500kV同塔四回输电线路下工频电场模拟与防护

刘嘉文，周庆华，李 丽，李 涛

（1.广东电网公司电力科学研究院，广东 广州 510080；2.长沙理工大学物理与电子科学学院，湖南 长沙 410004）

500kV同塔四回输电线路下工频电场模拟与防护

刘嘉文1，周庆华2，李 丽1，李 涛2

（1.广东电网公司电力科学研究院，广东 广州 510080；2.长沙理工大学物理与电子科学学院，湖南 长沙 410004）

为使输电线路下方的工频电场符合国家限值要求的同时有效降低工程造价，建立500kV同塔四回输电线路模型，计算不同条件下线路下方的工频电场，得到工频电场最大值与相线高度之间的关系，提出500kV同塔四回输电线路下方工频电场的防护措施，为在工频电场超过限值的区域架设屏蔽线提供参考方案。

500kV；同塔四回输电线路；电场强度；屏蔽线

0 引言

随着我国的城市化进程的不断推进，输变电工程越来越接近公众活动区域，甚至进入市区，在高压线周围，导线上的电荷产生工频电场，导线内的电流产生工频磁场，由其带来的电磁污染已引起社会各方面的广泛关注[1]。国内相关标准推荐居民区工频电场应低于4kV/m，工频磁场应低于0.1mT[2-3]。对于输电线下方的工频电磁场，如果仅采用建设完成后现场测量方法进行评估，一旦出现工频电磁场超标的情况将影响正常的电力运行生产。采用数值方法计算工频电磁场，可以在设计阶段准确评估输电线路的电磁环境，或对现有线路提出恰当的改善措施，是国内外研究的热点。1972年，H.Singer等[4]提出了用等效电荷法计算电场的方法，该方法被国际大电

网会议第36.01工作组推荐为输电线路下方工频电场的数值计算方法。R.Olsen等[5]基于麦克斯韦方程组分析了高压线附近的工频电磁场，研究结果证明，由于频率极低（50Hz），工频电场与工频磁场可被视为相互独立。国内学者对特高压输变电设备周围工频电磁场的数值模拟研究方面也已取得重要成果。万保权等[6]采用等效电荷法计算了两种不同塔型的500kV同塔四回输电线路在不同导线排列方式情况下的工频电场。彭迎等[7]在计算高压输电线附近的工频电场时，考虑了杆塔以及弧垂对计算结果的影响。张晓等[8]分析了d、e两种型塔500kV同塔4回输电线所有相序布置方式下的电磁环境，给出了两种塔形的最优相序布置建议，其研究结果表明，500kV同塔四回输电线下方的工频磁场远低于限值，而工频电场有可能超过限值。

为降低输电线下方的工频电场，最简单直接的方法是提高导线对地高度。然而，由于特高压线路输送距离长，若杆塔高度的冗余太大，将极大提高工程造价，造成不必要的浪费。并且有些区域受地形或建筑物影响，其相线对地高度较低，导致电场超过限值，必须采用架设接地屏蔽线的方法降低电场强度[9-10]。本文针对500 kV同塔四回输电线路下方工频电场进行研究，探讨输电线下方的工频磁最大值与相线高度之间的关系，研究接地屏蔽线的数量、水平位置和距地高度对工频电场的影响。

1 500kV输电线路电磁环境的实测与仿真

基于国际大电网会议第36.01工作组推荐的等效电荷法[11]，用CDEGS软件建立500kV输电线路模型，并计算输电线路下方的工频电场。高压输电线路的输送距离较长，模型忽略弧垂和端部效应，将输电线路视为无限长的平行直导线。由于工频电场和工频磁场相互之间的影响非常小，所以在计算工频电场时忽略了工频磁场的影响。另外，虽然电晕对线路下方的电场有加强作用，但是并不明显[12]，计算忽略了电晕放电对输电线下方工频电场的影响。为了验证计算方法的可靠性，对500kV罗北乙线输电线路下方的工频电场进行了实测，并将实测结果和CDEGS软件的仿真结果进行对比。测试点位于罗北乙线4～5号塔之间，距4号塔160m，测量点距地面1.5m高度，测试方向垂直于线路走向。测试时各相线的电流电压值如表1所示。

