劉嘉文，周慶華，李 麗，李 濤

（1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

500kV同塔四回輸電線路下工頻電場(chǎng)模擬與防護(hù)

劉嘉文1，周慶華2，李 麗1，李 濤2

（1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

為使輸電線路下方的工頻電場(chǎng)符合國(guó)家限值要求的同時(shí)有效降低工程造價(jià)，建立500kV同塔四回輸電線路模型，計(jì)算不同條件下線路下方的工頻電場(chǎng)，得到工頻電場(chǎng)最大值與相線高度之間的關(guān)系，提出500kV同塔四回輸電線路下方工頻電場(chǎng)的防護(hù)措施，為在工頻電場(chǎng)超過(guò)限值的區(qū)域架設(shè)屏蔽線提供參考方案。

500kV；同塔四回輸電線路；電場(chǎng)強(qiáng)度；屏蔽線

0 引言

隨著我國(guó)的城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，輸變電工程越來(lái)越接近公眾活動(dòng)區(qū)域，甚至進(jìn)入市區(qū)，在高壓線周圍，導(dǎo)線上的電荷產(chǎn)生工頻電場(chǎng)，導(dǎo)線內(nèi)的電流產(chǎn)生工頻磁場(chǎng)，由其帶來(lái)的電磁污染已引起社會(huì)各方面的廣泛關(guān)注[1]。國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)推薦居民區(qū)工頻電場(chǎng)應(yīng)低于4kV/m，工頻磁場(chǎng)應(yīng)低于0.1mT[2-3]。對(duì)于輸電線下方的工頻電磁場(chǎng)，如果僅采用建設(shè)完成后現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量方法進(jìn)行評(píng)估，一旦出現(xiàn)工頻電磁場(chǎng)超標(biāo)的情況將影響正常的電力運(yùn)行生產(chǎn)。采用數(shù)值方法計(jì)算工頻電磁場(chǎng)，可以在設(shè)計(jì)階段準(zhǔn)確評(píng)估輸電線路的電磁環(huán)境，或?qū)ΜF(xiàn)有線路提出恰當(dāng)?shù)母纳拼胧?，是?guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。1972年，H.Singer等[4]提出了用等效電荷法計(jì)算電場(chǎng)的方法，該方法被國(guó)際大電

網(wǎng)會(huì)議第36.01工作組推薦為輸電線路下方工頻電場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算方法。R.Olsen等[5]基于麥克斯韋方程組分析了高壓線附近的工頻電磁場(chǎng)，研究結(jié)果證明，由于頻率極低（50Hz），工頻電場(chǎng)與工頻磁場(chǎng)可被視為相互獨(dú)立。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)特高壓輸變電設(shè)備周圍工頻電磁場(chǎng)的數(shù)值模擬研究方面也已取得重要成果。萬(wàn)保權(quán)等[6]采用等效電荷法計(jì)算了兩種不同塔型的500kV同塔四回輸電線路在不同導(dǎo)線排列方式情況下的工頻電場(chǎng)。彭迎等[7]在計(jì)算高壓輸電線附近的工頻電場(chǎng)時(shí)，考慮了桿塔以及弧垂對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。張曉等[8]分析了d、e兩種型塔500kV同塔4回輸電線所有相序布置方式下的電磁環(huán)境，給出了兩種塔形的最優(yōu)相序布置建議，其研究結(jié)果表明，500kV同塔四回輸電線下方的工頻磁場(chǎng)遠(yuǎn)低于限值，而工頻電場(chǎng)有可能超過(guò)限值。

為降低輸電線下方的工頻電場(chǎng)，最簡(jiǎn)單直接的方法是提高導(dǎo)線對(duì)地高度。然而，由于特高壓線路輸送距離長(zhǎng)，若桿塔高度的冗余太大，將極大提高工程造價(jià)，造成不必要的浪費(fèi)。并且有些區(qū)域受地形或建筑物影響，其相線對(duì)地高度較低，導(dǎo)致電場(chǎng)超過(guò)限值，必須采用架設(shè)接地屏蔽線的方法降低電場(chǎng)強(qiáng)度[9-10]。本文針對(duì)500 kV同塔四回輸電線路下方工頻電場(chǎng)進(jìn)行研究，探討輸電線下方的工頻磁最大值與相線高度之間的關(guān)系，研究接地屏蔽線的數(shù)量、水平位置和距地高度對(duì)工頻電場(chǎng)的影響。

