更高一级电压等级输电的电磁环境研究.pdf

630 中国科协 2004 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会 2004 年学术年会论文集 中国 海南 我国更高一级电压等级输电的电磁环境研究 吴桂芳 陆家榆 邵方殷 中国电力科学研究院 北京 100085 RESEARCH ON ELECTROMAGNETIC ENVIRONMENT FROM THE NEXT VOLTAGE LEVEL OF TRANSMISSION SYSTEM IN CHINA WU Gui fang LU Jia yu SHAO Fang yin Electric Power Research Institute Beijing100085 China ABSTRACT It is a significant problem for West to East Electric Power Transmitting strategy to use the next voltage level of transmission system due to economy The oversea and domestic achievements in scientific research on the questions about electromagnetic environment from AC ultra high voltage UHV and 600kV and above DC transmission system such as radio interference audible noise electric fields and biological effect on objects were analyzed and discussed in this report The suggestions on limit of the next voltage level transmission system s electromagnetic environment have been made which conform to the situation in our country And some methods of improving their electromagnetic environment have been given The questions on their electromagnetic environment that need to further study and solve have been suggested in the end KEY WORDS Electromagnetic environment Transmission DC UHV 摘要 采用更高电压等级以提高输电的经济性 是西电东送 面临的重要课题 输电工程的电磁环境与民众健康和工程造 价密切相关 是提高输电电压时必须考虑的重大技术问题 文章对国内外交流特高压和直流 600kV 及以上电压等级 输电所涉及的无线电干扰 可听噪声 工频电场 工频磁场 直流合成场强和离子流的研究进行了分析 提出了电磁环境 有关量的限值建议 给出了改善电磁环境的方法措施 提出 了需进一步研究和解决的问题 关键词 电磁环境 输电 直流 特高压 1 引言 在未来 20 年 我国将继续开发西南水电和西 北火电 逐步实施西电东送 南北互供和全国联网 采用更高电压等级输电 提高输电的经济性是我国 电力行业面临的重要课题 随着全球经济的不断发 展和民众环境意识的增强 输电工程的电磁环境影 响越来越受到人们的关注 受到环保的严厉制约 电磁环境成为决定输电线路结构 影响建设费用等 的重要因素 为妥善解决好特高压输电线路的电磁 环境问题 美国 前苏联 意大利 日本和巴西等 国在采用新的电压等级之前 均先建立相应的试验 基地 进行大量的试验研究 以期获得公众所能接 受而经济上又是合理的输电线路设计 输电工程的电磁环境主要包括电场效应 无线 电干扰和可听噪声等几方面内容 它们是输电工程 设计 建设和运行中必需考虑的重大技术问题 2 交流特高压和直流 600kV 及其以上电 压等级输电电磁环境的发展概况 为了满足长距离大容量输电和联网的需要 六 十年代中期 国际上开始了交流特高压 1000kV 及以上 输电技术的研究 并已经取得了很大进展 迄今为止 美国 前苏联 日本 意大利 巴西 加拿大 印度等国都进行了交流特高压输电的研 究 一些国家的交流特高压输电技术已经过试验室 阶段而进入了工业性试验阶段 美国是研究特高压输电最早的国家 在特高压 输电技术的前期研究中 