特高压直流输电工程的谐波限制标准及滤波器的设计

1、2007年7月Power System Technology Jul. 2007 文章编号:1000-3673(200713-0001-06 中图分类号:TM721.1 文献标识码:A 学科代码:470·4051特高压直流输电工程的谐波限制标准及滤波器的设计郑劲1,张小武2,孙中明1,李书芳3(1.国网直流工程建设有限公司,北京市东城区100005;2.国网武汉高压研究院,湖北省武汉市430074;3.北京邮电大学电信工程学院,北京市海淀区100876Harmonic Current Restriction Standard and Filter Design for UHVDC P

2、rojectZHENG Jin1,ZHANG Xiao-wu2,SUN Zhong-ming1,LI Shu-fang3(1.State Grid DC Project Construction Company Limited,Dongcheng District,Beijing 100005,China;2.Wuhan High V oltageResearch Institute of SGCC,Wuhan 430074,Hubei Province,China;3.School of T elecommunication Engineering, Beijing University o

3、f Posts and Telecommunications,Haidian District,Beijing 100876,ChinaABSTRACT:After systematic investigation on current technical level of counter-interference capability of communication networks and lines in China and present situation of related standards being executed and on the basis of summari

4、zing bygone research results, standard and design specification related to the influence of power transmission lines on communication as well as the implementation of these results in practice, by means of theoretical calculation, probability analysis and simulation tests, the interference restricti

5、on level that the communication networks can withstand is proposed and the limitation value of DC equivalent disturbing current (EDC suitable to counter-interference level of current communication networks is given. The harmonic current restriction standard for UHVDC project from Xiangjiaba to Shang

6、hai Nanhui is analyzed and the recommended value is put forward. On this basis, a typical design scheme of DC filter for UHVDC project is proposed. Results of laboratory tests and on-site measurements show that the proposed harmonic current restriction standard is suitable for engineering constructi

7、on and by which both the seized land area and engineering cost can be saved.KEY WORDS:UHVDC;harmonic restriction standard;filters摘要:在系统考察我国目前通信网络设备和线路抗干扰能力所能达到的技术水平和所执行标准的现状,总结以往有关电力线对通信的影响的研究成果、标准、设计规范和具体实施情况的基础上,通过理论计算、概率分析和模拟试验,提出了现在通信网能够承受的干扰限制水平,给出了适合当前通信网抗干扰水平的直流等效干扰电流限值。对向家坝上海南汇特高压直流输电工程谐波限制标

8、准进行了分析并提出了建议值,在此基础上提出了特高压直流滤波器的典型设计方案,结果表明该标准适用于工程建设并能节约占地和费用。关键词:特高压直流输电;谐波限制标准;滤波器0 引言高压直流输电(HVDC线路在正常运行时会产生音频范围内的谐波电压和谐波电流,通过感性耦合可能会在附近音频电话回路中产生杂音,降低通话质量。在高压直流输电技术发展的早期,直流系统对通信系统形成潜在干扰的问题表现得较为严重,这是因为20世纪七八十年代世界范围内包括我国还广泛使用长距离架空明线所组成的主干网络传输音频电话信号,对外界干扰十分敏感,该时期所制定的直流谐波水平限值比较严格。但80年代后期电信技术发生了飞跃发展,由光

9、纤通信和数字通信为代表的新一代通信网络以其容量大、抗干扰能力强等优点迅速得到普及,特别是我国在90年代后期基本形成了以光纤为主干网,以数字通信为主的通信网络,架空明线等老一代通信线路逐渐被淘汰,因此重新审视HVDC系统对通信系统的影响,研究在早期制定并延续至今的直流谐波水平限值是否适用于当前状况十分必要。本文在系统考察我国目前通信网络的技术水平和所执行的标准现状、总结以往有关电力线对通信影响的研究成果、标准、设计规范,通过理论计算、概率分析和模拟试验提出了现在通信网能够承受的干扰限制水平,提出了适合当前通信网抗干扰水平的直流等效干扰电流限值。对向家坝-南汇特高压直流输电工程1-6的直流谐波限制

