500 kV超高压输电线路附近工频电场分析

王凯奇，赵亚韦，陈承伟，王 涵，邓传海

(1.东北电力大学电气工程学院，吉林吉林 132012;2.国网山西省电力公司，山西太原 030001)

0 引言

近年来，我国经济的迅速发展推动了对电力的极大需求，但我国能源分布和用电负荷的区域不对称性要求电力传输能够实现大容量远距离的输送。为了降低电力在输送过程中的损失和提高输电容量，相应线路的电压等级逐渐升高，500kV超高压输电线路已逐渐成为我国电力系统的主干网络，而电压等级更高的特高压输电工程在“十二五”期间也将得到较快的发展［1］。

随着输变电工程运行电压等级的升高，电磁环境干扰问题已逐渐暴露，高压输变电设备产生的电磁干扰对长期居住在输电线路附近居民的影响已引起了社会各界的关注。在这样的背景下，为了充分掌握高压输变电设备的电磁干扰情况，合理评估电磁干扰影响，降低人们对电磁干扰产生的不必要恐慌，笔者认为对输变电设备产生电磁干扰的影响因素进行分析，提出一些降低电磁干扰水平的具体措施很有必要。

本文运用工频电磁场理论研究高压输电线路下方的电磁环境问题，对500kV超高架空线路附近的工频电场进行了仿真研究。

1 计算方法和相关参数的选取

1.1 计算方法

对工频电场的计算主要采用有限差分法、有限元法、边界元法、矩量法和模拟电荷法［2－8］。在能满足实际工程精度要求的情况下，模拟电荷法由于其易于实现和对计算软件的配置要求较低等优点而被广泛采用。本文根据《500kV超高压输变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》(HJ/T 24－1998)附录A中的计算方法，应用MATLAB软件平台编制程序计算500kV超高压输电线路下方工频电场强度的分布。

1.2 500kV输电线路参数

本文以500kV超高压输电线路为例，将架空输电线路看成平直导线，以弧垂最低点为架空线离地高度。选取弧垂最低点下方向外延生50m范围内离地高度为1.5m处作为观测点。表1列出了500kV输电线路导线及避雷线的计算参数。

表1 线路计算参数

图1所示为500kV导线及地线布置图。导线水平排列时两边相导线相距22m，地线相距18m;三角形排列时两边相导线相距13m，地线相距10m;竖直排列时相间距离为7m，导线弧垂最低点离地高度20m。

图1 导线排列示意

2 工频电场的影响因素分析

2.1 导线布置形式对输电线路附近工频电场影响

以图1为例，研究不带避雷线时输电线路附近工频电场的分布与导线不同排列方式的关系，仿真结果见图2。

图2 四种排列方式时的地面电场分布图

从图2可知，导线的不同布置方式对地面电场有较大影响。水平、正三角型排列时地面电场分布出现双峰值，分别发生在两边相导线正下方，且水平排列时的电场峰值较其他排列方式时相同观测点处的电场峰值都大，垂直排列时峰值发生在线路中心正下方且电场集中分布在线路中心20m范围内，随着向线路外侧延伸电场值较小。综上所述，倒三角型排列时电场强度较相同观测点处其他排列方式下的都相对较小，且分布曲线下降较缓。

2.2 避雷线的影响

对比有无避雷线对地面场强的影响，仿真结果见图3～图6。从图中可知，带避雷线与不带避雷线相比，水平排列带避雷线时观测点处地面电场强度有所降低，其他三种排列方式带避雷线时观测点处电场强度有所上升，但总体上带避雷线与不带避雷线时相比地面电场的变化很小。由此可知，避雷线对地面电场的影响较小。

图3 水平排列方式下地面电场有无避雷线时的比较

图4 正三角排列方式下地面电场有无避雷线时的比较

图5 倒三角排列方式下地面电场有无避雷线时的比较

图6 垂直排列方式下地面电场有无避雷线时的比较

2.3 不平衡负荷的影响

当系统运行在过负荷、短路、断线等异常情况下时系统的电压、电流必然会发生改变，进而会影响输电线路附近的工频电磁场变化。对于三相不平衡系统可以应用对称分量法将电压、电流分为正序分量、负序分量和零序分量，再将正序、负序、零序分量产生的电磁场叠加［9－10］即可求出不平衡负荷对输电线路附近电磁场的影响。