建成了特高压输电的试验 室和试验场 对可听噪声 无线电和电视干扰 工 频电场效应等问题做了较为系统的研究 已取得了 大量成果 前苏联已建成了 1936km 的 1150kV 输 电线路 在实施研究的过程中对线路的环境影响进 行了深入的研究 日本对环境十分重视 在 1000kV 输电线路建设前 成立了特高压输电研究促进委员 会 委员会下设了几个专委会 其中就有环境分会 意大利电力公司在 1976 年完成了 1000kV 试验线 路 对可听噪声 无线电和电视干扰 工频电场效 应等环境影响问题也都做了研究 1963 1968 年及 1971 1975 年 美国邦纳维 中国 海南 中国科协 2004 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会 2004 年学术年会论文集 631 尔电力局 BPA 和美国电力科学研究院 EPRI 先后 对 600kV直流输电线路的电磁环境进行过详细的 试验研究 通过已建成线路的运行经验 说明 600kV 直流输电线路的有关技术问题已基本过关 对 600kV 1200kV 直流输电线路的电磁环境 美国 EPRI 曾委托魁北克水电研究院 IREQ 进行了 研究 结果表明 设计特高压直流线路在技术上是 可行的 目前世界上实际运行的直流工程的最高电 压等级是 600kV 即巴西的伊泰普直流工程 国 际大电网委员会 CIGRE 与美国电气工程师学会 IEEE 做了关于 800kV 1000kV 和 1200kV 等较高电压等级高压直流输电全面研究 认为采用 这一电压等级的直流输电是可行的 但是还需要进 行进一步的研发工作 总地来说 美国 前苏联 意大利等国在交流 特高压和 600kV及其以上电压等级直流输电方面 的基础研究已取得许多成果 目前各国都在深入研 究其环境影响问题 3 交流特高压和直流 600kV 及其以上电 压等级输电电磁环境的研究进展 3 1 交流特高压输电线路 3 1 1 可听噪声 从建设 设计和运行经验来看 750kV 及其以 下线路的无线电干扰是线路设计的控制条件 线路 设计满足无线电干扰限值要求后 可听噪声自然满 足 对特高压线路来讲 可听噪声将很有可能是线 路设计的控制条件 可听噪声的研究成果相当可观 根据试验结果 总结出了解析计算经验公式 并给出了降低可听噪 声的解决方案 包括采取非对称多分裂导体或在导 线下部装设附加子导线 对子导体的绝缘表皮进行 老化处理和采用不影响导体散热的憎水涂料等 各国的研究结果都表明 只要合理设计 交流 特高压输电线路的可听噪声可以达到与超高压输 电线路的可听噪声相当的水平 至于交流特高压线路可听噪声的限值标准 到 目前为止各国并未正式制订 IEC 和一些开展这方 面研究较早的国家如美国 日本 意大利和前苏联 等都提出了自己的限制值 其中美国根据公众对送 电线路可听噪声的反映提出了一般准则 Perry 准 则 认为离线路中心线 30m 处 52 5 dB A 以下 基本无投诉 52 5 59 dB A 范围内有少量投诉 59 dB A 以上有大量投诉 3 1 2 无线电干扰 无线电干扰研究也有了很大进展 CISPR 国 际无线电干扰特别委员会 推荐了特高压输电工程 的无线电干扰的激发函数 给出了计算特高压输电 线路的无线电干扰水平的经验计算公式 并根据无 线电台的性质和种类给出了相应距离保护方案和 限制无线电干扰的措施等 在综合考虑特高压输电 线路建设中的各种因素和投资费用下 适当增加分 裂数 增加相间距 减少导线截面可减少无线电干 扰的影响 在某些场合还可适当调整无线电干扰限 值 美国 日本 加拿大 意大利和前苏联等国的 研究结果都表明 交流特高压输电线路的无线电干 扰限制指标或预期的干扰水平可以达到与超高压 线路的干扰指标相当 在无线电干扰的限值方面 美国提出在设计 1500kV 线路时将线路走廊的无线电干扰水平限制 在 58dB 1MHz 前苏联在设计 1200kV 线路时 采用 CISPR 推荐的限值 距边相 20m 处的晴天干 扰水平为 58dB 0 5MHz 3 1 3 电场效应 电场的生态效应分为短时影响和长期影响 短 时影响主要研究了人体对电击和电场的直接感受 电流对人体的影响 长期影响的研究是通过调查和 试验室研究进行的 工频电磁场是否对生物系统 特别是对人类的健康是否产生有害影响 始终是一 个悬而未决的问题 因此对生态效应的研究还有待 继续研究 输电线路下空间场强的大小 除与所加电压有 关外 还与导线的布置形式 几何位置极其尺寸等 因素有关 因此 可以通过 1 调整导线离地高 度 相间距离 分裂导线结构尺寸 相导线的布置 方式等来降低线路下的电场强度 研究表明 在这 几种方式中 要减小线下空间场强 以适当增加导 线对地高度最为有效 