1 500kV輸電線路電磁環(huán)境的實(shí)測(cè)與仿真

基于國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議第36.01工作組推薦的等效電荷法[11]，用CDEGS軟件建立500kV輸電線路模型，并計(jì)算輸電線路下方的工頻電場(chǎng)。高壓輸電線路的輸送距離較長(zhǎng)，模型忽略弧垂和端部效應(yīng)，將輸電線路視為無(wú)限長(zhǎng)的平行直導(dǎo)線。由于工頻電場(chǎng)和工頻磁場(chǎng)相互之間的影響非常小，所以在計(jì)算工頻電場(chǎng)時(shí)忽略了工頻磁場(chǎng)的影響。另外，雖然電暈對(duì)線路下方的電場(chǎng)有加強(qiáng)作用，但是并不明顯[12]，計(jì)算忽略了電暈放電對(duì)輸電線下方工頻電場(chǎng)的影響。為了驗(yàn)證計(jì)算方法的可靠性，對(duì)500kV羅北乙線輸電線路下方的工頻電場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)，并將實(shí)測(cè)結(jié)果和CDEGS軟件的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試點(diǎn)位于羅北乙線4～5號(hào)塔之間，距4號(hào)塔160m，測(cè)量點(diǎn)距地面1.5m高度，測(cè)試方向垂直于線路走向。測(cè)試時(shí)各相線的電流電壓值如表1所示。

表1 500kV羅北乙線運(yùn)行參數(shù)

根據(jù)輸電線路的相線排列方式及運(yùn)行參數(shù)建立輸電線仿真模型并計(jì)算測(cè)試點(diǎn)的工頻電場(chǎng)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比如圖1所示。圖中的“×”號(hào)代表電場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，曲線代表電場(chǎng)仿真計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，采用CDEGS軟件計(jì)算的工頻電場(chǎng)與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，計(jì)算結(jié)果可信。

圖1 500kV羅北乙線工頻電場(chǎng)計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

2 相線高度對(duì)同塔四回線路下方工頻電場(chǎng)最大值的影響

500kV同塔四回線輸電路常見(jiàn)的塔型有d塔型和e塔型兩種，在數(shù)值計(jì)算時(shí)建立的線路模型如圖2所示。模型采用文獻(xiàn)[8]推薦的最優(yōu)相序，導(dǎo)線采用LGJ-400/35型鋼芯鋁絞線，中性線采用JLB40A-150型鋁包鋼絞線。圖2中的x軸垂直于輸電線走向，以桿塔中軸線的位置為零點(diǎn)。y軸為豎直方向，以地面為零點(diǎn)，模型中最低的4根相線的水平位置分別為-22.5m、-11m、11m和22.5m，高度都是h。基于該模型，用CDEGS軟件計(jì)算輸電線路下方的工頻電場(chǎng)。

計(jì)算時(shí)所選取的觀測(cè)線平行于圖2的x軸方向，距地面1.5m高度。在此觀測(cè)線上，工頻電場(chǎng)的強(qiáng)度以（x=0）為中心對(duì)稱分布，從安全角度考慮，只記錄工頻電場(chǎng)的最大值。通過(guò)改變傳輸線路模型中最低相線的高度（從12～30 m，以0.5 m為間隔），可以得到觀測(cè)線上工頻電場(chǎng)最大值與最低相線高度之間的關(guān)系。考慮到分裂數(shù)、分裂半徑和相間距對(duì)工頻電場(chǎng)都有影響[13]，分析時(shí)分別改變模型中的分裂數(shù)、分裂間距和相間距來(lái)研究工頻電場(chǎng)最大值與最低相線高度之間的關(guān)系。

圖3是不同分裂數(shù)條件下的相線高度與最大電場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系，分裂間隔為0.5m，相間距21m。可以看出，分裂數(shù)越少，輸電線下方的電場(chǎng)強(qiáng)度越小。采用二分裂時(shí)，最低相線距地高度大于19m可使最大電場(chǎng)強(qiáng)度小于4kV/m；采用六分裂時(shí)，最低相線距地高度大于22m可使最大電場(chǎng)強(qiáng)度小于4kV/m。

圖2 500kV同塔四回輸電線路模型

圖4是不同分裂半徑條件下的相線高度與最大電場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系，采用四分裂，相間距21m?？梢钥闯?，分裂半徑越小，輸電線下方的電場(chǎng)強(qiáng)度越小。當(dāng)分裂半徑為0.4m時(shí)，最低相線距地高度大于22m可使最大電場(chǎng)強(qiáng)度小于4kV/m；當(dāng)分裂半徑為0.6m時(shí)，最低相線距地高度大于23m可使最大電場(chǎng)強(qiáng)度小于4kV/m。

