输电线路设计中的电磁环境要求

2011-05-31姚元玺窦婷婷

山东电力技术 2011年1期

姚元玺,张慧，窦婷婷

（1.山东电力工程咨询院有限公司，山东济南 250013；2.济南铁道职业技术学院，山东济南250013）

0 引言

GB 50545-2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》国家标准14条强制性条文中，4条涉及电磁环境和房屋问题。随着山东电网的完善，已建高压输电线路遍布山东各地，新辟高压输电线路走廊难度日益增加，个别新建线路走廊涉及搬迁大量居民房屋，民事工作困难。因此，在国家对环境保护日益重视和建设和谐社会的要求下，有必要明确高压输电线路设计中的电磁环境要求及其控制下的邻近或跨越房屋时的对地距离要求。

1 新建高压送电线路路径选择困难性分析

1.1 地方规划部门的制约

随着经济的发展，地方规划部门对输电线路的路径审批非常严格，逐渐成为路径选择的决定性因素。规划部门指定的路径，多牺牲了线路长度、地形地貌、地质、冰区等因素，折衷协调的过程比较漫长，对线路建设前期的审批周期影响较大。同时随着国家新农村建设的逐步推进，新农村社区规划渐成规模，山东各地新型农村社区建设也在逐步开展。农村社区的建设，势必带来农村原来村庄的搬迁，往往规划部门指定的线路走廊，需穿越拟拆迁村庄，由于村庄拆迁的时间往往不明确，如果高压线路建设在前，又需协商拆迁费用的分摊问题，路径选择问题变得复杂化。

1.2 居民危险意识和法律意识的增强

虽然国家标准中对不同电压等级的输电线路与邻近的居民房屋距离有明确的要求，但随着居民法律意识的增强，以及对恶劣气象条件下高压线路的电晕放电等现象的心理疑虑和困惑，邻近村庄的高压线路建设遇到很大的困难。政府部门也开始明确要求高压线路需远离村庄和居民房屋，但往往路径受其他因素的限制，相关部门或居民要求的距离和规程要求的距离相差很大，给设计阶段中的路径选择造成很大的困难。

综上所述，有必要结合2010年7月1日实施的GB 50545-2010《110 kV～750 kV架空输电线路设计规范》国家标准的要求，明确给出不同电压等级的输电线路与邻近居民房屋时的距离要求，以消除居民的心理疑虑，使线路路径选择努力做到安全可靠、环境友好，经济合理。

2 电磁环境简单介绍

架空送电线路的电磁环境问题主要考虑工频电场及静电感应，工频磁场及电磁感应、无线电（电视）干扰、可听噪声等因素。

2.1 工频电场

输电线路的导线存在电压，使导线与大地之间形成电场，距输电线路导线越近电场强度越强，随着与导线间距的增加，电场强度降低很快，在距地面2m以内的空间，电场分布基本均匀。

电场强度为衡量工频电场的强弱，没受人体和周围影响称为非畸变电场，当电场中有人或物体存在时使空间电场发生畸变，称为畸变电场。

2.2 工频磁场

输电线路运行时，导线中的电流在周围空间产生磁场，磁场一般不受周围物体的影响，只有铁磁性物体才会使磁场产生畸变。

2.3 电晕放电

架空输电线路当导线表面电场强度超过一定限值时，导线表面对周围空气产生游离，使导线表面放电，阴雨天晚上可以看到导线表面有淡蓝色亮度的低微的光，称为电晕放电现象。

2.4 无线电干扰

由于高压架空送电线的导线上沿线 “均匀地”出现电晕放电和电流注入点，导线中形成一种脉冲重复率很高的“稳态”电流，即无线电干扰场。

2.5 可听噪声

导线周围空气电离放电时，产生的可能使线路附近居民和工作人员感到烦躁不安，严重时可使人难以忍受的噪声。

3 国家标准对电磁环境和输电线路邻近居民房屋时的要求

3.1 无线电干扰要求

GB 50545-2010中5.0.4要求：海拔不超过1 000m时，距输电线路边相导线投影外20m处且离地2m高且频率为0.5MHz时的无线电干扰限值应符合表1规定。

