el a r g e rt h ed i s t a n c ei s ，t h e s t r o n g e rt h ee l e c t r i cf i e l dw i l lb e t h el a y o u to ft h eb u n d l e dc o n d u c t o r si st h en e x t f a c t o r t h eo t h e rf a c t o r so f t h et r a n s m i s s i o n1 i n e sh a v em i n o ri n f l u e n c eo nt h ee l e c t r i c f i e l d a m a g n i t u d eo f 4 k v mi sp r e s c r i b e dt ob eu p p e rb o u n df o re h v a c t r a n s m i s s i o n l i n e si no u rc o u n t r y t h i sv a l u ec a nb et a k e na sar e f e r e n c ev a l u ef o re h v d c t r a n s m i s s i o nl i n e s t h ep e r c e p t i o no ft h eh u m a nu n d e rt h et r a n s m i s s i o nl i n e sa r e g e n e r a l i z e d ，t h em i n i m u mp e r c e p t i o nc u r r e n ta n dt h es a f ec u r r e n to ft h eh v d c a r e 5 - 7t i m e sl a r g e rt h a nt h a tu n d e rh v a ct r a n s m i s s i o nl i n e s ；t h ee c o l o g i c a li n f l u e n c eo f t h ee l e c t r i cf i e l do nt h ef o o d , a 鲥c u l t u r ea n dt h em e d i c i n ea r es u m m a r i z e d ，t h e e c o l o g i c a le f f e c tw i l lb ew o r ko nt h ec e l lw h e nt h ed ee l e c t r i c f i e l di sg r e a t e rt h a n 1 5 k v m , w h i c ha p p r o a c h e se l e c t r i cf i e l do ft h et r a n s m i s s i o nl i n e s t h ee l e c t r i cf i e l d l i m i t a t i o nv a l u ei st h er e a c t i o na n db a l a n c er e s u l to fe c o n o m y , t e c h n o l o g ya n d e n v i r o n m e n t a lh y g i e n e w h i c hm a yc h a n g ew i mt h et i m e a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n t r e s e a r c l l ，t h em a g n i t u d eo f e l e c t r i cf i e l da n dt h es u b j e c t si nt h el a b o r a t o r ya r ec o n s t a n t ， t h em a g n i t u d eo fe l e c t r i cf i e l da n dt h ep e o p l eu n d e rt h et r a n s m i s s i o nl i n e sa r e c h a n g e a b l e t h ee l e c t r i cf i e l