高压交流输电线路空间工频磁场分布特性解析
2014-11-05张志坚陆新秋苏晓沈震宇刘洪祥
张志坚 陆新秋 苏晓 沈震宇 刘洪祥
摘 要
＼本文参考有关空间工频磁场的时域数值模型，对高压交流输电线路的工频磁场的横向和纵向分布特性进行了研究，并得出有关结论。探讨了有关减小磁场强度的改进措施，对影响工频磁场的有关因素进行分析，定性的说明了负荷电流、导线对地高度、单回路导线布置形式和双回路相序布置方式等主要因素对工频磁场的影响程度，以期为我国高压交流输电线路走廊的设计提供参照，减少对周围环境的影响。
【关键词】空间磁场分布 高压交流输电线路 工频磁场 横向分布
1 引 言
目前，我国正处于智能电网的全面建设阶段。为了应对国内日益增长的电力缺口，有必要进一步研究和发展超高压交流电网，促进产业结构优化。同时，合理协调电源和电网，有助于实现全国电力资源的优化配置。
由于高压交流输电线路传输的功率较大，电磁作用将对周边环境产生很大的影响，以往的研究往往侧重于工频电场对周边环境的影响，对由于工频磁场而产生的问题并未有深入的研究。本文参考有关空间工频磁场的时域数值模型，探讨了有关降低磁场强度的改善措施，并对高压交流输电线路的工频磁场分布规律进行研究，以期为我国高压交流输电线路走廊的设计提供参照，减少对周围环境的电磁污染。
2 空间工频磁场的数学模型
对高压交流输电线路而言，其四周的磁场因导线内部电流的周期性变化而不断变化，因此相应磁场的数学模型要能够反映时域特性，以便能够更加直观的了解其变化过程和物理特性。
2.1 同塔单回三相输电线路的时域计算模型
考虑三相对称电流IA、IB 、IC，并令 相的电流的相位角为φ。三相电流均会在p点产生磁场，结合矢量特性可以对三个分量进行叠加，从而获得合成磁场，空间任一点的磁场的表达式为下式2-1：
B==K·
（2-1）
其中，K=。
事实上，高压交流输电时候，随着时间的推移，三相电流会不断变化，所以对于导线周围环境中的某个点p而言，位于该点处的磁场强度也是会随着时间而变化的。当满足：dBp/dφ=0时，点p（x，y）处的合成磁感应强度将达到最大，于是，在空间中任一点p处三相输电线路产生的磁感应强度的幅值最大为如下式2-2所示：
Bp=
（2-2）
2.2 同塔双回三相输电线路的时域计算模型
同塔双回输电线路的工频磁场时域模型建立过程与前述单回线路模型建立有相似之处，类似可得式2-3：
Bp=
（2-3）
3 工频磁场的空间分布特性
以我国设计的几种典型的高压交流输电线路为例，对其工频磁场计算分析，相关参数按照下列情况考虑：
（1）单回路排列方式：考虑比较典型的IVI三角排列和IVI水平排列，导线最小对地距离取22m，负荷电流取3kA。
（2）双回路排列方式：考虑比较典型的I串逆相序和同相序垂直排列，导线对地最小距离取21m，负荷电流取4kA。
线下离地1m处垂直线路方向工频磁场幅值的横向分布如图1所示，图中曲线1、2、3、4分别对应于 串逆相序垂直排列、IVI水平排列、 串同相序垂直排列和IVI三角排列的线路。
由此不难得出高压交流输电线路磁场分布的基本规律：
（1）磁场的分布具有明显的对称性，横向上对称分布在输电导线的两侧，当然这是基于三相导线的对称分布，如果导线的排布发生了变化，相应的也会引起磁场分布的改变。
（2）磁场强度的幅值一般出现在输电线路的正下方，在两侧呈现下降的态势。高压输电线路的磁场会受到诸多因素的影响，如输电线路的电压等、相序排列、相间的几何排布等。
（3）磁感应强度的大小在uT这个数量级，与大地磁场在同一数量级上，而且强度较小。当然，随着线路设计电压等级的提高，电场的影响将越来越大，将成为对环境影响的主导因素。
4 工频磁场的影响因素分析
在交流输电线路的下方，影响其空间磁场大小分布的主要因素有：线路负荷电流、导线对地高度、单回路导线布置形式、双回路相序布置方式。在分析工频磁场的影响因素时，将易测量的磁感应强度作为参考量，用其垂直分量和横向分量来表示磁场强度。
