电场强度与离子流密度的关系

22.1.1.1　合成电场与离子流密度的特性

特高压直流输电线路电场强度是标称电场和附加电场共同作用下形成的，这是特高压直流输电线路特有的现象，也是与特高压交流输电线路的重要差别之一。

特高压直流输电线路合成电场的产生机理比较复杂，在不考虑电晕及其产生的离子对电场的影响时，导线本身所带的电荷会在导线周围及地面上方产生静电场，此电场称为标称电场。考虑电晕及其产生的离子对电场的影响时，当特高压直流输电线路导线表面场强大于起始电晕场强，靠近导线表面的空气发生电离，产生空间电荷，形成电晕。离子在电场力的作用下，向着极性相反的导线和地面进行迁移，形成离子流，地面单位面积截获的离子称为离子流密度。离子流会导致空间电荷分布在两极导线之间和极导线与地面之间，形成附加电场。

标称电场与附加电场的向量叠加，称为合成电场，地面附近合成电场的水平分量很小，垂直分量很大，合成场强基本由垂直分量构成。由于附加电场比标称电场大很多，所以合成电场的大小主要取决于附加电场。而附加电场的大小取决于导线表面电晕放电的严重程度，不同的天气情况下导线表面电晕放电的程度不同，不同的导线表面特性，如粗糙程度、导线半径等，也会影响导线表面电晕放电的程度。

相比之下，特高压交流输电线路产生电晕时，由于电压的交替变化，电晕所产生的离子绝大部分被限制在导线附近或被中和掉，离子基本上不存在离开导线的运动，所以不会产生离子流和附加电场。这是特高压直流输电线路与特高压交流输电线路所产生电场的最大区别。

国际非电离辐射防护委员会（ICNIRP）指出，当电场强度在25kV/m以下时，对大多数人来说，不会产生因表面电荷引起的不适感。美国邦纳维尔电力局在±500kV直流输电线路试验段的试验表明：对于穿普通鞋的人，当电场为30kV/m时，毛发和皮肤才开始出现刺痛感。苏联对直流电场强度的研究认为，直流输电线路下的允许电场可达50kV/m。

在国内，中国电力科学研究院在直流输电线路下进行的人体直接感受试验表明：毛发和皮肤对直流电场最敏感。在地面合成电场强度小于30kV/m的地方，部分试验者的头发有向上竖起的情况，但皮肤无明显的不适感觉；在合成电场强度分别为30、35、38、44kV/m的地方，外露皮肤的感觉分别为有微弱刺激感、较明显的刺激感、很明显的刺激感和很强烈的刺激感。试验者离开高场强区后，皮肤刺激感立即消失，无任何不适反应。以上试验表明，在直流输电线路下，当合成电场超过30kV/m时，人体对电场开始产生明显的不适感觉。

除直流合成电场的影响外，人体截获离子流的感受也是直流输电线路电磁环境需要考虑的因素之一。研究表明，要得到同样的感受程度，流过人体的直流电流要比交流电流大5倍以上，而站立在直流输电线路下人体的截获电流，又比能感觉的临界值小两个数量级，因此人站在线路下对离子流一般不会有任何感觉，即离子流密度对人体的影响不大。

22.1.1.2　合成电场和离子流密度的限值标准

标称电场在实际中不可监测，且在高压直流输电线路附近，对人体产生影响的为标称电场与附加电场的共同作用即合成电场，所以采用合成电场作为直流输电工程的电场限制指标。

目前，各国对于直流输电线下地面合成电场和离子流密度的限值没有统一的规定：

（1）美国：能源部和North Dakota州规定线下地面合成电场限值分别为30和33kV/m；工业卫生协会直流电场职业暴露限值为25kV/m；电场小于15kV/m，不需考虑暂态电击。

（2）加拿大：线下合成电场和离子流密度限值分别为25kV/m和100nA/m2；走廊边沿标称电场限值为2kV/m。

（3）巴西：伊泰普±600kV直流输电线路下地面合成电场限值为40kV/m。

（4）苏联：±750kV直流输电线路下地面合成电场限值，非居民区取25kV/m，居民区取10kV/m。

（5）德国：直流电场职业暴露限值为40kV/m；若每天暴露2h，允许达60kV/m。

（6）欧盟：直流电场职业暴露限值为42kV/m，公众暴露限值为14kV/m。

（7）中国：2006年6月1日开始实施的电力行业标准DL/T436-2005《高压直流架空送电线路技术导则》规定了±500kV直流输电线路下地面最大合成场强不应超过30kV/m，最大离子流密度不应超过100nA/m2，民房所在地面最大合成电场不应超过15kV/m。

针对特高压直流输电线路，在2008年11月开始实施的电力行业标准DL/T1088-2008《±800kV特高压直流线路电磁环境参数限值》中作了相应的规定：±800kV直流架空输电线路临近民房时，民房处地面的合成场强限值为25kV/m，且80%的测量值不得超过15kV/m（80%测量值是指，假设测量数据为100组，将测量结果从小到大排列，第81个测量结果即为80%测量值）；线路跨越农田、公路等人员容易到达区域的合成场强限值为30kV/m；线路在高山大岭等人员不易到达区域的场强限值按电气安全距离校核。±800kV直流架空输电线路下方离子流密度的限值取100nA/m2。

22.1.1.3　合成电场的计算方法

特高压直流输电线路的合成电场由直流电压产生的标称电场和空间离子产生的附加电场叠加形成，数学模型如下，通常采用有限元法或有限差分法求解。

式中，E——合成场强，V/m；(www.xing528.com)

ρp、ρn——正、负电荷密度，C/m3；

qe——1个电子的电荷量，即1.602×10-19 C；

Ri——离子复合率，取2×10-12 m3/s；

Jp、Jn——正、负电流密度，A/m2；

Mp——正离子迁移率，取1.5×10-4 m2/V·s；

Mn——负离子迁移率，取1.9×10-4 m2/V·s；

Dp——正离子扩散系数，取3.8×10-6 m2/s；

Dn——负离子扩散系数，取4.2×10-6 m2/s；

v——风速，m/s，若有风则设其方向垂直于线路；

U——对地电位，V。

式中，E——合成场强，V/m；

ρp、ρn——正、负电荷密度，C/m3；

qe——1个电子的电荷量，即1.602×10-19 C；

Ri——离子复合率，取2×10-12 m3/s；

Jp、Jn——正、负电流密度，A/m2；

Mp——正离子迁移率，取1.5×10-4 m2/V·s；

Mn——负离子迁移率，取1.9×10-4 m2/V·s；

Dp——正离子扩散系数，取3.8×10-6 m2/s；

Dn——负离子扩散系数，取4.2×10-6 m2/s；

v——风速，m/s，若有风则设其方向垂直于线路；

U——对地电位，V。