王凱奇，趙亞韋，陳承偉，王 涵，鄧傳海

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林 132012;2.國網(wǎng)山西省電力公司，山西太原 030001)

0 引言

近年來，我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展推動了對電力的極大需求，但我國能源分布和用電負(fù)荷的區(qū)域不對稱性要求電力傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)大容量遠(yuǎn)距離的輸送。為了降低電力在輸送過程中的損失和提高輸電容量，相應(yīng)線路的電壓等級逐漸升高，500kV超高壓輸電線路已逐漸成為我國電力系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)，而電壓等級更高的特高壓輸電工程在“十二五”期間也將得到較快的發(fā)展［1］。

隨著輸變電工程運行電壓等級的升高，電磁環(huán)境干擾問題已逐漸暴露，高壓輸變電設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾對長期居住在輸電線路附近居民的影響已引起了社會各界的關(guān)注。在這樣的背景下，為了充分掌握高壓輸變電設(shè)備的電磁干擾情況，合理評估電磁干擾影響，降低人們對電磁干擾產(chǎn)生的不必要恐慌，筆者認(rèn)為對輸變電設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾的影響因素進(jìn)行分析，提出一些降低電磁干擾水平的具體措施很有必要。

本文運用工頻電磁場理論研究高壓輸電線路下方的電磁環(huán)境問題，對500kV超高架空線路附近的工頻電場進(jìn)行了仿真研究。

1 計算方法和相關(guān)參數(shù)的選取

1.1 計算方法

對工頻電場的計算主要采用有限差分法、有限元法、邊界元法、矩量法和模擬電荷法［2－8］。在能滿足實際工程精度要求的情況下，模擬電荷法由于其易于實現(xiàn)和對計算軟件的配置要求較低等優(yōu)點而被廣泛采用。本文根據(jù)《500kV超高壓輸變電工程電磁輻射環(huán)境影響評價技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 24－1998)附錄A中的計算方法，應(yīng)用MATLAB軟件平臺編制程序計算500kV超高壓輸電線路下方工頻電場強(qiáng)度的分布。

1.2 500kV輸電線路參數(shù)

本文以500kV超高壓輸電線路為例，將架空輸電線路看成平直導(dǎo)線，以弧垂最低點為架空線離地高度。選取弧垂最低點下方向外延生50m范圍內(nèi)離地高度為1.5m處作為觀測點。表1列出了500kV輸電線路導(dǎo)線及避雷線的計算參數(shù)。

表1 線路計算參數(shù)

圖1所示為500kV導(dǎo)線及地線布置圖。導(dǎo)線水平排列時兩邊相導(dǎo)線相距22m，地線相距18m;三角形排列時兩邊相導(dǎo)線相距13m，地線相距10m;豎直排列時相間距離為7m，導(dǎo)線弧垂最低點離地高度20m。

圖1 導(dǎo)線排列示意

2 工頻電場的影響因素分析

2.1 導(dǎo)線布置形式對輸電線路附近工頻電場影響

以圖1為例，研究不帶避雷線時輸電線路附近工頻電場的分布與導(dǎo)線不同排列方式的關(guān)系，仿真結(jié)果見圖2。

圖2 四種排列方式時的地面電場分布圖

從圖2可知，導(dǎo)線的不同布置方式對地面電場有較大影響。水平、正三角型排列時地面電場分布出現(xiàn)雙峰值，分別發(fā)生在兩邊相導(dǎo)線正下方，且水平排列時的電場峰值較其他排列方式時相同觀測點處的電場峰值都大，垂直排列時峰值發(fā)生在線路中心正下方且電場集中分布在線路中心20m范圍內(nèi)，隨著向線路外側(cè)延伸電場值較小。綜上所述，倒三角型排列時電場強(qiáng)度較相同觀測點處其他排列方式下的都相對較小，且分布曲線下降較緩。

2.2 避雷線的影響

對比有無避雷線對地面場強(qiáng)的影響，仿真結(jié)果見圖3～圖6。從圖中可知，帶避雷線與不帶避雷線相比，水平排列帶避雷線時觀測點處地面電場強(qiáng)度有所降低，其他三種排列方式帶避雷線時觀測點處電場強(qiáng)度有所上升，但總體上帶避雷線與不帶避雷線時相比地面電場的變化很小。由此可知，避雷線對地面電場的影響較小。

圖3 水平排列方式下地面電場有無避雷線時的比較

圖4 正三角排列方式下地面電場有無避雷線時的比較

圖5 倒三角排列方式下地面電場有無避雷線時的比較

圖6 垂直排列方式下地面電場有無避雷線時的比較

2.3 不平衡負(fù)荷的影響

當(dāng)系統(tǒng)運行在過負(fù)荷、短路、斷線等異常情況下時系統(tǒng)的電壓、電流必然會發(fā)生改變，進(jìn)而會影響輸電線路附近的工頻電磁場變化。對于三相不平衡系統(tǒng)可以應(yīng)用對稱分量法將電壓、電流分為正序分量、負(fù)序分量和零序分量，再將正序、負(fù)序、零序分量產(chǎn)生的電磁場疊加［9－10］即可求出不平衡負(fù)荷對輸電線路附近電磁場的影響。