dl i m i t e dv a l u ei sd e s i g n e df o rt h em o s tu n f a v o r a b l e c o n d i t i o n t a k i n ga c c o u n ti n t ot h ea b o v ef a c t o r sa n dc o m p a r i s o n sb e t w e e no t h e r c o u n t r i e s t h em a g n i t u d eo f2 0 k v mi sr e c o m m e n d e da st h es t a n d a r de l e c t r i cf i e l d i n t e n s i t yo f e h v d c t r a n s m i s s i o nl i n e si nc h i n a k e yw o r d s ：e h v d c ，e l e c t r i cf i e l d ，s p a c ec h a r g ed e n s i t y , i o nc u r r e n td e n s i t y , p o w e rf r e q u e n c ye l e c t r i cf i e l d ，e l e c t r i cf i e l ds t a n d a r d ，t h ee c o l o g i c a le f f e c to fe l e c t r i c f i e l d 浙江大学博士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 输电线路是用绝缘子串把导线固定在直立于地面的杆塔上，用来传输电能 的线路( 见图1 - 1 ) 。它由导线、架空地线、绝缘 子串、杆塔和接地装置等组成。 导线由导电良好的金属制成，目前国内最常用 的是钢芯多股铝绞线。超高压输电线路一般采用分 裂导线形式，即把几根小直径导线( 次导线) 按不 同的间距布置成不同的形式，输送电压极性相同， 构成直流输电线路的一极导线，导线布置以四分裂 正方形为例，见图1 - 2 。分裂导线具有截面大，重 量轻等优点，能传输大容量的电力，并且能减轻杆 塔的承重。架空地线设置于导线的上方，一方面通 过接地装置与大地相连，另一方面保护线路免遭雷 击，国内一般采用镀锌钢铰线。按运行电压分，输 电线路可分为高压( 6 0 k v 3 3 0 k v ) ，超高压 图1 - 1 高压输电杆塔实景图 ( 3 3 0 k v 7 5 0 k v ) 和特高压( 7 5 0 k v 以上) 。 翠靼裟距 。二o0 。o 主l m ”4 吲射线 地面 图1 2 输电线路示意简图 随着我国经济的发展，电力需求急剧增加，预计到2 0 2 0 年，全国电力需求 总量将达到4 6 万亿千瓦时。我国能源主要在西、北部，电力需求主要在中、南、 东部发达地区i ”】。为了实现全国范围内的资源优势和经济优势互补，促进经济 浙江大学博士学位论文 全面快速的发展，这就促成了我国电力输送以超高压、长距离和大容量为主，形 成“西电东送，南北互供、全国联网”的电力输送格局。 我国于1 9 7 7 年建成第一条3 3 1 k v 直流输电工业性实验电路以来，直流输电 发展很快。由于独特的电力负荷和资源分布特点，近年来，我国修建和规划了许 多超高压直流输电线路，见表1 - 1 。 表1 1 我国已建、在建及规划的超高压直流输电线路朋 此外，我国还规划了系列超高压直流输电线路，如：小湾广东，上虎跳 广东，景洪泰国；溪洛渡华北共三回；宁夏山东，甘肃华北等。 国外的超高压直流输电线路及其输电情况见表l - 2 表1 - 2 国外已运行的超高压直流架空输电线路1 4 1 浙江大学博士学位论文 由于我国独特的电力负荷和资源分布特点，为提高输电的经济性，必然提高 输送的电压，在我国长距离输电和全国联网中，超高压直流输电必将发挥重要的 作用。对于这种大容量、长距离的电力输送，从经济和环境上分析，超高压直流 输电在以下三个方面优于超高压交流。 ( 1 ) 对于架空输电线路，直流输电一般采用1 根或2 根导线，而交流采用 3 根导线，这样直流输电就节约大量的输电材料，减少了运输、安装费。 ( 2 ) 直流输电工程换流站费用比交流变电站昂贵，但直流输电材料费用比 交流低，据统计输电距离在8 0 0 - 1 0 0 0 k m 时，两者的费用相当。