高压输电的环境保护.doc

毕 业 论 文高压输电的环境保护作者：xxx 指导教师：xxx（xxxx级电气工程及其自动化）摘 要：高压输电的环境问题随着高压输电电压等级的提高而越来越凸显，主要体现在电场作用下的生态效应及电晕现象造成的环境危害这两个方面。本文通过分析输电线路导线表面及对地面的电场，得出影响导线表面电场强度及对地面电场强度的一些因素。可以通过采取分裂导线的运行方式来提高电晕放电的起始场强；通过最大弧垂值控制技术来降低对地面的电场场强；本文还就电晕放电引起的一些环境问题的防治作了介绍。关键词：高压输电 工频电场强度 最大弧垂值 电晕 Environmental Protection of High-Voltage TransmissionAuthor: Wang Zengfu supervisor: Wang Yunshan (Major in Electrical Engineering and AutomationGrade 2007)Abstract：With the improvement of the high-voltage transmission level, corresponding environmental problems become more and more obvious. They are mainly reflected by the ecological affects brought by electric field and negative result to environment from electric corona. This paper analyzes electric field existing on the surface of wires and between wires to the ground, finds factors that influence electric intensity of these fields. Measures of splitting wires can be taken to improve the starting intensity of electric corona discharge, and the electric intensity of the field between wires to the ground can be controlled by applying of technology of maximum value of the vertical arc. Preventing measures for environmental problems resulted by electric corona discharge are still introduced.Key words: high-voltage transmission electric intensity of power frequency maximum value of the vertical arc electric corona 0 引言随着对电力需求的迅速增长，输电电压等级不断提高，在上世纪五六十年代开始出现的高压、超高压和特高压，如今在已进入了运行生产阶段。由于输电电压等级的提高，出现了一系列生态和环境问题：实验研究和概率统计分析表明，架空输电线路下的地面工频电场强度超过允许值，将对生态造成短期效应，即暂态电击或稳态电击；另一方面，由于输电线路导线表面电场强度过高，达到电晕放电的起始场强时，会造成包围导线表面的一层空气击穿放电，继而引起：1对无线电设备及电视的干扰；2产生令人厌烦的可听噪声；3被击穿的空气中产生臭氧和氮的氧化物等长期生态效应1。1 导线表面及对地电磁场强度对高压输电线路弧垂最大值处导线表面和导线对地面的电场强度及导线对地的磁感应强度计算，分析影响电场强度及电磁感应强度的因素。1.1 导线表面及电晕的起始电场1.1.1.单导线表面电场强度对于三相线路通常相间距D/r100，当忽略相距较远的其它两相导线上的电荷影响时，导线的表面电场强度仅由其本身电荷决定 （11）由及式（11）可知导线表面电场强度大小与线路运行电压等级成正比例关系。1.1.2.分列导线表面电场强度把分裂导线作为孤立导体对待，忽略其它相的影响，认为总电荷均匀分布在各根次导线上，每根为Q/n，此分裂导线和次导线的平均表面电场强度 = （12）很显然，因此同等电压等级，同相布置，同相间距高压输电的情况下，采用分裂导线输送的导线表面电场强度，要比采用单导线输送的导线表面电场强度小。（1）次导线根数增多，表面场强将下降。（2）次导线直径增大，表面场强也会下降。1.1.3.分裂导线电晕起始场强非标准大气条件下的电晕起始场强2为 （13） 理想光滑导线粗糙系数 天气湿度系数 次导线半径 气体相对密度次导线半径不变的情况下，次导线根数和分裂间距增加会增大导线的等效半径，降低了导线表面场强，从而提高了电晕放电的起始场强。1.2 分裂导线对地面的电场强度生物体在输电线路下会感应出电流，对生物体造成电击，感应电流与分裂导线对地面的工频电场强度有关。