10、标准进行了分析并提出了建议值,在此基础上给出了特高压直流滤波器的典型设计形式和参数,可供编制工程规范和设计时参考。1 直流谐波干扰水平的评估方法及其计算HVDC系统中换流器产生的特征和非特征谐波电压会在直流线路中产生谐波电流。谐波电流通过感性耦合在相邻通信线路上产生感应电压,其中沿线感应出的电压称为纵向电压;在每一电话回路中两导线的纵向电压之差称为横向电压,该电压即直流线路对通信线路的干扰电压。谐波电流沿输电线路的分布水平决定了其对附近电话和通信线路的干扰水平。解决直流输电线路对通信线路的干扰问题时通常考虑2个方面:可能遭受干扰的通信线路的数目及为减轻干扰的影响在线路上所采取措施的费用;可接受

11、的干扰水平,这将决定直流侧滤波器的设计及滤波器的费用。然而,确定直流输电线路周围的通信线路数目,并分别计算各次谐波对它们的影响工作量非常大,得到所有通信线路的参数也非常困难。电力部门在设计、规划时须将其转变成对输电线路上产生谐波量的限值。实际工程中采用了一种简便有效的方法,它考虑了对通信线路最常见的影响类型并引进了等效干扰电流的概念,即假想的位于直流输电线路中间的单根导线中流动的某一参考频率下的电流7-8。在我国参考频率通常取为800Hz,并假定该电流在通信回路中所产生的杂音与原来直流线路中各导线谐波电流在该回路中所产生的杂音效果相同。该方法使得通信系统的分析和电力系统的分析可以分别进行。其中

12、,通信系统的分析通常包括调查电力线周围通信系统的分布情况、计算通信系统抗干扰能力的限值等;电力系统方面的分析通常包括计算谐波电流沿输电线路的分布、计算等效干扰电流、根据等效干扰电流的限制标准设计直流滤波器和平波电抗器的参数等。直流输电线路上800Hz等效干扰电流的计算公式为 eqI=其中:I n为第n次谐波电流;H n为折算到参考频率下各次谐波电流的加权系数;P n为n次谐波的杂音加权系数。运用该模型还可计算通信线路中的杂音电动势eq eq m800m800800pU I Z K BL=其中:Z m800为直流线路和电话回路之间参考频率为800Hz时的互阻抗,/km;K m800为邻近各种金属

13、导体在800Hz下的综合磁屏蔽系数; 800为800Hz 参考频率下电话回路的敏感系数;B为800Hz参考频率下电信线路传播的衰减系数;L p为接近段长度,km。由于线路分布参数的存在,谐波电流在沿线路传播过程中会逐渐衰减,因此直流沿线等效干扰电流分布的规律是靠近两侧换流站大,中部小。根据典型计算,500kV直流线路中段的等效干扰电流水平约为靠近两侧换流站的2/3;对于拟建的800 kV 特高压直流线路,其等效干扰电流分布的不均匀性更明显,中段的等效干扰电流水平约为靠近两侧换流站的1/3。2 新时期直流线路对通信线路的干扰分析目前我国的长途通信干线、省级通信干线、本地网局间中继线路均采用光缆,

14、架空明线、长途对称通信电缆和同轴通信电缆已被淘汰。部分接入网用户采用光缆,引到路边或小区;市话用户电缆还在广泛使用。通信电路由音频电话电路、电报电路、载波电路发展到现在的数字通信电路,市话交换机全部为数字程控交换机。由于光纤为绝缘介质,完全不受外界电磁场干扰,高压直流输电的电磁干扰对象由长途架空明线、长途通信电缆转移到了市话用户线,即从电话端局至用户的架空电缆。广大农村地区,特别是偏远落后地区的电信网络,虽然在全国范围内已实现了光纤到乡(镇,但从乡(镇电话端局引出架空电缆到村的接入网模式仍然被广泛采用。图1为目前我电话用户配线区电话用户配线区村级模块局交接箱(村电话支局光纤层间中继电话支局(乡

15、镇 光纤配线电缆长途传输网(光纤交接箱(村HY A固话电缆微波通信图1目前我国农村的电话网络结构Fig.1 Present telecommunication network incountry area in China国广大农村地区的电话网络结构,目前发达地区的大部分行政村已采用了光纤进村,其中上海、山东、广东等地预计2007年底实现100%光纤入村。中西部地区仍大部分使用架空电缆进村,然后通过交接箱分配到用户,部分电缆难以到达的地区使用微波通信。总体来说,用户线路长度较短,强电线路与用户电话线路可能的接近长度比长途线路短得多,因此强电产生的电磁干扰比以前要轻得多。从1995年颁布的YD5

