对特高压直流输电线路无线电干扰预测公式的评估和分析2.doc

对特高压直流输电线路无线电干扰预测公式的评估和分析张伟1,2，刘元庆2，李琳11.新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京 102206；2.中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100192摘 要：在特高压直流输电工程中，线路附近的无线电干扰水平是一个基本的电磁环境考核指标，因此对线路的无线电干扰水平的进行预测显得十分重要。为了从各国的研究机构提出的多种经验公式中选出最适合用来预测我国特高压直流输电线路无线电干扰的公式，根据我国特高压直流工程的要求，将不同导线高度时各经验公式的计算结果与实际输电线路下的测量结果进行了对比分析。结果表明，距离正极性导线正下方20m以外适合使用BPA公式，而20m以内适合使用CISPR公式进行无线电干扰的预测。因此我国的特高压直流线路无线电干扰计算公式可综合选用这两种公式。关键词：无线电干扰 预测公式 双极直流输电线路 特高压 影响因素Abstract: On UHV DC transmission, the radio noise near the lines is a basic index of electromagnetic environment, so the prediction of radio noise near the DC UHV lines is very important. In order to get the optimum radio noise predicting fomulas from the ones previded by different departments, and to meet Chinas requirements voltage level and bundle conductor,the calculation and measurement is compared when the conductor is in different height. The result shows that: The BPA fomula is suitable for the distance where is farther than 20 meters to the positive line ,and the CISPR fomula is fit when the distance is less than 20 meters. Therefore, the BPA fomula and the CISPR fomula should be chosen in case of the distance for the calculation of the radio noise near the DC UHV lines in our country.Key words: radio noise; prediction formula; biolar dc transmission lines; UHV; impact factors0 引言随着我国经济社会的快速发展，电力需求不断增加。特高压电网这个“电力高速公路”是实现“西电东送、南北互供、全国联网”这一国家战略目标的必然选择。特高压直流输电具有输电距离长、容量大、线路损耗低、节约线路走廊等特点，是实现资源优化配置的重要途径，其带来的各种电磁环境问题也备受关注1-4。无线电干扰是输电线路的电晕效应之一，影响线路附近居民对调幅广播频段的接受质量。所以输电线路的无线电干扰是高压线路导线选择的关键5。目前美国、加拿大、瑞典、德国等国相关机构研究得到了各自的无线电干扰预基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(973项目)(2011CB209402)。The National Basic Research Program of China (973 Program) (2011CB209402).测公式，我国也推荐了无线电干扰计算方法，但只适用于500kV及以下的输电线路6。