分裂导线等值半径 （14） 子导线半径 子导线数 分裂导线半径等效导线电荷 （15） 相电压的实部和虚部 电位系数 （16） 导线x的对地距离和等效半径 导线x和y之间的距离 导线x和y之间的镜像距离 介电常数导线对地面工频电场强度 （17） 导线x在地面的垂直投影点到计算其场强度的地面位置之间的距离导线x上电荷的实部和虚部一定范围内增加导电的对地高度，可以增大电位系数，从而减小等效电荷,因此可以减小对地面的电场强度。由式（14）可知，减少分裂导线的根数和分裂间距等效于减小分裂导线等值半径，增大了电位系数，从而减小等效电荷，所以也可以减小对地面的电场强度。从单导线和分裂导线表面电场强度以及分裂导线对地面的电场强度分析来看，降低导线表面的电场强度会增大导线对地面的电场强度。对于超高压和特高压输电线路，本着提高输电能力的原则，满足环境对电晕和地面的工频电磁场限值的要求，电压损耗不超过允许值及满足热稳定条件等，做到综合经济社会效益3最优。经我国对高压输电线路多次运行试验，得出表1中的超高压及特高压电压等级下的分裂导线根数。表1 超高压及特高压电压等级下的分裂数电压等级：kV330500500紧凑、750分裂数：n2461.3 导线对地面磁感应强度高压输电线路下的通电导线周围会产生工频磁场，特别是在高压三相交流输电下的通电导线周围产生交变的工频磁场，且磁场也能产生交变的感生电动势。根据WHO和IRPA的资料，任何癌症和体内健康问题只能通过观察身体表面电流强度4进行判断。表2为不同表面电流强度对人体的影响。表2 不同表面电流强度对人体的影响表面电流强度对健康的影响1没有任何可确定的影响110仅有较小的生理影响10100光幻视觉影响；对神经系统有影响1001000改变中枢神经系统的兴奋性；改变刺激性；对健康带来危害1000额外的心脏收缩；心室纤维颤动；明确的心脏危害例如：设一条水平排列的750kV线路，电流为1.4626kA，线路距地面高度h为18m，相间距离s为15m，以中相导线在地面的垂直投影为坐标原点，则人在输电线路距边相导线垂直下方1m处身体被感应出的电流强度为 （18）表面电流强度电导率人体各部位等效半径 （19） 将题中的数据代入式中则有同理可得0.06，0.111 取则取0.2，人体等效半径从表2可知，由于1，因此对人体没有危害。综上所述，生物体在超高压和特高压输电线路下会由于对地面的工频电场强度的升高造成电击，但超高压和特高压输电线路下的工频磁场对生物体的影响很小。2 工频电场作用下的生态效应及控制限制导线对地面的工频电场强度主要是降低导线的最大弧垂值。2.1 工频电场作用下的短期效应对人体造成影响的主要是电流，根据其影响可分：感觉到的电流、第二类电击电流和第一类电击电流。第一类电击电流5会对人体产生轻微和严重的伤害。 第一类电击电流将对人体组织的呼吸、心脏及神经系统造成损伤，使人呈现痉挛，呼吸窒息，心室纤维性颤动等症状，严重时将致死。通过人体的电流达到摆脱电流以上时，触电人的肌肉变得难以控制，以致不能够放开握住的放电体，可能产生心室颤动，它和体重及电击的持续时间有关，下式表示了一个触电致死的电流值 （21） t电击持续时间 k系数，对于0.5%的概率，k为165人的最小第一类电击能量为50J。2.2 地面工频电场强度限值 输电线路走廊内不许人等其他生命长时间停留，不能有永久性低矮建筑物。 在最高电压运行情况下，地面最大电场强度限值6为10kV/m，人很少到达的地区限值为12kV/m，线路走廊边缘限值为4kV/m。 在最高电压运行情况下，最大暂态电击电场强度限值为3kV/m。2.3 工频电场强度控制特高压输电线路参数中，分裂导线的相间距离由杆塔结构和过电压及绝缘配合要求的空气绝缘间隙所决定。分裂导线直径及其次导线直径主要由电晕限值和线路波阻抗及输送的自然功率要求决定。因此，特高压输电线路地面最大工频电场强度主要由分裂导线对地高度所控制，改变导线对地高度能显著改变输电线路地面的最大工频电场强度。2.3.1.输电线路运行时弧垂特点在一个档距内，地面最大工频电场强度和分裂导线对地最小高度处于导线最大弧垂处，当分裂导线悬挂点处于同一水平线时，则处于档距中央。控制导线最大弧垂是确保地面最大工频电场强度在限制范围内的充要条件。 导线在覆冰和最高环境温度条件下输送最大功率时，可能产生弧垂最大值。设计时用临界温度法和临界比值法按线路所经过地区的气候条件判断哪种情况产生的弧垂最大，根据最大弧垂值相应的气候条件设计杆塔高度。这样，可以保证导线对地高度等于或大于地面最大工频电场强度所确定的高度。2.3.2.输电线路弧垂控制2.3.2.1 最大弧垂当分裂导线悬挂等高时，到导线最大弧垂出现在档距中央7。工程上应用的导线最大弧垂计算式子为 （22） 导线比载， 导线最低点水平应力，（） 档距，2.3.2.2 降低导线最大弧垂 导线最大弧垂值的减小在满足导线对地电场强度限值内的情况下，可降低杆塔高度、雷电电击强度、减小风荷比载，从而减少杆塔建设成本，提高输电的安全和可靠性。降低最大弧垂技术主要有如下几方面： 采用加强型钢绞线8:在导电截面不变的情况下，适当增加绞线的钢芯可显著提高最大允许应力。 