本文以图1所示的四种排列方式为例，研究A相发生故障使负荷不平衡时对线路附近工频电场的影响。其中A相线电压降低为25kV，电流为3kA，其他参数仍如表1，仿真结果如图7。

图7 不平衡负荷时的地面电场分布

从图7可知，四种排列方式下当A相发生故障时地面电场强度分布与正常情况下相比有显著差异，A相故障时电场强度主要集中在输电线路走廊－20m到20m宽度范围内，水平排列和倒三角形排列时观测点处电场峰值较正常负荷时有显著上升，而正三角形排列和垂直排列时观测点处的电场峰值下降了30%左右。

3 降低工频电场的措施

对于降低输电线路下方工频电场的方法在很多文献中已经提出［11－13］，这些方法主要有:增加导线对地高度;改变导线间距;合理选择导线布置方式;同塔多回路时优化相序排列;线路下方架设屏蔽线等。本文主要对线路下方架设屏蔽线时对地面电场的屏蔽效果进行了仿真分析。

3.1 屏蔽线对线路下方工频电场的屏蔽作用

仿真分析改变屏蔽线架设高度和宽度时对线路下方工频电场屏蔽作用，仿真模型见图8。

图8 500kV杆塔双回路模型

3.1.1 架设宽度对线路下方工频电场的屏蔽作用

图8中当两根屏蔽线架设最低相下方3.5m处，改变架设宽度d(即屏蔽线到杆塔中心的距离)时，得到仿真结果见图9。从图9中可知，屏蔽线对地面电场有很好的屏蔽作用，随着屏蔽线离杆塔中心的距离改变，地面观测点处的电场强度也随着改变，当屏蔽线在最低相正下方附近(即离杆塔的距离d=7.2m)时地面电场最小。

图9 宽度改变时地面电场分布

3.1.2 架设高度对线路下方工频电场的屏蔽作用

图8中当d取7.2m改变屏蔽线离最低相的距离H时，仿真结果见图10。从图10可知，随着屏蔽线高度的降低，地面场强有所降低，但屏蔽线高度降低到一定程度后地面场强又随之上升，本例中屏蔽线离最低相3.5m时屏蔽效果最理想。

图10 高度改变时地面电场分布

屏蔽线对输电线路附近电场的影响和屏蔽线离杆塔中心的距离及离输电导线的距离都有关系，只有合理选择屏蔽线的位置才能达到理想效果。

3.2 不同电压等级同塔多回时低压输电线路的屏蔽作用

同塔多回路时优化线路的相序排列可以降低线路下方的电场强度，其中逆相序排列时线路下方的电场强度最低［14－15］。本文根据这一特性仿真研究了500kV和220kV输电线路同塔并架时220kV输电线路对500kV线路产生电场的屏蔽作用。仿真模型见图11，ABC为500kV线路abc为220kV线路，采用逆相序排列。

图11 仿真模型

图12 高低压同塔并架时地面电场分布

图12为仿真结果，其中曲线1为只架设500kV时的仿真曲线，曲线2为只架设220kV时的仿真曲线，曲线3为500kV和220kV同塔并架时的仿真曲线。从仿真结果可知，同塔并架时下层电压等级较低的输电线路对电压等级较高的输电线路产生的电场有很好的屏蔽作用，且屏蔽效果比较理想。

4 结语

对500kV超高压架空线路附近工频电场的仿真与分析结果表明，导线布置形式、避雷线、不平衡负载等都对输电线路附近的电磁场有一定影响。通过改变屏蔽线的架设宽度和高度能够最优化地屏蔽电场强度，另外同塔多回路时较低电压输电线路对较高电压输电线路产生的电场有很好的屏蔽作用。

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