交直流输电工程 的费用比较示意图，见图1 3 。 图l - 3 交流、直流输电工程费用比较示意图( 摘自文献5 ) ( 3 ) 直流输电线路走廊窄，按相等的运行电压5 0 0 k v 计算，一条直流输电 线路的走廊约4 0 m ，一条交流输电线路走廊约5 0 m ，而前者的输送容量约为后者 的2 倍，因此直流输电可节约土地占用量。 浙江大学博士学位论文 1 2 直流输电线路的环境问题 输电线路运行时产生电磁波，无线电干扰和电晕噪声等环境问题，本文主要 关注的是电场环境问题。不论是直流输电线路还是交流输电线路，当导线表面的 场强大于起晕场强后都会产生电晕。交流线路导线发生电晕时，由于电压极性周 期性变化，上半个周期因电晕放电产生的电荷，下半个周期因电压极性改变，又 几乎全都被拉了回来，电晕电荷只在导线周围很小区域内作往返运动，因此交流 输电产生的电场强度较小。由于直流线路导线的极性是固定的，导线发生电晕时， 和导线极性相反的电荷被拉向导线，而和导线极性相同的电荷将背离导线。这样 两极导线之间、极导线与大地之间将充满电荷，这些电荷在电场的作用下运移形 成离子流，使导线周围的电场强度增大。直流输电线路运行会使周围的电场环境 发生改变，由于电场不象大气污染物或水体污染物随时空而产生扩散等现象，从 而减轻对环境的污染。直流输电线产生的电场与导线表面粗糙度、大气状况等有 关，电场只会随运行时间增加而不会减小。 直流线路发生电晕后，按电离的发生情况可将除导线以外的整个空间分为电 离区和非电离区。电离区是指紧贴导线周围很薄的一层空间，非电离区是指导线 与地面和导线与另一极导线之间的区域，对单极输电线路而言，是指导线与地面 间的空问，对双极导线指的是两极导线间和导线与地面间的空间。我们通常所关 心的主要是地面横向的电场环境。 直流输电线路运行后，使空间环境中电场强度增加；导线电晕产生空间电荷， 空间电荷在电场力的作用下向极间区运移，形成离予流，离子流在人体沉积；都 可能会产生不良的环境和生物问题。随着人们环保意识的提高，输变电工程产生 的环境问题已开始显现【6 】。 ( 1 ) 北京百旺家苑居民阻挠输电线路建设，引起众多媒体关注，产生了较 大的社会影响。 ( 2 ) 福建省的5 0 0 k v 泉厦i i 回线路，因邻近当地村民的房屋，有关村民曾 集体上访，要求拆迁输电线，该事件被厦门市列为信访滚动督办事件。 ( 3 ) 浙江省的5 0 0 k v 杭瓶线经过余杭区的8 户村民，村民反映头痛、失眠 和贫血等，甚至发生人身伤害事故。 ( 4 ) 湖北省黄石的2 2 0 k v 输电工程数次遭至q 村民的阻挠。 从已有资料分析，直流输电线路环境问题可以分为两类，一类是短期的生物 浙江大学博士学位论文 效应7 制，主要研究人体对电击和电场的直接感受，电流对人体的影响；另一类 是电场的长期生物效应 9 1 。 1 2 1 直流输电线路的短期生物效应 高压直流输电线路产生的电场属于高压静电场。具有电场强度高、电晕产生 电荷和形成离子流的属性。一般电场强度高于人体的感受时，人体会产生电击感。 这就是直流输电线产生的短期生物效应。 评价人或物体处于直流输电线路电场环境中的感受分为瞬态电击和稳态电 击。在直流输电线路下，对地绝缘良好的人，截获离子流后，人体产生高电压。 若此人接触地体，在接触瞬间人体上的感应电荷，以火花放电的形式释放到大地。 当释放的能量足够大时，人体产生电击感，这种电击称为瞬态电击。直流输电线 路下瞬态电击的强弱主要取决于人或物体对地绝缘的电阻和离子流密度。 稳态电击是某一大小的稳态电流流过人体时所产生的电击感，人处在超高压 直流输电线下，人体内流过的稳态电流是人体所截获的空间离子电流。稳态电击 是引起人或动物产生生理影响的主要表征，是衡量生物影响的重要标志。 1 2 2 直流输电线路的长期生物效应 高压直流输电线路的建设使周围环境中的电场增强；电晕产生的空间电荷在 电场中形成离子流。这些都会改变线路附近的电场环境。目前关于输电线路电场 对生物体的长期效应还不明确，但输电线路的电场作为一种能量污染，已经引起 人们的重视。因此，本文首先研究直流输电线路垂直于导线走向的电场分布( 横 向分布) ，并对其衰减规律进行分析，然后对电场的生物效应进行总结性的认识， 提出相应的减缓措施。 ( 1 ) 输电线路对人体的影响研究 随着输电线路电压的提高，输电线路附近地面横向电场强度增加，电场强度 是否对人体产生影响，产生影响的闽值是多少，是人们十分关注的问题。国外对 直流输电线路的生物影响进行了研究，得到一些矛盾的结论。有认为输电线路产 生的电场强度对人体没有影响1 1 0 1 ，有认为对人体产生影响 i h 2 j 。而关于离子流电 场的生物效应，还没有定论1 9 】。 有学者试验后认为空间电荷不会在人或动物身体表面产生聚集，不会影响人 或动物健康1 0 】。n e i lc h e 玎y f 研究了在高压线附近人群癌症的发病机率，表明高 浙江大学博士学位论文 压线的电场对人体特别是儿童危害极大。有学者认为由于人体具有导电性，人处 于电场环境中时，电场向人体表面聚集，会使电场发生畸变，人体产生高电压， 从而在人体内产生平行于原电场的感应电流。直流输电线路电晕时产生正负电 荷，这些电荷对人体的影响不同。有研究表明，由电晕产生的正、负离子对人体 的影响较大，正负离子对人或生物的影响不同，主要影响他们的情绪”3 1 。 加拿大学者研究得出，处于电场强度为5 0 k v m 、离子流密度为1 2 0 n a m 2 的电 场环境时，试验者的感觉阈值是4 5 k v m ，而高离子流密度使大多数试验者的感 觉阂值下降。非离子辐射保护国际委员会( i c h 心) 研究认为离子流密度超过 1 0 0 m a m 2 时就会对人的神经系统和心脏产生影响f 。 ( 2 ) 细胞水平和生物体水平上关于电场的生物效应的研究 目前，还没有关于直流输电线路对人体细胞等微观研究资料，本文仅说明其 它领域研究电场对细胞等的作用。从理论研究成果可以看出，一定强度的电场确 实能影响细胞的功能1 5 - 1 7 。医学或其它领域关注的是电场或电晕的正效应，并且 高压直流电晕技术在医学上也开始研究。 目前关于高压静电场的生物效应研究比较活跃，主要集中在医学、食品和农 业等领域。美国从2 0 世纪6 0 年代开始成立专门的输电线路生态研究小组( 邦维 尔生态研究小组) ，对线路附近的生物体进行追踪观察和长期的研究，我们没有 获得相应的资料和研究结果。由于技术和经济等的制约，我们国家还没有对此进 行研究。总结其他领域对高压静电场生物效应的研究，以期能更好的认识其属性， 并能提高对输电线路电场污染的认识。 向生物体施加一定强度范围，一定时间的静电场时，能引起正的生物效应， 这个强度范围就是该生物正效应的阈值。一般来说，静电场作用的时间越长，阈 值越小。因为在适宜的外电场刺激下，细胞的氧化磷酸化水平提高，促进a t p 的合成，加快生理代谢过程。但高电场作用于生物体时产生过多的能量，则会对 生物体造成损伤。 人体对外部电场效应的阈值是多大，架空超高压直流输电线路静电场和离子 流电场作用于人体表面的电场强度以及在人体内产生的电场强度是否超过人体 的阈值，这些都还是未知的问题。 1 2 3 直流输电线路的电场表征参数 表征直流输电线路电场生物效应的参数主要有合成电场强度，空间电荷密度 浙江大学博士学位论文 和离子流密度。 直流输电线路的合成电场包含：( 1 ) 由输电导线所带电荷产生的静电场；( 2 ) 由电晕的空间电荷产生的电荷电场。合成电场是静电场和电荷电场的迭加，是个 矢量，既有大小又有方向，合成场强表征合成电场的大小。 空间电荷是指直流导线表面电位梯度超过电晕场强后，导线发生电晕，产生 电荷，这些电荷在电场力的作用下，向极间区运移，使正负导线之间，正负极导 线与大地之间充满了空间电荷。空间电荷密度是单位体积空间电荷的带电量，是 个标量，只有大小，没有方向。 离子流密度是地面单位面积所接收到的电流大小，是个矢量，在各向同性线 性导电介质中，和电场方向一致。 当导线表面的电场强度低于起晕场强时，导线不发生电晕，没有空间电荷产 生，导线周围的电场由导线所带电荷产生。超高压直流输电导线表面的电场强度 超过了起晕电场强度，都会发生电晕现象。 1 3 环境标准 对于直流输电线路的短期生物效应和长期生物效应，一些学者 1 2 - 1 5 1 都作了研 究报告，但由于报告没有连续性和重复性，所以对此很难做出定论。尽管如此， 很多国家还是制订了直流输电线路的电场环境标准限值。 俄罗斯规定输电线路下工作的职业人员的暴露和电场强度限值，见表1 3 f 1 4 】。 