本文介绍了无线电干扰的计量和测量方法，分析了影响高压直流线路无线电干扰的因素，比较了国外用于预测高压直流线路无线电干扰的经验公式，给出了无线电干扰预测的普遍公式形式，并与实测结果对比，选出了最适合我国的特高压直流线路无线电干扰的预测公式，对今后总结我国的无线电干扰预测公式，以及合理解决特高压直流建设中成本控制与环境保护之间的平衡有一定的意义。1 无线电干扰的计量和测量无线电干扰是指在无线电频带范围内任何不希望出现的干扰。理论上，输电线路的无线电噪声对任何无线电频率通信都会产生干扰。输电线路低频段的无线电干扰场强较高，且随着频率的增大衰减很快。当频率大于10MHz，无线电干扰场强已经很小，可忽略不计。我国推荐用于评价无线电干扰的频率为0.5MHz，带宽为9kHz，也可用1MHz。在峰值检波器，平均值检波器和准峰值检波器中，选用准峰值检波器。准峰值检波器是在峰值检波器的基础上，引入了“泄漏峰值”，根据无线电干扰的脉冲重复率进行加权，得到某一频率下的无线电干扰值7。在测量无线电干扰时，使用的仪器必须符合要求8，使用准峰值检波器和杆状天线或具有电屏蔽的环形天线，必须特别注意测量仪表的校准，测量地点的选取以及背景干扰的测量等。2 无线电干扰的影响因素输电线路的无线电干扰是由导线电晕放电引起的，影响导线电晕放电的最主要因素是导线表面场强，同时气候对电晕放电的影响非常复杂。下面将从这两个方面讨论影响直流输电线路无线电干扰强弱的因素7。（1）线路结构因素 线路结构决定了导线的表面场强，因此对无线电干扰的影响非常明显。本文选基准条件为电压800kV，导线型号为6ACSR-720/50，分裂半径为0.45m，子导线半径为0.0181m，对地高度20m，极间距20m，参考点为正极导线正下方外20m处。选用CISPR公式分析线路结构对无线电干扰的影响。1）导线分裂数：增加导线分裂数，无线电干扰减小，如图1。原因是：在其他条件相同的情况下，导线分裂数增加，导线总表面积增加，导线上电荷面密度减小，而导线表面场强与电荷面密度成正比，表面场强减小，电晕放电强度减弱，使得无线电干扰减小。图1 导线分裂数对无线电干扰的影响图2 子导线半径对无线电干扰的影响2）子导线半径：导线半径增大，无线电干扰减小，如图2。3）导线分裂间距：随着导线分裂间距变化，无线电干扰呈现U形变化，最小值出现在34cm，如图3所示。从电磁环境控制角度考虑，应保证导线表面场强较小，同时兼顾导线的力学特性，导线分裂间距通常取3050cm。图3 导线间距对无线电干扰的影响4）极导线高度：极导线高度增加，无线电干扰减小如图4。图4 导线高度对无线电干扰的影响图5 导线极间距对无线电干扰的影响5）极间距：极间距增加，无线电干扰减小，如图5所示。这是因为极间距增加，正负极导线电晕放电程度减弱，使得无线电干扰减小。（2）环境因素导线周围的环境影响电晕放电的程度，因此也会影响直流输电线路的无线电干扰大小。海拔高度增加，温度升高，无线电干扰增大；空气湿度增大，无线电干扰减小。另外，导线表面的灰尘、昆虫和植物微粒等，都会导致无线电干扰的增加。3 无线电干扰的计算公式架空输电线路的无线电干扰计算方法主要分为两大类：激发函数法、经验公式法9-12。两种方法都是通过大量实验数据总结归纳得到的。激发函数法使用范围广，但是计算复杂。经验公式法计算非常方便，这里主要介绍双极直流输电线路无线电干扰的经验公式法。经验公式法是20世纪60年代发展起来的。它的主要思路是在户外试验线段选择一种导线结构，在一定距离测量晴天50%的无线电干扰水平作为基准，分别改变各种相关参数，得出与基准水平的增减量，从而总结出与该参数的对应关系。经验公式中通常涉及的参数有：E为无线电干扰电平，单位dB(V/m)；gmax为导线表面的最大场强，单位kV/cm；d为子导线的直径，单位cm；n为导线分裂数（n2）；D为到正极性导线的距离，单位m；f为计算频率，单位MHz。不同机构提出的预测双极直流线路无线电干扰的具体公式如下：（1）CISPR公式式中，r为导线半径（cm）；Ew为气象修正项，在夏季和冬季分别为3dB和-3dB，春秋季为0；在Ef为频率修正项。式中，f为测量频率（MHz），适用于0.1530 MHz的频段；D100m。