圖5是不同相間距條件下的相線高度與最大電場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系，采用四分裂，分裂半徑0.5m?？梢钥闯?，相間距越小，輸電線下方的電場(chǎng)強(qiáng)度越小，但是相間距對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度的影響相對(duì)較小。相間距19 m時(shí)，最低相線距地高度大于21.4m可使最大電場(chǎng)強(qiáng)度小于4 kV/m；相間距21m時(shí)，最低相線距地高度大于22m可使最大電場(chǎng)強(qiáng)度小于4kV/m。

綜合以上3種條件下的結(jié)果，對(duì)于e塔型500kV同塔四回輸電線路，當(dāng)最低相線距地高度大于23 m時(shí)，足以使其下方的工頻電場(chǎng)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值。

用同樣的方法建立d塔型500 kV同塔四回輸電線路模型，可得到最低相線距地高度大于20m時(shí)，足以使其下方的工頻電場(chǎng)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值。

3 輸電線下方工頻電場(chǎng)屏蔽模擬與分析

由前面的分析可知，對(duì)于e塔型和d塔型500kV同塔四回輸電線路，由于特殊地形或建筑物的影響，有可能使最低相線距地高度低于安全相線距地高度（23m和20m），工頻電場(chǎng)超過(guò)4kV/m的限值。因此必須采取屏蔽措施。本文采用CDEGS軟件建立傳輸線模型，重點(diǎn)討論屏蔽線降低工頻電場(chǎng)的措施。

3.1 屏蔽線數(shù)量對(duì)工頻電場(chǎng)的影響

輸電線模型如圖2所示，假設(shè)輸電線的最低相線距地19m。分別考慮架設(shè)1，3，5根屏蔽線對(duì)工頻電場(chǎng)的影響。為分析方便，屏蔽線架設(shè)高度統(tǒng)一為距地10m。屏蔽線的水平位置分別為：

1根屏蔽線：塔中軸線；

3根屏蔽：塔中軸線1根，兩側(cè)各1根（距中心10m）；

圖3 不同分裂數(shù)情況下，相線高度對(duì)最大電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

圖4 不同分裂間距情況下，相線高度對(duì)最大電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

圖5 不同相間距情況下，相線高度對(duì)最大電場(chǎng)強(qiáng)度的影響

圖6 不同屏蔽線數(shù)量的工頻電場(chǎng)分布

圖7 不同屏蔽線水平位置的工頻電場(chǎng)分布

圖8 不同屏蔽線高度的工頻電場(chǎng)分布

5根屏蔽線：塔中軸線1根，兩側(cè)各2根（距中心10m、13m）。

對(duì)于e塔型線路，觀測(cè)線上的工頻電場(chǎng)分布如圖6所示。沿塔中軸線架設(shè)1根屏蔽線對(duì)中軸線正下方的電場(chǎng)有較明顯屏蔽作用，可將最大電場(chǎng)強(qiáng)度由4.77kV/m降至4.16kV/m。當(dāng)使用3根屏蔽線時(shí)，中軸線處的工頻電場(chǎng)最大值可降至限值以下的2.94 kV/m。距中軸線約23m處也存在較強(qiáng)的電場(chǎng)，需要架設(shè)5根屏蔽線，才能使該位置的工頻電場(chǎng)降到限值以下。

3.2 屏蔽線水平位置對(duì)工頻電場(chǎng)的影響

圖7給出了e塔型線路下方屏蔽線的水平位置對(duì)電場(chǎng)屏蔽效果的影響。采用3根屏蔽線，線的位置為沿中軸線1根，對(duì)稱分布在塔身中軸線兩側(cè)各1根。計(jì)算了兩側(cè)的屏蔽線分別距中軸線13m、15m和17m時(shí)線路下方的工頻電場(chǎng)。

當(dāng)兩側(cè)的屏蔽線距中軸線13～17m時(shí)，對(duì)線路中軸線處及距中軸線23 m處的電場(chǎng)峰值均具有較好的屏蔽效果，只需要3根屏蔽線即可使觀測(cè)線上的電場(chǎng)低于4kV/m。綜合考慮整個(gè)觀測(cè)線上的電場(chǎng)屏蔽效果，當(dāng)兩側(cè)的屏蔽線距中軸線15 m時(shí)，屏蔽效果最好。