表l - 3 直流输电线路电场环境限值 电场特征限值 暴露 e = 1 5 k v m ，j = 2 0 n a m 2 e = 1 5 - - 2 0 k v m ，j = 2 5 n a m 2 e = 2 0 - 6 0 k v m e r a 6 0k v m t = 8 h t ：= 5 h t _ ( e m ) 2 饵+ 口x j ) 2 ；b ：o 2 5x k v j n a t = l h 根据表1 - 6 中所规定的电场和离子流标准限值，俄罗斯规定普通人群在线下 活动时问不超过8 h 时，电场强度限值为1 5 k v m ，离子流密度限值为2 0 n a m 2 。 美国规定直流输电线路地面最大场强小于1 5 k v m ，日本环境理事会规定为 9 k v m 1 8 1 。 我国目前规定5 0 0 k v 直流输电线路下方地面最大合成场强不超过 3 0 k v m ，离子流密度不超过1 0 0 n a m 2 1 1 9 1 。 浙江大学博士学位论文 1 4 电场表征参数的计算方法 高压直流输电线路电场环境是线路设计和环境评价中必须考虑的重要问题。 地面合成场强、空间电荷密度和离子流密度是表征线路电场环境问题的主要参 数。因此需要计算线下主要是人类和动物活动的地面这些参数的大小和分布。 直流输电线路的电场是个复杂的问题，杆塔附近和远离杆塔的导线附近的电 场分布不同。受杆塔的影响，靠近输电杆塔的电场发生畸变，其产生的电场是一 个三维问题，只能靠实测或数值分析【2 0 1 。而远离杆塔的导线附近，一般分析计 算时，为简化计算，认为输电线路无限长直，并与地面平行，取导线最大弧垂点 为导线对地高度，其产生的电场是平面问题。 对于远离杆塔的导线附近电场表征参数的计算，一般有三种计算方法。 1 4 1 解析法 运用上面描述的物理模型分析时，空间电荷分布是非线性，使得计算由于空 间电荷而改变的电场强度和产生的离子流也呈现非线性，因此很难求得计算电场 强度和离子流密度的精确解，一般都需要进行一些合理的假设。2 0 世纪6 0 年代 末s a r m a 等人2 1 抛1 首次提出直流输电线路电场分布和电晕损失的解析解，并采用 以下假设： ( 1 ) d e u t s c h 假设，即空间电荷只影响电场强度的大小而不影响其方向。这 样就将复杂的由导线和地面组成的平面二维问题简化为从计算点到导线电力线 方向，以电位为变量的一维问题，目前很多计算都采用这个假设。d e u t s c h 假设 经过很多实验验证了其合理性。y a l a 2 3 谰有限差分法计算了单极直流输电线路无 d e u t s c h 假设和应用d c u t s c h 假设时的电场参数，结果表明两者的数值非常接近， 但对于超过输电线路高度的空间，电场分布相差比较大。对于工程应用而言，主 要关心的是地面上的电场环境对人或物体的影响，因此d e u t s c h 假设可以满足计 算精度。 ( 2 ) k a p t z o v 假设，导线电晕后，导线表面电场强度保持不变，即导线表 面的电场强度保持在起晕场强水平。目前几乎所有的研究都遵循这一假设。 ( 3 ) 正、负极导线起晕电压相等： ( 4 ) 双极线路下的正、负离子迁移速率相等； ( 5 ) 离子迁移速率与电场强度无关，是一常数。 浙江大学博士学位论文 对于双极直流输电线路，s a r m a 等人计算了导线对地高度远大于极间距的情 况，而工程中导线对地高度和极间距相差不大，因此s a r m a 计算双极的方法已不 适用实际情况。 针对实际工程中双极线路的几何设计参数，傅宾兰【2 唧在s a r m a 的基础上提 出了改进的方法，即用镜像法求出地面标称电场强度的分布后，再把单极算法拓 展到双极，求得空间电荷对电场强度的影响幅值，这样就得到地面合成场强及其 分布。该法已经编写进我国直流输电线路设计导则【1 9 1 。 1 4 2 半经验公式法 半经验公式法是美国e p r i ( 电力科学研究院) 总结实测数据提出的计算导 线附近电场表征参数的方法。该法把直流输电线路下的电场分为两种情况：一种 是导线不发生电晕，电场强度仅由输电导线所带电荷决定；另一种是导线达到饱 和电晕状况，电场强度仅由空间电荷决定。在计算实际电场强度和离子流密度分 布时，首先计算出上述两种极限情况的电场分布和离子流密度分布，在此基础上 再计算出实际的电场强度和离子流密度的分布25 1 。 以双极输电线路，正负导线水平布置方式为例。