靠减小相间距离来减小场 强 将受到绝缘配合的限制 效果也不如适当增加 导线对地高度显著 减小分裂导线数目虽能减小线 下场强 但可听噪声 无线电干扰水平有所增加 在设计新线路选择导线布置时 采用倒三角形布置 可减小线下场强和节省线路走廊占地 欧美一些国家对 400 700 kV 输电线路线下最 大地面场强大多数取值为 10 12 kV m 没有发现 632 中国科协 2004 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会 2004 年学术年会论文集 中国 海南 这样电压等级线路对人体健康有危害的报告 美国 新泽西州对线路走廊边缘的最大允许场强规定为 3 kV m BPA 对线路走廊宽度的标准要求为 5 kV m 迄今 BPA 的研究证明选取该值还没有出现不利的 结果 3 2 特高压变电站 国际上采用的特高压变电站有 3 种型式 传统 的户外型 敞开式 如前苏联采用 变电站 混合 型 如美国采用 变电站和气体绝缘型 GIS 如日 本 意大利采用 变电站 前苏联已经建成并投入运行的特高压变电站 全部采用户外结构 埃基巴斯图兹变电站是联结西 伯利亚乌拉尔和中亚电力系统 1150kV 输电线路的 枢纽 站内在断路器的部位和主要的巡视路径设有 金属屏蔽网 或屏蔽线 保证廊道下地面场强小 于 5kV m 场内大部分地区场强在 15 20 kV m 之 间 出线分压器的部位地面场强高达 35 kV m 两 人皮肤相互靠拢有轻微的放电感觉 巡视和其他工 作人员在超过 15 kV m 的场强区域内作业 应穿特 制的屏蔽服 在变电站内无线电干扰水平超过了规 定水平 对母线 尤其是他们的交汇处 和装置的 屏蔽改进等设计工作仍在继续 日本的 1000kV 特高压变电站是采用 SF6 全组 合电器的变电站 进线和出线均由套管引进和引 出 对环境的影响较小 另外 还为减少噪声污染 为主变压器专门设置了隔音箱 按我国用电特点 如采用 GIS 变电站 将大大减少占地面积 约为户 外型的 1 4 和对环境的影响 3 3 600kV 及其以上电压等级直流输电线路 在条件基本相同的情况下 直流输电线路对环 境的各种影响一般要比交流的影响要小 这是直流 输电的优点之一 对 600kV及其以上电压等级直流输电线路电 磁环境的研究 美国 EPRI 做了大量研究工作 对 直流电场和离子流 可听噪声以及无线电干扰的产 生机理 试验方法和过程做了详细的报道 并总结 了准确实用的计算方法 为 600kV 及其以上电压 等级直流输电线路的设计提供宝贵的经验 3 3 1 电场效应 高压直流输电线路线下的电场效应与交流相 比有很大的不同 体现在 合成电场普遍高于同一 电压等级的交流线路线下的电场 在正常运行的直 流输电线路下 没有通过电容耦合的感应现象 关于直流电场和离子流在实验室的研究结果 与高压直流线路电磁环境关系方面 已发表有大量 文献 许多试验研究既报道了对植物和动物存在有 益影响 也报道存在有害影响 然而对离子流产生 的生物作用 在科学上的争论至今仍在继续 美国 Delles 试验中心曾做过试验 穿普通鞋的 人在高压直流母线下 当电场为 30kV m 时 毛发 有刺激感 头皮有轻微刺痛感 这主要是由于人处 在电场中将使原有电场发生畸变 使部局电场加强 所致 基于以上试验情况 曾规定直流输电线路下 可能有人员活动的地方 合成场强限制为 30kV m 按照美国能源部超 特高压输电线电气与机械设计 规范规定 直流线路无电晕时的电场强度取线下为 15kV m 日本环境部会取值为 9 kV m 3 3 2 可听噪声 随着电压等级的升高 输电线路的可听噪声已 成为设计交 直流特高压线路必须考虑旳重要因 素 交流输电线路可听噪声 在晴天时小 一般是 在小雨 雾和下雪时可听噪声大 是线路设计考虑 的主要条件 而直流输电线路下雨时 可听噪声较 晴天反而有所减小 下雪天的噪声与晴天差别不 大 因此晴天的可听噪声是设计直流线路时首先要 考虑的 美国能源部 DOE 建议将直流输电线路 可听噪声限制在 40 45 dB A 范围内 50 以上 的好天气不超过该值 这是根据美国 BPA 早期的 有关调查研究结论得来 即 40dB A 是一个界限 超过这个界限由直流输电线路产生的噪声则不可 接受 日本将直流线路晴阴天气 50 的可听噪声目 标值定为 40dB A 3 3 3 无线电干扰 主观评价结果认为 对直流输电线路允许的无 线电干扰的信噪比为 20 21dB 即广播信号必须 比直流电晕干扰高出 20 21dB 才能较为满意的 收听 而对交流输电线路较为满意的收听的信噪比 为 24dB 由此可见直流输电线路因电晕对无线电 广播的干扰要比交流线路小 美国规范规定走廊边 缘上 80 