缩短档距:由式（22）可知，缩短导线的水平档距可以减小导线的最大弧垂值。 新型低弧垂导线:目前，正在推广应用的低弧垂导线主要有以轻质复合材料代替钢材为钢芯的铝绞线，如，日本的碳素复合材料光缆芯铝绞线和美国的螺旋铝绞线复合缆芯。它们与普通的钢芯铝绞线相比，具有自身重量轻、额定抗拉机械强度高、弹性系数大、热膨胀系数小等优点。3 输电线路的电晕影响及防治 当输电导线表面的电场强度达到电晕放电的起始场强时，包围导线周围一层较薄的空气被击穿，产生放电。继而伴随着一系列的环境问题，如，1无线电干扰；2电视干扰；3可听噪声；4空气的污染。电子在足够强的电场作用下获得的能量足以使它们碰撞的中性分子电离，产生新的自由电子，这些自由电子受同样电场作用又会使其它分子电离，循环往复，形成电子崩，在导线表面达到自持放电条件，在这一局部区域形成自持放电。伴随着游离而存在的复合反激发，发出大量的光辐射，在黑暗中看到导线表面及周围有一层薄薄的淡紫色发光层。3.1 电晕放电的电磁辐射电磁辐射9产生的热量上升速度太快，超过人体正常的调节能力时，热量会在人体内积累，使蛋白质温度升高。持续时间超过一点的限值时，会烧坏蛋白质分子，形成坏死的组织，最后导致某种生理疾病。人体长期处在一个人为产生的强磁场中，附加磁场的强度与方向都与自然本底不同，影响神经系统正常功能，导致恶梦、幻觉和神经紊乱等。3.2 可听噪声的防治措施分裂导线的次导线根数和直径的改变，影响导线表面电场强度数值，利用关系 常数 （31） 次导线根数 次导线直径 分裂导线电场强度在已知某一结构和场强的导线所产生的噪声级时，能得到另一种等效的结构和电场强度，使导线得到的可听噪声级保持不变。随电压等级的提高，可听噪声会增加。但在保持总截面不变的情况下，采用较高的次导线根数，增大导线等效半径来降低导线表面电场强度，有利于降低可听噪声的声压级。3.3 无线电干扰的防治措施合理评价拟建线路对无线电接收的影响，首先考虑线路通过地区的类型，然后测算或估算信号强度，确定哪些是在表3中推荐的广播服务场强10范围内，再利用信噪比定量标准（我国调幅广播信噪比的最小极限值为），由式（32）确定线路的干扰极限。我国500kV的超高压线路距边相投影20m处的干扰水平要求晴天控制在50。 （32） 无线电接收设备的被保护信号电平， 信号场强与噪声电平场强的比，表3 我国制定的调幅广播服务性场强标准工作频段：MHZ必须场强：dB大城市小城市农村0.150.38066550.5461.57460483305446343.4 电视干扰的防治措施 采用个别天线调整的办法，包括调整天线的方向、位置、高度及更换高性能天线，对低频道与高频道分别使用各自的天线。 对影响来源多电视收看混乱的或电视波微弱的地区，在采取上面措施难以改善的情况下，选择授信条件好的场所，建立共用天线再以同轴电缆象电话线那样接入个电视用户，目前已广泛采用。3.5 空气污染导线发生电晕其间，直接包围导线的薄层空气中会发生化学反应，这些反应会产生少量的臭氧和氮的氧化物11。对一些运行过的线路进行测量，证实电晕现象对空气造成的污染并不严重，采取分裂导线的运行方式提高导线表面电晕放电起始场强，就能降低或消除电晕现象对空气的污染程度。4 高压输电环境保护技术探索随着我国电力事业的不断发展，对高压输电的环境保护工作也应该引起电力行业及相关政府部门的高度重视。伴随电力行业快速发展的同时，计算机技术也早已进入了该行业。对高压输电线路进行无线视频监控12，运用智能图像处理技术、低耗控制技术、CDMA通信技术、太阳能应用技术和数据采集技术等。通过各种探测仪检测输电线路的湿度、温度、风向、风速、电晕耗电量13、泄漏电流、覆冰状况等，处理视频图像、图片等数字化信息。探测器将采集到的信息CDMA通道14，上传到高压输电线路在线检测视频中心。各种在线检测数据、图像、图片和视频信息通过监控中心的LCD拼接大屏幕显示，这对于解决输电线路环境的复杂性及难以监管性的生产管理15问题可能起到有效的作用。5 结束语高压输电的环境危害，是由电磁场物理量的量变所导致。在满足输电能力的同时要兼顾到环境对电晕及地面电场强度的限值要求，通过采取分裂导线的运行方式提高电晕放电起始场强；采用弧垂最大值控制技术降低对地面的电场强度；采取相应的技术手段对电晕造成的环境危害进行防治。另外，在自然条件和供电能力满足的情况下，采用环保型发电方式，如，水能、风能和太阳能等。同时加大对高压输电环境保护新技术的研究力度，保护我们的生态环境，做到人与自然和谐、可持续发展。注释粟福珩.高压输电的环境保护.水利水电出版社. 2007.73-78唐云岩.送电线路测量.中国电力出版社.2004.105-107于永源，杨绮雯.电力系统分析.中国电力出版社.2007.14-18邵方殷.输电系统产生的电场、磁场概论.水利水电出版社.1984.228-236梁灿彬.电磁学.高等教育出版社.2010.264-269张一尘.高电压技术.中国电力出版社.2007.5-7 参考文献1粟福珩.高压输电的环境保护M.北京：水利水电出版社，2007 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