计算过程中先算出无空间电 荷存在时，也就是输电导线不发生电晕时，仅由导线上电荷产生的地面电场e 的 横向分布： 一南 ( 1 1 )n ( z + 引 式中：矿为还行电压；h 为导线商厦；r c q 为导线等效半径；s 为极i 司距；x 为计 算点与导线在地面中心投影点间的距离。 再计算饱和电晕时，也就是输电线路电晕已发展得非常严重，可以忽略导线 所带电荷的影响时，地面电场强度和离子流密度的最大值及其横向分布。 = 1 3 1 ( i 一”) 告 ( 1 - 2 ) 一= - 2 1 5 x l o - l s 0 矿7 ) 导 ( 1 - 3 ) j + , 一= 1 6 5 x l o - 1 5 ( 1 矿7 ) 导 ( 1 4 ) 浙江大学博士学位论文 户+ 眦娟s 等筹崇 ( 1 - 5 ) p 一。娟s 等等素 m 6 ， 式中，晶。为饱和电晕时，地面最大合成场强； 。+ 为饱和电晕时，地面最大正 离子流密度；矗戳- 为饱和电晕时，地面最大负离子流密度；p 一+ 为饱和电晕时， 地面最大正离子密度；p 。为饱和电晕时，地面最大负离子密度。 导线达到饱和电晕时，地面电场强度和离子流密度的横向分布，可由美国 e p r i 研究报告中专门的图求得。在线路极导线外侧1 1 4 倍导线高度范围内的电 场强度、离子流密度，可按下列经验公式求得： e _ 1 4 6 ( 1 一“”p 鼬哪“毒 ( 1 - 7 ) 厂= - 2 o 1 0 ”( 1 一”“p 枷n 导 ( 1 - 8 ) 度。 j + = 1 5 4 x l o _ 1 5 _ e - s n 砂b ) 可v 2 ( 1 9 ) 然后再计算实际直流线路( 即未达到饱和电晕时) 地丽合成场强和离子流密 起晕电压： 圪：矿鱼 岛。 ( 1 - 1 0 ) 瓦甲：g o 为导线袁回半均电位梯厦；g m “为导线表回半均最大电位梯发。 导线电晕后，地面某点的合成场强历： e = 毛一 墨等( 一鲁) ) c 一t ， 式中：局为导线表面起晕场强，；为导线起晕电压。殷= ( 习，可根据日，如 和矿k 的比值，由美国e p r i 报告中专门的图求得。 地面某点的离子流密度良： 浙江大学博士学位论文 榭e l - , , 等i 一堋 式中知为导线表面的离子流密度；墨= 厂【号 ，可根据日和纠的比值， 由美国e p r i 报告专门的图求得。目前，e p p d 的经验图表仍未公开。 1 4 3 数值方法 有限元计算直流输电线路下的电场表征参数最早是由加拿大学者 j a n i s c h e m c k j 2 6 】提出的。有限元计算时首先将电场的无限场区简化为有限场区， 即划出一条假想边界，它的宽度至少应是导线高度的数倍，确保假想边界对求解 范围内的电场强度影响很小【2 6 2 7 】。计算时假定空间某点的电荷密度为一初始值， 再利用微分方程进行计算得到计算值，若计算值和初值有差别，则将计算值作为 初值再进行计算，直到前后两次的计算值相差很小为止。 解析法的物理意义明确，计算相对简单，但由于采用较多的假设，计算结果 与实测值有一定的差别。经验公式法计算结果可靠，但需要大量的工程实测资料 和现场模型试验来确定经验图表。数值方法可考虑较多的因素，计算结果能反映 不同因素的影响，但计算相对复杂。 计算直流输电线路电场参数的其它方法还有：有限差分法【2 8 1 和模拟电荷法 等【2 9 l 。 1 5 本文研究内容 随着我国经济的发展，电力需求急剧增加。而我国电力供求中心不平衡，因 此需要进行长距离大容量的电力输送。对于长距离、大容量电力输送，超高压直 流比超高压交流具有优势，已成为我国“西电东送”的重要组成部分，在我国有 广阔的应用前景。 直流输电线路产生的高压静电场已经成为新型的环境污染物，如何消除和减 轻其对环境的影响是我们关注的焦点。并且随着人们环保意识的提高，对输电线 路的环境问题十分关注。因此，本文首先对电场的横向分布和其衰减规律进行研 究。电场表征参数已成为线路设计和环境评价的一项重要内容。我国目前还没有 超高压直流输电线路电场环境标准，只是在高压直流架空送电线路技术导则 ( d l 4 3 6 9 1 ) 对线路设计中的电场强度和离子流密度作了限制。 浙江大学博士学位论文 直流输电一般采用双极形式，但由于直流换流站建设费用较高，多采用分期 建设。换流站分期建设期间，电力输送一般采用单极形式，本文对单双极直流输 电线路的电场横向分布特征进行分析研究。 鉴于超高压交流输电广泛采用，在工程建设中积累了较多的经验，本文对超 高压交流的工频电场分布进行分析，并和超高压直流的电场横向分布进行对比。 