全天候的无线电干扰为 53 58dB 日本 将目标值定在 50dB 为晴阴天 50 的值 3 4 600kV 及其以上电压等级换流站 世界上 500kV 直流输电系统运行经验超过 50 年 600kV 直流输电系统运行经验也已超过 15 年 这些直流输电系统已经具有相当实用的运行 中国 海南 中国科协 2004 年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会 2004 年学术年会论文集 633 经验 从我国近几年的天 广 三 常 三 广和 贵 广 500kV直流输电工程换流站的电磁环境测 试来看 存在两个突出问题 1 换流站的可听 噪声太大 2 换流站接地极的地电位对交流系 统的影响比较严重 换流站内的主要噪声源有换流变压器 平波电 抗器 交流滤波器 换流阀和冷却系统设备 后两 种设备置于室内 其噪声基本被房屋屏蔽 前三种 设备安装在室外 其噪声对外界造成严重影响 龙 泉 政平和荆州换流站周围的民众对换流站噪声抱 怨比较强烈 应引起重视 关于换流站的噪声 以 下几方面的问题值得注意 1 换流站围墙外 20m 的噪声设计指标与国家规定的城市区域环境标准 相矛盾 2 站内的一些室外设备如平波电抗器 和交流滤波器等发出的噪声 在额定功率下超过了 招投标书的要求 未采取必要的噪声抑制措施 对 600kV 及以上电压等级的换流站 其设备的可听 噪声影响可能更大 当直流输电采用单极大地返回方式运行时 入 地电流使接地极周围地电位升高 导致附近不同位 置交流变电站之间出现直流地电位差 对于中性点 接地且有关联的交流变电站 接地极入地电流引起 的地电位变化会在交流侧绕组电流中产生直流分 量 两者共同作用使换流变压器产生直流偏磁现 象 变压器的损耗 温升以及 50Hz 的噪声 正常 时基波噪声频率为 100Hz 都有明显增加 直流偏 磁现象影响变压器正常工作 严重时还会损坏变压 器 广东省大地电阻率普遍较高 按电力规划 珠 江三角洲地区换流站也较多 上述问题将会比较严 重 广东境内已有 3 座 500kV 的换流站 目前靠 尽量控制运行方式回避上述问题 比较被动 应尽 早着手研究和解决直流接地极地电位升对交流系 统的影响 4 需要进一步研究的问题和建议 4 1 关于标准 对于交流特高压输电线路 建议将距边相导线 15m 处的可听噪声水平限制在 52dB A 以内 距 边相导线 20m 处的无线电干扰水平可限制在 55 60dB 按下述方法确定特高压输电线路下工频场强 限制值 1 对于公众活动区域 场强应限制在 5 kV m 2 线路跨越公路处 公众容易接近的一 般地区 场强限制在 7kV m 跨越农田 场强限制 在 10kV m 3 对于人烟稀少的偏远地区 线路 跨越公路处 场强限值可增至 10kV m 非大众活 动区域或偶尔有人经过的区域 场强限值还可放宽 至 12 15kV m 对于 600kV 及以上电压等级直流输电线路 建议将合成场强限制在 30kV m 离子流密度限制 在 100nA m2 与有些国家相比 我国人口密度大 输电线路临近民房问题比较突出 临近民房的地面 标称场强限制值的大小直接关系到民众的身体健 康 同时也影响输电线路建设投资 对放宽临近民 房所在地面标称场强限制值的建议可以予以考虑 但需经过科学论证后确定 建议将距正极性导线 15m 处的 50 全天候的 可听噪声水平限制在 45 50dB A 无线电干扰 水平限制值可参照我国 高压交流架空送电线路无 线电干扰限值 中对交流 500kV 输电线路的无线电 干扰限制要求执行 4 2 建议开展以下研究 1 电磁环境试验研究 我国与其它国家相 比 有比较突出的环境问题 我国地域复杂 大气 条件变化很大 特别是高海拔地区约占全国总面积 的 2 3 而这些地区又是我国水电资源和大型燃料 动力综合基地 电晕放电是高海拔输电的突出问题 之一 因此 需要从理论和试验方面来开展高海拔 对特高压输电电磁环境影响问题的研究 2 电磁环境计算研究 对已有计算方法进 行收集 归纳和整理 并与试验结果比较以验证其 正确性 进一步研究超 特高压输电线路可听噪声 无线电干扰 线下工频电场和工频磁场的计算 研 究直流输电线路的合成电场和离子流的计算方法 和测试技术 3 电磁环境限值标准研究 提出 确定和 完善适合我国国情的超 特高压输电的电磁环境限 值标准 4 几个特殊问题研究 对已提出的降低交 流特高压输电线路可听噪声的措施进行分析 比较 其实用性 进一步研究有效且经济的方法 研究电 场效应的长期生态影响 研究直流接地极的形状和 结构 改善其接地性能 研究直流接地极地电位对 交流系统的影响以及抑制交流系统内直流电流的 方法和措施 研究换流站噪声抑制方法和措施 研 究超 特高压输电系统对弱电系统和长距离输