1. 目的及意义

1.1 研究背景

我国能源资源和经济发展地理分布极不平衡，全国可供开发利用的水力资

源有将近七成分布在西南部的四川、云南和西藏三省区，煤炭保有储量的 2/3分布在山西、陕西和内蒙古三省区；而全国用电负荷约 2/3 分布在东部沿海和京广铁路沿线以东经济发达地区，但是那里的发电能源资源却严重不足。可开发能源与负荷中心地区在地理位置上分布不均，大容量用电需求和远距离输电是我国特有的国情。这就决定了我国要解决目前的电力供应问题，就必须在大力开发水电和火电的同时建设全国能源传输通道，实现长距离大容量的“西电东送和北电南送”，从而实现全国联网，充分发挥电网的水火互补调剂及区域负荷错峰作用。在目前我国电网中应用的输电方式有交流输电和直流输电两

种。在输电距离超过等价距离以后，采用直流输电比使用交流输电更加经济。

在大容量远距离输电方面，与交流输电相比，直流输电主要有以下优点：

1）线路造价低，损耗小，节省线路走廊。直流输电架空线路只需要正负两极导线，与交流输电相比，输送同样的功率可以节省约 1/3 的钢芯铝线，1/3～1/2 的钢材。直流输电线路的总体造价约为交流输电的 2/3，并且在相同的条件下其线路损耗约为交流输电的 2/3。直流输电线路所占的线路走廊也相对交流要窄，要节约将近 1/3。

2）能简单有效地解决两大交流电网之间的联结问题，被联电网可以保持自己的电能质量而独立运行，不受联网的影响。

3）直流输电不存在同步运行的稳定问题，其输送容量和距离将不受同步运行稳定性的限制，这对于远距离大容量输电是很有利的。由于以上优点，直流输电特别适合于长距离点对点大功率输电。大力发展直流输电，有利于实现更大范围的资源优化配置，满足未来我国经济社会发展的用电需求。由于高压直流输电工程的高电压、大电流的存在，在输电线路附近必然存在电场、磁场、无线电干扰等环境影响因素，这些因素的存在，对于工作生活在其周围的人群，有一定的影响。随着我国直流输电工程的大力建设和运行，直流输电引起的离子流、直流合成场强等影响越来越被设计、运行以及环保等部门所重视。直流输电线路的电磁环境直接和输电线路电晕特性有关。

直流输电线路下的空间电场是由两部分合成的。一部分是由导线所带电荷产生的静电场，这种场主要与导线排列的几何位置有关，与导线的电压成正比，又称为标称电场；另一部分是由空间电荷产生的电场。这两部分电场的叠加，称为合成电场。合成电场强度的大小主要取决于导线电晕放电的严重程度，最大合成电场有可能比标称电场大很多，可达它的2—3.5倍。决定直流输电线路环境影响的重要参数是地面合成电场和离子电流密度。两者的分布的计算方法有很多，如：解析法、半经验公式法以及有限元素法等。但计算中需要设定一些基础数据，如：导线起始电晕场强和离子迁移率等。为了提供这些基础数据和对计算结果进行验证，还需要实验的方法。因此，研究地面合成场强测量系统可以为合成电场的计算和直流输电线路合成电场的测量提供技术支持，具有一定的科学意义和工程实际价值。

1.2 国内外研究现状

对于直流地面合成电场测量仪器的研究国外进行得比较早，在地面合成电场测量方面较为先进。在 1983 年P. Sarma Maruvada对直流地面合成电场的测量原理进行了描述，并根据测量原理首先制作了最早的测量仪器场磨。随后，他又对其进行了改进，制作了滚筒型电场探头，使其体积更小还加入光学传感器以提高测量精度。2002 年 Harold Kirkham 对直流地面合成电场的测量仪器的发展做了一个总结，并提出了自己的测量仪器设想。他将微电子技术加入到了测量方法当中，设计了微电子振动板场磨。

相比国外直流输电线路合成电场相关的研究，我国从 1980 年才开启相关研究，中国电力科学研究院通过引用国外的经验模型，对±500kV 直流输电线路合成场强分布进行了模拟研究。随后又通过将求解过程分解为正/反向两个定解问题，并分别以加权余量法和上流元法进行迭代求解。2000 年以后，越来越多的研究团队开展了对直流输电线路合成场强分布规律的深入研究。林秀丽等考虑了直流输电线路分裂导线的作用，并对 Sarma 的合成场强的计算模型进行了优化处理．并着重分析了输电电缆设计参数对合成场强分布的影响机制。随更多的研究团队针对有限元法进行了进一步的优化，从而使合成场强的计算精度相比插值算法提高了 2 个数量级以上，上述提升对模拟过程中输电线路合成场强满足起晕约束条件具备实际指导意义。与此同时改良了节点电荷的更新策略，便于算法的快速实现。同时基于 Deutsch 假设，提出了有建筑物存在时输电线路周边合成电场的近似模拟数学模型。杨勇则考察了直流输电线路负极悬空时地面合成电场的模拟，并提出一套适用于 HVDC 线路负极悬空时导线周围合成场强以及悬空导线电位的数学模型，通过考察不同运行状态时的地面合成场强和导线周边合成场强的分布，研究分析了悬空导线电与电荷携带量之间的关系。目前而言，针对单回直流输电线路合成场强的分布规律，国内外均已进行了广泛的研究，并得到了许多适用于实际计算的经验公式和数学模型。由于我国能源分布和需求的特殊性，决定了并行直流输电方式成为必然选择。目前针对并行高压/特高压直流输电线路合成场强分布的研究较少，且停留在理论计算阶段，缺乏现场实测数据对理论模型的检验。因此，通过理论与试验相结合的方法开展并行高压/特高压 HVDC 线路合成场强分布的研究，并提出经现场试验验证的理论预测模型，对并行高压/特高压HVDC 线路的设计具有重要工程指导意义。在国内地面合成电场测量方面产品不多，还多是采用如旋转电场仪这样的测量设备，其灵敏度虽然不如光传感器但成本较低，也能够较准确的测量出电场值，有较强的实用性。其测量原理是使用专门的传感器，使传感元件上接受到的电力线总数量周期地变化，与之相应的感应电荷也随之周期性地变化。利用周期性变化的电荷所形成的电流即可测出相应的场强。这些设备的价格较高，其测量数据也是实时显示且不方便保存。