由于输电线路电场生物效应的研究较少，研究成果缺乏说服力，本文从电场 在食品、农业和医学领域中的应用着手，分析归纳电场的生物效应，为超高压直 流输电地面电场强度限值的确定提供依据。 基于以上研究背景，本文采用解析法计算超高压直流输电线路的电场横向分 布和衰减规律，分析电场生物效应。具体内容如下： ( 1 ) 直流输电线路的电场特征参数计算方法。根据s a r m a 提出的计算方法， 用镜像法计算标称场强和电位。对于空间中的点( j ，y ) ，对应唯一的标称场强 e ( 工，y ) 和电位o ( x ，y ) ，标称场强和电位之间是一一对应的映射，两者之间 的关系很难以显性函数表达。将标称场强表达为沿电力线方向以电位为变量的隐 性函数e ( ) ，使二维问题转化为一维问题。 ( 2 ) 分析电场强度、离子流密度和空间电荷密度的横向分布特征，研究单 极直流输电线路的次导线半径、次导线分裂间距、次导线布置形式和导线高度对 电场环境的影响，找出对电场环境影响显著的参数。 ( 3 ) 将单极直流输电线路的解析法拓展到双极，分析电场强度、离子流密 度和空间电荷的横向分布特征，研究双极输电线路的次导线半径、次导线分裂间 距、次导线布置形式、极间距和导线高度对电场环境的影响，找出对电场环境影 响显著的参数。 ( 4 ) 总结出环境上关心的地面最大合成场强和导线设计参数的经验公式， 为直流输电线路电场的环境评价提供依据。 ( 5 ) 交流和直流输电线路电场环境比较。对工程中经常采用的超高压交点 流输电线路的电场强度横向分布进行比较分析。 ( 6 ) 计算交、直流输电线路的电场强度的横向衰减规律，分析建筑物对工 频电场的屏蔽效应。 ( 7 ) 总结医学、农业、食品等专业关于电场、电荷和离子流应用方面的研 究成果，对有关直流输电线路电场生物效应进行分析研究，提高对电场生物效应 的认识。 浙江大学博士学位论文 第二章超高压单极直流输电线路电场横向分布及衰减规律 超高压直流输电线路运行时，由于导线表面的电场强度非常高，导线产生电 晕，电晕使导线周围空间充满电荷，这些空间电荷的存在影响电场的分布。超高 压直流输电线路的电场由导线所带电荷产生的静电场和空间电荷产生的空间电 荷电场共同作用形成的，因此首先对导线的电晕机理进行说明。 2 1 单极高压直流输电导线电晕产生机理 电晕是由于输电线路导线表面电场强度大于起晕场强时，导线周围的空气被 电离而产生的现象。正负极导线电晕的机理不同3 0 】。 导线周围很小范围内的电场强度非常高，这一很小的范围称为电离层。 在电离层内，电子与中性分子碰撞，如果电离层中的电子具有足够大的势能， 碰撞后使旋转在分子表面的电子脱离分子，产生电离，其反应式可以表达为： a + p 专+ 2 p 。正极导线一般是将空气中的氧气和氮气电离，其反应式为： d 2 + p d 2 + + 2 e ，2 + p 斗2 + + 2 e 。生成的新电子在电场力的作用下加速与分 子或原子碰撞，由于碰撞后电子数量增多，这样电子数量就像雪崩一样增加，电 离迅速发展。 如果电离层内的电子势能不足以使空气分子电离，那么电子与分子碰撞后， 电子的一部分势能将转移给分子，其反应式表达为：a + p 斗a + e 。获得一定 势能的分子发射出具有一定能量和波长的光予，这就是通常看到的电晕发光现象 3 1 l 。碰撞后的电子称为二次生成电子。 在电离层，电子通常还可以附着在氧气、二氧化碳和水分子上，使这些分子 带负电，成为负离子，0 2 + p 黟q ，c 0 2 + g 骘礁一，皿d + p 骘d 一。 在电离层外，由于电场强度减小，不足以使空气电离。正电荷受斥力作用进 入这一区间后，在电场力的作用下继续向大地运移，从而使导线与大地之间充满 正电荷。 正极导线电晕原理，见图2 1 【3 2 1 。 浙江大学博士学位论文 图2 - 1 正极导线电晕原理示意图( 摘自文献3 2 ) ( 图示距离没有按比例画出) 负极导线发生电晕时，导线周围同样存在电场强度非常高的电离层。 在电离层内，电子受电场力的作用向远离导线方向运移，运移过程中与中性 分子发生碰撞。如果电离层中的电子具有足够大的势能，碰撞后使旋转在分子表 面的电子脱离分子，产生电离，其反应式可以表达为：4 + p 专a + + 2 e 。负极导 线一般是将空气中的氧气和水蒸气等电离，其反应式为：0 2 + e - - - d ，+ + 2 e ， 且d + p 寸风d