本文以圖1所示的四種排列方式為例，研究A相發(fā)生故障使負(fù)荷不平衡時對線路附近工頻電場的影響。其中A相線電壓降低為25kV，電流為3kA，其他參數(shù)仍如表1，仿真結(jié)果如圖7。

圖7 不平衡負(fù)荷時的地面電場分布

從圖7可知，四種排列方式下當(dāng)A相發(fā)生故障時地面電場強(qiáng)度分布與正常情況下相比有顯著差異，A相故障時電場強(qiáng)度主要集中在輸電線路走廊－20m到20m寬度范圍內(nèi)，水平排列和倒三角形排列時觀測點處電場峰值較正常負(fù)荷時有顯著上升，而正三角形排列和垂直排列時觀測點處的電場峰值下降了30%左右。

3 降低工頻電場的措施

對于降低輸電線路下方工頻電場的方法在很多文獻(xiàn)中已經(jīng)提出［11－13］，這些方法主要有:增加導(dǎo)線對地高度;改變導(dǎo)線間距;合理選擇導(dǎo)線布置方式;同塔多回路時優(yōu)化相序排列;線路下方架設(shè)屏蔽線等。本文主要對線路下方架設(shè)屏蔽線時對地面電場的屏蔽效果進(jìn)行了仿真分析。

3.1 屏蔽線對線路下方工頻電場的屏蔽作用

仿真分析改變屏蔽線架設(shè)高度和寬度時對線路下方工頻電場屏蔽作用，仿真模型見圖8。

圖8 500kV桿塔雙回路模型

3.1.1 架設(shè)寬度對線路下方工頻電場的屏蔽作用

圖8中當(dāng)兩根屏蔽線架設(shè)最低相下方3.5m處，改變架設(shè)寬度d(即屏蔽線到桿塔中心的距離)時，得到仿真結(jié)果見圖9。從圖9中可知，屏蔽線對地面電場有很好的屏蔽作用，隨著屏蔽線離桿塔中心的距離改變，地面觀測點處的電場強(qiáng)度也隨著改變，當(dāng)屏蔽線在最低相正下方附近(即離桿塔的距離d=7.2m)時地面電場最小。

圖9 寬度改變時地面電場分布

3.1.2 架設(shè)高度對線路下方工頻電場的屏蔽作用

圖8中當(dāng)d取7.2m改變屏蔽線離最低相的距離H時，仿真結(jié)果見圖10。從圖10可知，隨著屏蔽線高度的降低，地面場強(qiáng)有所降低，但屏蔽線高度降低到一定程度后地面場強(qiáng)又隨之上升，本例中屏蔽線離最低相3.5m時屏蔽效果最理想。

圖10 高度改變時地面電場分布

屏蔽線對輸電線路附近電場的影響和屏蔽線離桿塔中心的距離及離輸電導(dǎo)線的距離都有關(guān)系，只有合理選擇屏蔽線的位置才能達(dá)到理想效果。

3.2 不同電壓等級同塔多回時低壓輸電線路的屏蔽作用

同塔多回路時優(yōu)化線路的相序排列可以降低線路下方的電場強(qiáng)度，其中逆相序排列時線路下方的電場強(qiáng)度最低［14－15］。本文根據(jù)這一特性仿真研究了500kV和220kV輸電線路同塔并架時220kV輸電線路對500kV線路產(chǎn)生電場的屏蔽作用。仿真模型見圖11，ABC為500kV線路abc為220kV線路，采用逆相序排列。

圖11 仿真模型

圖12 高低壓同塔并架時地面電場分布

圖12為仿真結(jié)果，其中曲線1為只架設(shè)500kV時的仿真曲線，曲線2為只架設(shè)220kV時的仿真曲線，曲線3為500kV和220kV同塔并架時的仿真曲線。從仿真結(jié)果可知，同塔并架時下層電壓等級較低的輸電線路對電壓等級較高的輸電線路產(chǎn)生的電場有很好的屏蔽作用，且屏蔽效果比較理想。

4 結(jié)語

對500kV超高壓架空線路附近工頻電場的仿真與分析結(jié)果表明，導(dǎo)線布置形式、避雷線、不平衡負(fù)載等都對輸電線路附近的電磁場有一定影響。通過改變屏蔽線的架設(shè)寬度和高度能夠最優(yōu)化地屏蔽電場強(qiáng)度，另外同塔多回路時較低電壓輸電線路對較高電壓輸電線路產(chǎn)生的電場有很好的屏蔽作用。

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