陳曦鳴，王炎煒

（1.安徽電力工程監(jiān)理有限公司，安徽 合肥 230022；2.華北電力大學 河北省輸變電設備安全防御重點實驗室，河北 保定 071003）

0 引 言

隨著輸電線路工程的建設，架空輸電線路將進入公共區(qū)甚至進入城市地區(qū)。輸電線路引起的電磁污染將影響線路附近的居民，這種影響引起了社會各界的廣泛關注，輸電線路引起的環(huán)境投訴和糾紛也有所增加[1-2]。因此，降低輸電線路電場強度的方法已成為環(huán)境保護和能源部門的一個重要問題。自1972年國際大電網(wǎng)會議召開以來，國內(nèi)外對高壓輸電線路引起的電磁環(huán)境污染的研究和電場相關的計算方法得到了廣泛研究[3-14]，多是研究如何計算和測量工頻電場強度，但是對于抑制電場強度的研究很少。

對于已建成和運行中的輸電線路，通常很難調(diào)整輸電線路參數(shù)。因此，有必要降低輸電線路下的電場強度，特別是有人員定期活動或有特殊需要時，必須將輸電線路下的電場控制在一定范圍。這種情況下，可以在相導體和地面之間安裝屏蔽線或屏蔽網(wǎng)，降低電場強度。本文基于CDEGS軟件建立高壓架空輸電線路工頻電場三維仿真計算模型，研究架設屏蔽線和屏蔽網(wǎng)改善高壓輸電線路下方工頻電場的效果，分析討論屏蔽線架設高度、橫向位置、根數(shù)以及屏蔽網(wǎng)網(wǎng)格數(shù)等對線路下方及表面工頻電場影響的規(guī)律和特征。

1 CDEGS理論基礎

CDEGS軟件是以電磁理論為基礎的工程商業(yè)軟件，廣泛應用于電磁干擾研究和接地系統(tǒng)設計分析。此外，CDEGS可計算輸電線路的電磁場環(huán)境并可進行實驗驗證，因此該軟件既能結合實驗反映線路間的電磁耦合，又能反映線路接地體的狀態(tài)。CDEGS軟件應用的理論基礎為矩量法。矩量法是一種將連續(xù)方程離散化為代數(shù)方程組的方法，對求解微分方程和積分方程均適用。

已知邊界條件為：

設在給定邊界條件的場方程統(tǒng)一表達式為：

式（2）為算子方程，L為線性算子。設待求函數(shù)u的近似解為，則誤差（又稱余量）為：

取一組權函數(shù)集合{W}，令：

按式（4）所構成的求解積分或微分方程近似解的方法統(tǒng)稱為加權余量法。式（4）中按給定權函數(shù)展開，意味著余量對Wj取矩的一組平衡式，故,也被稱為矩量法。

2 屏蔽線對線下場強的改善

架設屏蔽線的根數(shù)、高度、距線路中心的水平距離等，都對改善效果都很大影響。因此，本節(jié)基于CDEGS軟件建立如圖1所示的線路，分析架設屏蔽線后對線下場強的改善作用，并實施各種不同屏蔽線架設方案的情況進行仿真計算，以分析比較屏蔽線架設的最優(yōu)方案。屏蔽線（網(wǎng)）的架設方法如圖1所示。

圖1 屏蔽線（網(wǎng)）架設位置示意圖

2.1 屏蔽線水平距離的影響

圖2為在水平位置-10 m、-12 m、-14 m、-16 m、-18 m處分別架設一根屏蔽線（高20 m）后，輸電線下方電場強度的水平分布。由圖2可見，當在水平位置-18～-10 m之間架設屏蔽線后，在架設屏蔽線的一側(cè)，線下電場強度改善明顯，且電場強度隨水平位置的增大而減小。

圖3為在水平位置-18 m、-20 m、-22 m、-24 m、-26 m處分別架設一根屏蔽線（高20 m）后，輸電線下方電場強度的水平分布。由圖3可見，當在水平位置-26～-18 m之間架設屏蔽線后，在架設屏蔽線的一側(cè)線下電場強度較另一側(cè)有明顯改善，但此時電場強度隨水平位置的增大而呈增大趨勢。當屏蔽線水平位置較遠時，圖4為水平距離為40 m、50 m時，線下的電場強度分布曲線趨近于原始未架設屏蔽線時的電場強度分布。

表1 屏蔽線不同對地高度時線下的最大場強值

2.2 屏蔽線高度的影響

考慮在雙回特高壓交流輸電線路外側(cè)屏蔽線處于不同高度對地面電場強的影響，建立屏蔽線距雙回特高壓交流輸電線路中心30 m處不同高度的電場強度，最大值見表1。屏蔽線在14 m增高至22 m時，線下場強的最大值在下降，而當屏蔽線在22 m增高至26 m時，線下場強的最大值卻呈上升趨勢。因此，對于臨近雙回特高壓交流輸電線路時，為有效降低地面電場強度分布，屏蔽線的高度不可過高，應找到屏蔽效果最優(yōu)的高度為宜。

圖2 架設屏蔽線水平位置不同時的電場強度橫向分布

圖3 架設屏蔽線水平位置不同時的電場強度橫向分布

圖4 架設屏蔽線水平位置不同時的電場強度橫向分布

2.3 屏蔽線根數(shù)的影響

圖5為分別架設1、2、3、4、5、6、7、8根屏蔽線（高20 m，水平位置在-18 m左邊每隔1 m處）后，輸電線下方電場強度的水平分布。由圖5可見，架設了屏蔽線一側(cè)的電場強度大幅減小，而未架設屏蔽線一側(cè)基本沒有改變；電場強度的減小程度隨著屏蔽線的根數(shù)的增加而增加，但并不成正比，在一定范圍內(nèi)減小的程度顯著，后減小程度逐漸緩慢。當架設1根屏蔽線時，最大場強減小了0.83 kV/m；分別架設2根、3根屏蔽線后，最大場強依次減小0.37 kV/m、0.25 kV/m，而后屏蔽線數(shù)目依次增大場強仍有減小，但減小速度依次降低。因此，考慮到經(jīng)濟因素，對于一般需要降低場強的區(qū)域只需架設4根屏蔽線即可將最大場強降低到50%。若對場強要求更嚴格，可再增加適當數(shù)量的屏蔽線。