16、006-19959开始,国内目前所使用的架空电话电缆已基本统一到HYA系列全塑双绞市话电缆,“全塑”是指电缆内芯线绝缘层、缆芯包带层和护套均采用高分子聚合物组成,是对称电缆的一种(如图2所示9,其基本线径为0.4mm,特殊情况下可使用0.6mm线径。因此,本文的参数主要针对该种电缆选取。1自承钢绞线,仅限于自承式市话电缆; 2塑料护套;3铝塑料包带;4芯线。123 4 512 3 4 5图2 HYA系列全塑双绞市话电缆结构Fig.2 Configuration of HYA series twisted-pair cable3 新条件下等效干扰电流的计算条件3.1 电话回路的干扰限值关于强电线

17、路对通信线路干扰的限制标准,通常采用在电话回路上产生的杂音电动势的总和的限值。(1国内标准的规定。1四部原则协议和电力行业的标准。架空电力线与弱电线路接近和交叉装置规程10,防止和解决电力线对通信、信号线路危险和干扰影响的原则协议11,DL/T5063-199612和DL436-200513这些规程或标准归纳起来要求高压输电线路在正常运行情况下,谐波在音频双线电话回路上产生的杂音电动势不大于4.5mV。2通信行业标准。YD2002-199214规定:电缆线路中音频业务通信回路产生的干扰杂音电动势不宜超过3.5mV。(2国际标准的规定。1ITU-T K.5315建议和CCITT强电防护导则16规

18、定:“介入链路的电信设备尽可能对地完全平衡并符合最新式设备的要求时,在电话回路耦合的杂音电动势不超过1mV”。2其他国家(如法国、英国、爱尔兰标准对电话回路的干扰限值要求不超过2mV,澳大利亚的为1.6mV,荷兰的为10mV,日本的为2mV(电缆困难时可采用2mV,波兰、瑞典、挪威和意大利的为1mV,德国的国际话路采用1mV(国内话路采用5mV。(3实验室试验。为考察适合于目前电话回路的干扰限值,进行了不同电话杂音电动势水平下人的主观感受试验,试验结果如表1所示。表1不同电话杂音电动势水平下人的主观感受Tab.1 Human receipt under different induced no

19、ise voltage 感应的杂音计电动势/mV 主观感受0.5、1 分辨不出背景有噪声1.5、2 接听者需提醒后仔细分辨背景有轻微低鸣声2.5、3、3.5、4 接听者主动感觉背景有轻微低鸣声,但认为对通话效果影响不大4.5、5、5.5、6、6.5 接听者主动感觉背景有低鸣声且很明显,认为通话质量较差7、8、9、10 接听者主动感觉背景有较大低鸣声且很明显,认为通话质量很差11、12 接听者一接电话就认为无法忍受(4杂音电动势水平建议限值10-13,17。综合以上中外各种标准和规定并根据试验结果,建议电话回路的杂音电动势水平限值范围为24 mV。3.2 直流线路和电话回路之间800Hz互阻抗的

20、计算通信线路和直流线路之间的互阻抗与需要考虑的频率范围、通信线路和直流线路之间的距离、大地电阻率有关。有很多文献都对该问题做了研究,Dubanton18推导出的方程是其中的一种。在运用Dubanton方程时要对受干扰线路作一些简化,但所得到的结果与精确考虑大地电阻率、屏蔽、平衡等因素时所得结果相比误差不大,其结果在工程应用上可以接受。互阻抗计算公式为 mj2Z Pµ=其中:h1为直流线路高度;h2为电话回路高度;D 为直流线路和电话回路的间距;P为地回路平面的复深度;为角频率(800Hz下;为大地电阻率;0为空间电导率。表2为平行接近段电信线路长度L=1000m,直流输电线路高33

21、m,电信线路高3 m的耦合阻抗计算典型值。表2耦合阻抗典型计算值Tab.2 Typical calculated value of coupling impedance耦合阻抗/电阻率/m D=8m D=10m D=15m D=20m D=50m D=100m D=200m D=500m 100 2.25 2.25 2.15 2.15 1.70 1.14 0.59 0.13 180 2.53 2.53 2.44 2.34 1.97 1.39 0.83 0.22 300 2.82 2.72 2.72 2.63 2.15 1.61 1.04 0.35 500 3.01 3.01 2.91 2.91