我国推荐使用该公式计算双极直流线路无线电干扰场强13。（2）美国EPRI公式式中，f0 基准频率，1MHz；D0距正极性导线的基准距离15m；H海拔高度，km；W指向正极性的风速，m/s；土壤电阻率修正；S季节修正，春秋季节为零，夏季和冬季时分别增加和减小3dB（V/m）。该公式由美国高压直流输电研究中心分析文献1415和文献16的数据归纳得到，计算的是晴天时的无线电干扰值，全面考虑了导线结构和周围环境的影响，适用于两分裂及以上的导线。美国EPRI推荐采用此公式来计算双极直流输电线路晴天时的无线电干扰。（3）BPA公式美国BPA先后提出了三个不同的公式。1）公式一式中，g0为基准场强（kV/cm），在此试验中为25.6kV/cm；d0为参考导线直径（cm），此实验中为4.62。 该公式17的数据来源于美国达拉斯直流试验线段，是BPA提出的第一个计算双极直流线路无线电干扰的公式。除了在计算基准场强是涉及外，没有单独考虑导线分裂数的影响。2）公式二 式中，距离正极性导线的水平距离为30.5m和15m时E0分别取40dB和51dB。该公式16是从1360km长的400kV Celilo-Sylmar的高压直流输电线路测得的数据归纳出来。其计算的是距正极导线水平距离30.5m或15m处，频率为834kHz的准峰值无线电干扰场强，测量带宽为5kHz。公式没有体现无线电干扰的横向特性。计算时，取距正极性导线水平距离15m，并引入CISPR推荐的横向特性后公式如下：3）公式三式中，h为导线高度（m）。该公式18得到的是频率为834kHz的准峰值无线电干扰电平，是在美国EPRI The Dalles Project提出的公式基础上，考虑了导线高度，但仍然没有单独计及导线分裂数和子导线直径的影响。（4）Sweden公式式中，r为子导线半径（cm）；D0为到正极性的基准距离30m；g0为基准场强（kV/cm），在该试验中为22kV/cm。该公式19计算的是距正极性导线30m，频率为1MHz的年平均无线电干扰电平，夏季和冬季时分别增加和减小2.5dB。（5）Germany公式式中，E0=68.5，g0=26.4，D0=10.5，f0=0.5。该公式20计算的是好天气下的平均值。式中的k与导线表面最大场强gmax相关，gmax23时，k=2.65；gmax23时，k=2.0。适用于D50m的的情况。（6）美国EPRI -The Dalles Project公式式中，g0为临界场强（kV/cm），在此试验中假定为14kV/cm；r为子导线的半径（cm）。该公式5建立在美国EPRI高压直流达拉斯计划的数据基础上，由爱迪生电工研究所提出。公式计算的是在400600 kV下测得的距正极导线30.5m处，频率为834kHz的晴天的年平均无线电干扰水平。该公式除了计算g0时涉及以外，没有单独考虑导线分裂数和分裂间距的影响。上述各机构给出的经验公式中，BPA的公式二的数据从运行的1360km长线路收集，并结合部分试验线段数据，其它则是在长度远短于实际线路的试验线段上获取。分析各经验公式的形式可以总结出某一频率如0.5MHz的无线电干扰的公式形式为：式中，A、B、C、X、Y和Z均为常数。因此可以通过测量不同参数下的无线电干扰，用待定系数法求出系数得到适合我国的经验公式。对于结构一定的导线，只需得出系数A、B和Z，即可用于预测该种导线结构的无线电干扰。导线表面最大场强是影响无线电干扰的关键因素，我国特高压直流导线的最大表面场强较大，另外考虑到BPA公式中第二个更全面，因此本文选取具有代表性的美国EPRI、BPA公式二（以下简称BPA公式）、Sweden、Germany和CISPR推荐的经验公式，与向家坝-上海800kV特高压直流中复奉线路的测量的0.5MHz无线电干扰50%值进行对比，从上述公式中选出最适合用于预测我国特高压直流线路的无线电干扰的公式。4 模型仿真与结果分析 本文分别对导线高度为25m、27m线下无线电干扰的计算值和测量值进行对比。导线分裂数为6，子导线截面积为720mm2，极间距20m。仿真时，采用镜像法计算子导线的最大表面场强。考虑到ANSI与CISPR推荐的测量带宽的差异，采用文献7中的方法进行频率修正：测量频率为1MHz，带宽为5kHz的无线电干扰值加上3.1dB即转化到其相应的频率为0.5MHz，带宽为9kHz的值。