圖5 架設屏蔽線不同數(shù)目時的電場強度橫向分布

3 屏蔽網(wǎng)對線下場強的改善

為研究屏蔽網(wǎng)的屏蔽效果，對架設屏蔽網(wǎng)和屏蔽線的計算結果進行分析和比較。以圖6所示導體搭建的簡易屏蔽網(wǎng)為例，在水平位置-18 m、高20 m時架設一根屏蔽線和架設不同寬度的簡易屏蔽網(wǎng)的線下電場分布如圖7示。

圖6 簡易屏蔽網(wǎng)示意圖

圖7 簡易屏蔽網(wǎng)不同寬度的電場強度橫向分布

圖7中，曲線1為在水平位置-18 m、高20 m時，架設一根屏蔽線時的線下電場強度分布，最大電場強度為2.50 kV/m，而架設寬為2 m的簡易屏蔽網(wǎng)后，線下最大電場強度為2.07 kV/m，場強橫向分布如曲線2所示，場強分布改善良多。增大簡易屏蔽網(wǎng)的寬度后，雖然線下的最大電場強度依次降為2.03 kV/m、2.01 kV/m，但是場強分布改善較小。由圖7可見，對于線下場強分布較為強烈的地區(qū)，可選用簡易屏蔽網(wǎng)達到較好的屏蔽效果，但寬度不宜過寬，否則將帶來過大的經(jīng)濟損耗和技術難度。

將屏蔽網(wǎng)看做a×b網(wǎng)格，其中a為寬的格子數(shù)，b為長的格子數(shù)。為詳細研究屏蔽網(wǎng)網(wǎng)格數(shù)目的屏蔽效果，對架設屏蔽網(wǎng)的不同網(wǎng)格數(shù)目計算結果進行分析和比較。在水平位置-18 m、高20 m時，屏蔽網(wǎng)寬2 m，長300 m，架設屏蔽網(wǎng)的網(wǎng)格數(shù)目分別為1×1、2×10、4×10、40×40時的線下電場強度分布如圖8所示。線下的電場強度分布依次降低，最大電場強度依次為2.07 kV/m、1.74 kV/m、1.56 kV/m、1.37 kV/m，場強分布隨著屏蔽網(wǎng)的網(wǎng)格數(shù)目增多而降低。

圖8 屏蔽網(wǎng)不同網(wǎng)格數(shù)目的電場強度橫向分布

在水平位置-18 m、高20 m時，屏蔽網(wǎng)寬2 m，長300 m，架設屏蔽網(wǎng)的網(wǎng)格數(shù)目分別為2×10、4×10、2×40時的線下電場強度分布如圖9所示。由圖9可見，屏蔽網(wǎng)網(wǎng)格數(shù)目增多時，線下的電場強度均有所改善，但最大電場強度依次為1.74 kV/m、1.56 kV/m和1.69 kV/m，屏蔽網(wǎng)網(wǎng)格數(shù)目為2×40時，電場強度比屏蔽網(wǎng)網(wǎng)格4×10時的電場強度大，可見屏蔽網(wǎng)格a的網(wǎng)格數(shù)越多，越能有效降低線下的電場強度。

圖9 屏蔽網(wǎng)不同網(wǎng)格數(shù)目的電場強度橫向分布

在水平位置-18 m、高20 m時，屏蔽網(wǎng)為2 m×300 m，架設屏蔽網(wǎng)的網(wǎng)格數(shù)目分別為2×40、4×40、40×40時的線下電場強度分布如圖10所示。由圖10可見，僅增多a的網(wǎng)格數(shù)目時，線下的電場強度均有所改善，線下的最大電場強度依次為1.69 kV/m、1.55 kV/m、1.37 kV/m。電場強度隨著屏蔽網(wǎng)a的網(wǎng)格數(shù)目增多而下降，與上述分析結果一致。

圖10 屏蔽網(wǎng)寬度不同網(wǎng)格數(shù)目的電場強度橫向分布

4 結 論

本文建立高壓架空輸電線路工頻電場三維仿真計算模型，分析討論屏蔽線架設高度、橫向位置、根數(shù)以及屏蔽網(wǎng)網(wǎng)格數(shù)等對線路下方及表面工頻電場影響的規(guī)律和特征，得到如下結論：

（1）屏蔽線（網(wǎng)）的架設可以改善輸電線路下方的電場；

（2）增大屏蔽線水平距離，輸電線路下方的電場強度先減小后增大，橫向布置上存在最佳位置；

（3）屏蔽線的高度較低時，能夠有效降低局部區(qū)域電場強度，但范圍較??；增大屏蔽線的高度，輸電線路下方最大電場先減小后增大，縱向布置上存在最佳位置；

（4）工頻電場強度的減小程度隨著屏蔽線根數(shù)的增加而增加，但并不成正比，在一定范圍內(nèi)減小程度顯著，以后減小的程度逐漸緩慢；考慮到經(jīng)濟因素，一般以4根為宜；

（5）對于線下場強分布較為強烈的地區(qū)，選用屏蔽網(wǎng)可以達到較好的屏蔽效果，其中電場強度隨著屏蔽網(wǎng)的網(wǎng)格數(shù)目增多而下降。