表1 500kV罗北乙线运行参数

根据输电线路的相线排列方式及运行参数建立输电线仿真模型并计算测试点的工频电场，计算结果与实测结果的对比如图1所示。图中的“×”号代表电场实测数据，曲线代表电场仿真计算结果。可以看出，采用CDEGS软件计算的工频电场与实测结果基本一致，计算结果可信。

图1 500kV罗北乙线工频电场计算与实测结果对比

2 相线高度对同塔四回线路下方工频电场最大值的影响

500kV同塔四回线输电路常见的塔型有d塔型和e塔型两种，在数值计算时建立的线路模型如图2所示。模型采用文献[8]推荐的最优相序，导线采用LGJ-400/35型钢芯铝绞线，中性线采用JLB40A-150型铝包钢绞线。图2中的x轴垂直于输电线走向，以杆塔中轴线的位置为零点。y轴为竖直方向，以地面为零点，模型中最低的4根相线的水平位置分别为-22.5m、-11m、11m和22.5m，高度都是h。基于该模型，用CDEGS软件计算输电线路下方的工频电场。

计算时所选取的观测线平行于图2的x轴方向，距地面1.5m高度。在此观测线上，工频电场的强度以（x=0）为中心对称分布，从安全角度考虑，只记录工频电场的最大值。通过改变传输线路模型中最低相线的高度（从12～30 m，以0.5 m为间隔），可以得到观测线上工频电场最大值与最低相线高度之间的关系。考虑到分裂数、分裂半径和相间距对工频电场都有影响[13]，分析时分别改变模型中的分裂数、分裂间距和相间距来研究工频电场最大值与最低相线高度之间的关系。

图3是不同分裂数条件下的相线高度与最大电场强度之间的关系，分裂间隔为0.5m，相间距21m。可以看出，分裂数越少，输电线下方的电场强度越小。采用二分裂时，最低相线距地高度大于19m可使最大电场强度小于4kV/m；采用六分裂时，最低相线距地高度大于22m可使最大电场强度小于4kV/m。

图2 500kV同塔四回输电线路模型

图4是不同分裂半径条件下的相线高度与最大电场强度之间的关系，采用四分裂，相间距21m。可以看出，分裂半径越小，输电线下方的电场强度越小。当分裂半径为0.4m时，最低相线距地高度大于22m可使最大电场强度小于4kV/m；当分裂半径为0.6m时，最低相线距地高度大于23m可使最大电场强度小于4kV/m。

图5是不同相间距条件下的相线高度与最大电场强度之间的关系，采用四分裂，分裂半径0.5m。可以看出，相间距越小，输电线下方的电场强度越小，但是相间距对电场强度的影响相对较小。相间距19 m时，最低相线距地高度大于21.4m可使最大电场强度小于4 kV/m；相间距21m时，最低相线距地高度大于22m可使最大电场强度小于4kV/m。

综合以上3种条件下的结果，对于e塔型500kV同塔四回输电线路，当最低相线距地高度大于23 m时，足以使其下方的工频电场低于国家标准限值。

用同样的方法建立d塔型500 kV同塔四回输电线路模型，可得到最低相线距地高度大于20m时，足以使其下方的工频电场低于国家标准限值。

3 输电线下方工频电场屏蔽模拟与分析

由前面的分析可知，对于e塔型和d塔型500kV同塔四回输电线路，由于特殊地形或建筑物的影响，有可能使最低相线距地高度低于安全相线距地高度（23m和20m），工频电场超过4kV/m的限值。因此必须采取屏蔽措施。本文采用CDEGS软件建立传输线模型，重点讨论屏蔽线降低工频电场的措施。

3.1 屏蔽线数量对工频电场的影响

输电线模型如图2所示，假设输电线的最低相线距地19m。分别考虑架设1，3，5根屏蔽线对工频电场的影响。为分析方便，屏蔽线架设高度统一为距地10m。屏蔽线的水平位置分别为：