将导线结构、极间距等相关参数代入经验公式即可得到不同公式的计算值。测量时，使用环形天线，型号为HFH2-z2，其测量范围在150kHz到30MHz，接收机为FSH3，接收频率上限为3GHz。测量频率为0.5MHz，带宽为9kHz。测量时以正极导线正下方为0m，沿正极导线外侧为正，间隔10m测量一个点用D表示，测量范围为-70m70m。图6和图7表示向家坝-上海800kV特高压直流中复奉线路#3472-#3473档距之间导线高度为25m时不同经验公式的计算值和测量值的差别。图6 导线高度为25m各公式的计算值Fig. 6 Calculation values of formulas with the lines height of 25 meters图7 导线高度为25m时计算值与测量值的差值Fig. 7 Difference between calculation and measurement with the lines height of 25 meters由图6和图7可以看出，导线高度为25m时，测量值大多在BPA公式计算值附近或小于其计算值，除了-10m、0m、10m三个点测量值比计算值小59dB，-20m、20m处小35dB，其它点差别在2dB以内。在-10m、0m、10m处，CISPR公式的计算结果与测量结果非常吻合。这几个点是线路下方无线电干扰场强最大的地方，在实际工程中有重要的指导意义。其它经验公式计算值总体比测量值小5dB以上，在这种情况下不适合用于我国对无线电干扰的预测。图8和图9表示向家坝-上海800kV特高压直流中复奉线路#1878-#1879档距之间导线高度为27m时不同经验公式的计算值和测量值的差别。图8 导线高度为27m各公式的计算值Fig. 8 Calculation values of formulas with the lines height of 27 meters图9 导线高度为27m时计算值与测量值的差值Fig. 9 Difference between calculation and measurement with the lines height of 27 meters从图8和图9可以看出，导线高度为27m时线路无线电干扰的变化趋势与高度为25m时相似，测量值都在BPA公式计算值附近或小于其计算值。除了-10m、0m、10m这三个点的测量值比计算值小58dB，其他点相差2dB以内。同样，在-10m、0m、10m处，CISPR公式和Germany公式与测量结果接近。而其他经验公式的计算值则相差较大，这种情况下，BPA公式能够很好的反映线下特别是距离正极导线正下方20m70m的无线电干扰水平。综上所述，在距离正极性导线20m及更远时，适合采用BPA公式预测线路的无线电干扰；在20m以内时，选用CISPR或Germany公式较合适。5 结语本文列出了六个不同机构总结的九种计算双极直流输电线下无线电干扰的经验公式，给出了经验公式的普遍形式，然后根据我国特高压直流的电压等级和导线结构，选出了五种能够用于我国特高压直流输电线下无线电干扰的预测公式。本文在不同导线高度下，将这五种经验公式进行计算，并与测量结果对比，发现在不同高度下， BPA公式能很好地反映距正极性导线20m以外线路的无线电干扰水平，而CISPR公式能反映20m以内的无线电干扰。因此，对我国即将兴建的特高压直流输电线路，建议结合采用BPA公式和CISPR公式进行无线电干扰的预测。实际上，国外的经验公式都是在特定的环境条件下得出的，并不完全适合于我国的情况，所以我国亟需总结出最合适我国国情的无线电干扰计算公式，在特高压输电线路的建设中，更好地预测线路的无线电干扰水平，从而选择合适的参数，达到既满足环保要求，同时又节约成本的目的。参 考 文 献1 刘振亚. 特高压直流输电工程电磁环境M.北京:中国电力出版社, 2009.2 张文亮, 吴维宁, 胡 毅. 特高压输电技术的研究与我国电网的发展J. 高电压技术, 2003, 29(9): 16-18.ZHANG Wenliang, WU Weining, HU Yi. 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