表1 无线电干扰限值

3.2 可听噪声要求

GB 50545-2010中5.0.5要求：海拔不超过1 000m时，距输电线路边相导线投影外20m处，湿导线条件下的可听噪声限值应符合表2规定。

表2 可听噪声限值

3.3 邻近或跨越房屋时的要求

GB 50545-2010强条13.0.4要求：输电线路不应跨越屋顶为可燃材料的建筑物。对耐火屋顶的建筑物，如需跨越时应与有关方面协商同意，500 kV及以上输电线路不应跨越长期住人的建筑物。最大计算弧垂情况下，导线与建筑物之间的最小垂直距离，应符合表3规定。

表3 导线与建筑物之间的最小垂直距离（跨越房屋时）

最大计算风偏情况下，边导线与建筑物之间的最小净空距离，应符合表4的规定。

表4 边导线与建筑物之间的最小净空距离（邻近房屋时）

无风情况下，边导线与建筑物之间的水平距离，应符合表5规定。

表5 边导线与建筑物之间的水平距离（无风时）

3.4 地面电场强度的要求

GB 50545-2010中13.0.5要求：500 kV及以上输电线路跨越非长期住人的建筑物或邻近民房时，房屋所在位置离地面1.5 m处的未畸变电场不得超过4 kV/m。

由上述可以明确以下几点：

1）500 kV以下输电线路，一般不允许跨越住人房屋（不区分长期住人和非长期住人）。如果必须跨越，除与相关方协商同意后，还需满足跨越距离的要求。

2）500 kV及以上输电线路，不允许跨越长期住人房屋。

3）500 kV及以上输电线路，允许跨越非长期住人房屋，如果跨越，需同时满足跨越距离和地面电场强度的要求。

同时存在的问题有：

1）输电线路邻近民房时，如果满足表1～5的要求时，是否满足房屋所在位置离地面1.5m处的未畸变电场不超过4 kV/m的要求。

2）输电线路邻近民房时，同时满足表1～5和房屋所在位置离地面1.5m处的未畸变电场不超过4 kV/m的要求时，其对地距离和走廊宽度如何确定。

解决上述两个问题可应对下列问题：

1）设计阶段确定线路邻近居民房屋时的对地距离，避免对地距离不足引起房屋附近电场强度超过限值，对地距离过大造成资源的浪费。

2）建设或运行阶段，判断线路附近新出现的障碍物是否满足规程的要求，从而制定处理障碍物的措施。

4 电磁环境控制下的走廊范围和对地距离确定

虽然国家标准中针对设计阶段，给出了跨越或邻近民房时的要求，但由于输电线路从可研设计至施工建设完成，往往跨度时间较长，如何处理工程建设完毕后新出现的房屋，尤其是满足表1～5的距离要求而在线路保护区范围内，电场强度是否满足要求，为运行单位尤为关心的问题，因此有必要给出电磁环境控制下的走廊范围。

由于地面电场强度随着线路对地距离增加而明显衰减，因此电磁环境控制下的走廊范围和对地距离密切相关。

针对山东境内的电压等级，给出了220 kV和500 kV输电线路，以无线电干扰限值、可听噪声限值、地面电场强度限值为控制条件，满足电磁环境控制条件下的走廊宽度范围和对地距离要求，分别描述如下。

4.1 计算输入参数

表6 双回路计算输入参数

表7 单回路计算输入参数

4.2 计算方法

4.2.1 地面场强计算

输电线路下的电场计算，主要分两个步骤：首先采用逐次镜像法计算单位长度导线上的电荷Q；其次计算由这些电荷产生的地面合成场强。

计算多导线线路中单位导线上的等效电荷Q，通过电压U和麦克斯韦电位系数矩阵P用以下方程求解

式中：P、Q、U分别为各导线电位系数、各导线等效电荷、各导线对地电压矩阵，当各导线单位长度的等效电荷求出后，空间任一点的电场强度可根据叠加原理计算得出，在（x,y）点的电场强度分量Ex和Ey可表示为