1根屏蔽线：塔中轴线；

3根屏蔽：塔中轴线1根，两侧各1根（距中心10m）；

图3 不同分裂数情况下，相线高度对最大电场强度的影响

图4 不同分裂间距情况下，相线高度对最大电场强度的影响

图5 不同相间距情况下，相线高度对最大电场强度的影响

图6 不同屏蔽线数量的工频电场分布

图7 不同屏蔽线水平位置的工频电场分布

图8 不同屏蔽线高度的工频电场分布

5根屏蔽线：塔中轴线1根，两侧各2根（距中心10m、13m）。

对于e塔型线路，观测线上的工频电场分布如图6所示。沿塔中轴线架设1根屏蔽线对中轴线正下方的电场有较明显屏蔽作用，可将最大电场强度由4.77kV/m降至4.16kV/m。当使用3根屏蔽线时，中轴线处的工频电场最大值可降至限值以下的2.94 kV/m。距中轴线约23m处也存在较强的电场，需要架设5根屏蔽线，才能使该位置的工频电场降到限值以下。

3.2 屏蔽线水平位置对工频电场的影响

图7给出了e塔型线路下方屏蔽线的水平位置对电场屏蔽效果的影响。采用3根屏蔽线，线的位置为沿中轴线1根，对称分布在塔身中轴线两侧各1根。计算了两侧的屏蔽线分别距中轴线13m、15m和17m时线路下方的工频电场。

当两侧的屏蔽线距中轴线13～17m时，对线路中轴线处及距中轴线23 m处的电场峰值均具有较好的屏蔽效果，只需要3根屏蔽线即可使观测线上的电场低于4kV/m。综合考虑整个观测线上的电场屏蔽效果，当两侧的屏蔽线距中轴线15 m时，屏蔽效果最好。

3.3 屏蔽线高度对工频电场的影响

图8给出了e塔型线路下方屏蔽线的高度对工频电场的影响。采用3根屏蔽线，线的位置为沿中轴线1根，对称分布在塔身中轴线两侧距中轴线15m各1根，计算屏蔽线距地面6m、8 m和10 m时的工频电场。计算结果表明，屏蔽线高度对中轴线两侧下方较强工频电场屏蔽效果的影响较小，对中轴线正下方工频电场屏蔽效果的影响较大。当屏蔽线高度为10m时，对工频电场峰值的屏蔽效果最好。

综上所述，对于e塔型500kV同塔四回输电线路，沿塔中轴线架设1根屏蔽线即可对中轴线处的电场峰值起到较明显屏蔽作用，但是对距中轴线23m处的电场峰值影响较小。在中轴线两侧15m处，10m高度各增加1根屏蔽线可以有效地降低整个观测线上的工频电场。

对于d塔型500kV同塔四回输电线路，用同样的方法研究了屏蔽线对工频电场的屏蔽效果。模拟结果表明，沿塔中轴线架设1根屏蔽线，d塔型线路下方工频电场几乎没有屏蔽效果，在架设两侧各架设1根屏蔽线时，有较明显的屏蔽效果，工频电场的最大值从5.5kV/m下降到3.8kV/m。3根屏蔽线的屏蔽效果与两根屏蔽线的屏蔽效果几乎无区别。架设5根屏蔽线时，工频电场的最大值降低到了2.9kV/m。因此采用2根屏蔽线是较为经济有效的屏蔽方案，在工频电场严重超标的情况下可考虑使用5根屏蔽线。当2根屏蔽线分别位于距中轴线两侧11m时，对工频电场的屏蔽效果最好。当2根屏蔽线的高度在6～14m之间变化时，对屏蔽效果的影响非常小，当屏蔽线高度为10m时，对工频电场的屏蔽效果最好。

4 结束语

使用CDEGS软件建立了500kV同塔四回输电线模型，并计算输电线路下方距地面1.5m高处的工频电场。通过改变模型的参数，研究不同分裂数、分裂间距和相间距条件下工频电场最大值与最低相线高度之间的关系。研究了屏蔽线对工频电场屏蔽效果的影响，提出了对于不同塔型、不同条件下的屏蔽措施，为工程施工提供了一定的参考依据。

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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

中国南方电网公司科技项目（K-GD2011-414）

刘嘉文（1983-），男，广东广州市人，工程师，硕士，主要从事电力系统电力环境保护及劳动卫生监测工作。