3.3 屏蔽線高度對(duì)工頻電場(chǎng)的影響

圖8給出了e塔型線路下方屏蔽線的高度對(duì)工頻電場(chǎng)的影響。采用3根屏蔽線，線的位置為沿中軸線1根，對(duì)稱分布在塔身中軸線兩側(cè)距中軸線15m各1根，計(jì)算屏蔽線距地面6m、8 m和10 m時(shí)的工頻電場(chǎng)。計(jì)算結(jié)果表明，屏蔽線高度對(duì)中軸線兩側(cè)下方較強(qiáng)工頻電場(chǎng)屏蔽效果的影響較小，對(duì)中軸線正下方工頻電場(chǎng)屏蔽效果的影響較大。當(dāng)屏蔽線高度為10m時(shí)，對(duì)工頻電場(chǎng)峰值的屏蔽效果最好。

綜上所述，對(duì)于e塔型500kV同塔四回輸電線路，沿塔中軸線架設(shè)1根屏蔽線即可對(duì)中軸線處的電場(chǎng)峰值起到較明顯屏蔽作用，但是對(duì)距中軸線23m處的電場(chǎng)峰值影響較小。在中軸線兩側(cè)15m處，10m高度各增加1根屏蔽線可以有效地降低整個(gè)觀測(cè)線上的工頻電場(chǎng)。

對(duì)于d塔型500kV同塔四回輸電線路，用同樣的方法研究了屏蔽線對(duì)工頻電場(chǎng)的屏蔽效果。模擬結(jié)果表明，沿塔中軸線架設(shè)1根屏蔽線，d塔型線路下方工頻電場(chǎng)幾乎沒(méi)有屏蔽效果，在架設(shè)兩側(cè)各架設(shè)1根屏蔽線時(shí)，有較明顯的屏蔽效果，工頻電場(chǎng)的最大值從5.5kV/m下降到3.8kV/m。3根屏蔽線的屏蔽效果與兩根屏蔽線的屏蔽效果幾乎無(wú)區(qū)別。架設(shè)5根屏蔽線時(shí)，工頻電場(chǎng)的最大值降低到了2.9kV/m。因此采用2根屏蔽線是較為經(jīng)濟(jì)有效的屏蔽方案，在工頻電場(chǎng)嚴(yán)重超標(biāo)的情況下可考慮使用5根屏蔽線。當(dāng)2根屏蔽線分別位于距中軸線兩側(cè)11m時(shí)，對(duì)工頻電場(chǎng)的屏蔽效果最好。當(dāng)2根屏蔽線的高度在6～14m之間變化時(shí)，對(duì)屏蔽效果的影響非常小，當(dāng)屏蔽線高度為10m時(shí)，對(duì)工頻電場(chǎng)的屏蔽效果最好。

4 結(jié)束語(yǔ)

使用CDEGS軟件建立了500kV同塔四回輸電線模型，并計(jì)算輸電線路下方距地面1.5m高處的工頻電場(chǎng)。通過(guò)改變模型的參數(shù)，研究不同分裂數(shù)、分裂間距和相間距條件下工頻電場(chǎng)最大值與最低相線高度之間的關(guān)系。研究了屏蔽線對(duì)工頻電場(chǎng)屏蔽效果的影響，提出了對(duì)于不同塔型、不同條件下的屏蔽措施，為工程施工提供了一定的參考依據(jù)。

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Simulating and reducing power-frequency electric field of 500kV quadruple-circuit transmission line on same tower

LIU Jia-wen1，ZHOU Qing-hua2，LI Li1，LI Tao2
（1.Electric Power Research Institute,Guangdong Power Grid Company，Guangzhou 510080，China；2.School of Physics and Electronic Sciences，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410004，China）

In orderto suppress the power-frequency electric field according to the limit requirementspecified in the nationalstandard and reduce the engineering costeffectively，computational models of 500kV quadruple-circuit transmission line on the same tower are used to evaluate the power-frequency electric field under the transmission lines.The relationship between peak field strength and the height of the phase line is analyzed quantitatively.The result can be used to suppress the power-frequency electric field according to the limit requirement specified in the national standard and reduce the engineering cost effectively.It can also be used as reference for engineering.The influences of quantity，horizontal position and height of shielding wire on the shielding effect are analyzed respectively，which provide some reference for the configuration of shielding wire.

500 kV；quadruple-circuit transmission line on same tower；power-frequency electric field；shielding wire

TM937.1；TM621.5；X830.2；X837

：A

：1674-5124（2014）01-0036-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.010

2013-06-19；

：2013-09-03

中國(guó)南方電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（K-GD2011-414）

劉嘉文（1983-），男，廣東廣州市人，工程師，碩士，主要從事電力系統(tǒng)電力環(huán)境保護(hù)及勞動(dòng)衛(wèi)生監(jiān)測(cè)工作。