式中：Xi，Yi为导线 i的坐标；Li，L′i分别为导线i及其镜像到计算点P的距离。

4.2.2 无线电干扰计算

无线电干扰水平的预估，采用1986年版的CISPR18-3推荐的经验法，公式如下：

式中：E为距导线直接距离20m并离地2m处的无线电干扰场强；gmax为导线表面最大场强电位梯度有效值，范围为12～20 kV/cm；r为子导线半径。

式（4）的计算结果代表了好天气下0.5MHz的无线电干扰平均值。

4.2.3 可听噪声计算

采用美国BPA推荐的预测公式。美国BPA推荐的特高压输电线路的可听噪声的预估公式

其中：Z 为相数；SLA 为 A 计权声级；PWL（i）为 i相导线的声功率级；Ri为测点至被测i相导线的距离。式（5）中的PWL按下式计算

式（6）中 E 为导线的表面梯度（kV/cm），deq 为等效直径， dep=0.58×n0.58×d（n＞4）

式中：n为分裂根数，d为次导线直径，mm。

这个预测公式对于分裂间距为30～50 cm，导线表面梯度为10～25 kV/cm的常规对称分裂导线均是有效的。

4.3 计算结果

根据4.2节计算方法的描述，利用我院编制的电磁环境计算程序，分别对500 kV和220 kV单双回路进行了计算，计算塔型采用工程上常用的塔型，计算结果如表8～11。

表8 220 kV同塔双回路电磁计算结果

表9 220 kV单回路电磁计算结果

表10 500 kV同塔双回路电磁计算结果

表11 500 kV单回路电磁计算结果

由表8～11可以得出以下结论：

1）220 kV双回输电线路无线电干扰最大值为37.5μV/m，可听噪声值最大值为28 dB，远小于规程要求的53μV/m和55 dB，线路走廊宽度由地面电场强度控制。

由表8可知：

当线路跨越房屋时，同相序排列对地距离分别不小于12.5m，逆相序不小于9.5m时，可以控制地面电场强度小于4 kV/m，此值可做为跨越房屋时的距离参考值。

当线路邻近房屋时，规程要求边导线距房屋最小距离为2.5m，此时走廊宽度为17m，要求同相序对地距离不小于8.5m、逆相序不小于7.5m，可以控制走廊宽度范围内地面电场强度小于4 kV/m，此值可做为邻近房屋时的距离参考值。

2）220 kV单回输电线路无线电干扰最大值为34.7μV/m，可听噪声值最大值为23.7 dB，小于规程要求的53μV/m和55 dB，线路走廊宽度由地面电场强度控制。

由表9可知：

当线路跨越房屋时，对地距离不小于9.5m时，可以控制地面电场强度小于4 kV/m，此值可做跨越房屋时的距离参考值。

当线路邻近房屋时，规程要求边导线距房屋最近点为2.5m，此时走廊宽度为15.2m，要求对地距离不小于9.5m时，可以控制走廊宽度范围内地面电场强度小于4 kV/m，此值可做邻近房屋时的距离参考值。

3）500 kV双回输电线路无线电干扰最大值为47.8μV/m，可听噪声值最大值为47.7 dB，小于规程要求的55μV/m和55 dB，线路走廊宽度由地面电场强度控制。

由表10可知：

当线路跨越房屋时，同相序排列对地距离分别不小于27m，逆相序不小于18m时，可以控制地面电场强度小于4 kV/m，此值可做跨越房屋时的距离参考值。

当线路邻近房屋时，规程要求边导线距房屋最近点为5 m，此时走廊宽度为34 m，要求同相序对地距离分别不小于17m、逆相序不小于14m，可以控制走廊宽度范围内地面电场强度小于4 kV/m，此值可做邻近房屋时的距离参考值。

4）500 kV单回输电线路无线电干扰最大值为47.0μV/m，可听噪声值最大值为45.4 dB，小于规程要求的55μV/m和55 dB；线路走廊宽度由地面电场强度控制。

由表11可知：

当线路跨越房屋时，对地距离不小于18m时，可以控制地面电场强度小于4 kV/m，此值可做跨越房屋时的距离参考值。

当线路邻近房屋时，规程要求边导线距房屋最近点为5m，此时走廊宽度为24.2m，要求对地距离不小于18m时，可以控制走廊宽度范围内地面电场强度小于4 kV/m，此值可做邻近房屋时的距离参考值。

5）由表8和表10可以看出，同塔双回路同相序和逆相序排列时，对地面电场强度影响比较大，对地距离最大差值达9m。相关计算表明，逆相序排列方式在地面工频电场强度、线路不平衡度、过电压水平、潜供电流、恢复电压、线路走廊宽度等方面占优。同相序排列方式在导线表面电场强度、无线电干扰、可听噪声和电晕损失等方面占优。因此，同塔双回路，为减少地面电场强度和不平衡电流，推荐采用逆相序排列。