22、 2.45 1.88 1.22 0.51 700 3.20 3.20 3.11 3.01 2.53 2.06 1.39 0.64 100 3.40 3.30 3.30 3.20 2.72 2.15 1.61 0.78注:D为电力线与电信线间距离。3.3 屏蔽系数(1架空电话电缆的屏蔽系数。架空通信电缆的800Hz屏蔽系数应按实际屏蔽系数考虑,表3为计算时采用的屏蔽系数。表3 计算时采用的架空电缆屏蔽系数(2直流架空地线及电话电缆吊线的屏蔽系数。3.4 电话回路的敏感系数13-14,19-21从我国现行标准规范对敏感系数的规定来看,电信、电力与铁道部门的取值范围为0.81.3,国外标准中所提出的

23、取值范围为11.316。结合实测情况,本文对于由HYA电话电缆和数字程控交换机组成的电话回路,敏感系数取1,与1988 年版CCITT 导则16所建议的值一致。3.5 电话回路的衰减系数根据DL/T 5063-199612,干扰计算引入了电信线路传播效应的衰减系数。计算表明,市话通信电缆线路传播效应衰减系数与接近段电信线路长度关系不大,而与电缆长度和芯线线径关系较大,在计算干扰影响时必须考虑。本文将电话回路的衰减系数与电话电缆吊线的屏蔽系数一并考虑取0.9。4 新条件下等效干扰电流的计算及评估4.1 等效干扰电流的计算运用第3节的计算条件,如取电话回路的杂音电动势2 mV代入等效干扰电流的计算

24、公式,可计算出等效干扰电流随不同接近电信线路长度以及电力线与电信线间距离和大地电阻率变化的各种数据,接近段电信线路长度L=1000m时的典型值如表4所示。表4接近段电信线路长度L=1000 m时的等效干扰电流Tab.4 Equivalent disturbing current of a nearby communication line with length of 1000 m等效干扰电流/A电阻率/m D=10m D=15m D=20m D=50m D=100m D=200m D=500m 100 1.97 2.05 2.05 2.59 3.87 7.46 35.00 180 1.75

25、1.81 1.87 2.24 3.17 5.35 20.04 300 1.62 1.62 1.68 2.05 2.74 4.24 12.75 500 1.47 1.51 1.57 1.81 2.35 3.61 8.60 700 1.38 1.42 1.47 1.74 2.14 3.17 6.90 1000 1.34 1.34 1.38 1.62 2.05 2.74 5.63 4.2 等效干扰电流的评估为定量评估直流工程对所跨越地区电信网络正常工作的影响水平,进而确定经济适用的等效干扰电流限值,在综合考虑我国目前电信与电力系统技术装备水平和相关各项标准18,21-22的基础上,建立了典型评估模型

26、。模型通过评估直流线路的长度和沿线所经地区的电话线路密度预测需要进行干扰影响评估的电话线路数量;以杂音电动势限值为判断准则,计算在不同等效干扰电流水平下,直流线路沿线一定范围内随机存在的1条电话线路干扰超标的概率;根据计算结果预测在不同等效干扰电流水平下,直流线路沿线干扰超标的电话线路数量;通过控制沿线干扰超标的电话线路数量,结合直流滤波器的成本,选择总干扰防护成本最优的等效干扰电流限值。根据模型计算结果,假设在我国人口稠密地区随机架设一条1000km的直流线路,如将电话线路的杂音电动势水平限值设定为2mV,则当直流双极大地回路正常运行时,等效干扰电流水平在0 4000mA范围内,与直流线路平

27、行相距10km范围内任意存在的一条电话架空电缆干扰超标的概率如图3所示,图中同时给出直流线路全线可能超过限值水平的电话线路数量。如果采用图3中的电话线路干扰超标的概率小 于5限值,电话线路与直流输电线路在各种典型接近情况下,电话回路上的感应杂音电动势典型值如表5所示。计算表明接近段长度1000m,两线间间距为100m可作为电话回路感应杂音电动势超过2mV的典型分界线。表5 大地电阻率200m时电话回路的感应杂音电动势Tab.5Induced noise electric field of messenger cableunder 200m of earth resistivity感应杂音电动势/mV接近段长度/mD=50m D=100m D=150m D=200m D=250m D=300m 500 1.6 1.2 0.9 0.7 0.5 0.41000 2.9 2.0 1.5 1.2 1.0 0.81500 3.7 2.6 2.0 1.6 1.3 1.02000 4.3 3.0 2.3 1.8 1.4 1.2 4.3 等效干扰电流限值采用电话回路杂音电动势水平限值范围2 4mV来评