电流取3kA，按输送自然功率计算，离地1m处的空间工频磁场强度的横向分布曲线，其中实线表示水平分量，虚线表示垂直分量。在距离线路中心20米的范围内，磁场强度的水平分量大于垂直分量，这与工频电场的分布情况正好相反。同时从图2中也不难发现，随着导线距离地面高度的增加，磁场强度无论是水平方向上还是垂直方向上都有不同程度的减小。
单回路导线三角布置时其高磁场区的覆盖范围相对较窄，且磁感应强度的极值均较小；单回路导线水平布置时其高场强覆盖范围相对较广且极值均较大。因此，当特高压交流单回输电线路穿过人口稠密的地区时，采用三角布置方式可以有效地节省线路走廊宽度，还能有效减小线下工频磁场强度。
由于双回路相导线采用的是上下排列的方式，这样在地面上，各相的电流产生的磁场有一部分抵消了，从而可以降低地面磁场。因此，与单回路排列时相比，双回路不论相序如何排列，其垂直分量和水平分量都有一定数量的减小。因此，在用特高压交流同塔双回输电线路时，根据实际情况，设计人员应考虑恰当的相序排列方式。
5 结论
本文参考有关空间工频磁场的时域数值模型，该数学模型中电流表示为瞬时值的形式，能更加直观的了解磁场变化的暂态过程。对高压交流输电线路的工频磁场分布特性进行研究，研究其横向和纵向分布特性，并得出了磁场最大值出现在输电下路正下方的结论，据此可以采取相应的防护措施以减小电磁污染。探讨了有关减小磁场强度的改进措施，对影响工频磁场的有关因素进行分析，以期能够为工程设计人员对我国高压交流输电线路走廊的设计提供指导，减少对周边环境的影响。
参考文献
[1]李蓉，蒋忠涌.500 kV架空送电线路空间工频磁场分布的研究[J].中国电力，2000，33（3）：36-38.
[2]张启春，阮江军，喻剑辉等.高压架空线附近的工频磁场[J].电力环境保护，2000，16（2）：10-15.
[3]易辉.100OkV交流特高压输电线路运行特性分析[J].电网技术，2006，30（l5）：l-7.
[4]部雄，万保权，路遥.1000kV级交流输电线路电磁环境的研究[J].高电压技术，2006，32（12）：29-32.
[5]黄道春，阮江军，文武等.特高压交流输电线路电磁环境研究[J].电网技术，2007，31（1）：6-11.
作者单位
无锡供电公司 江苏省无锡市 214061endprint
摘 要
＼本文参考有关空间工频磁场的时域数值模型，对高压交流输电线路的工频磁场的横向和纵向分布特性进行了研究，并得出有关结论。探讨了有关减小磁场强度的改进措施，对影响工频磁场的有关因素进行分析，定性的说明了负荷电流、导线对地高度、单回路导线布置形式和双回路相序布置方式等主要因素对工频磁场的影响程度，以期为我国高压交流输电线路走廊的设计提供参照，减少对周围环境的影响。
【关键词】空间磁场分布 高压交流输电线路 工频磁场 横向分布
1 引 言
目前，我国正处于智能电网的全面建设阶段。为了应对国内日益增长的电力缺口，有必要进一步研究和发展超高压交流电网，促进产业结构优化。同时，合理协调电源和电网，有助于实现全国电力资源的优化配置。
由于高压交流输电线路传输的功率较大，电磁作用将对周边环境产生很大的影响，以往的研究往往侧重于工频电场对周边环境的影响，对由于工频磁场而产生的问题并未有深入的研究。本文参考有关空间工频磁场的时域数值模型，探讨了有关降低磁场强度的改善措施，并对高压交流输电线路的工频磁场分布规律进行研究，以期为我国高压交流输电线路走廊的设计提供参照，减少对周围环境的电磁污染。
2 空间工频磁场的数学模型
对高压交流输电线路而言，其四周的磁场因导线内部电流的周期性变化而不断变化，因此相应磁场的数学模型要能够反映时域特性，以便能够更加直观的了解其变化过程和物理特性。
2.1 同塔单回三相输电线路的时域计算模型
考虑三相对称电流IA、IB 、IC，并令 相的电流的相位角为φ。三相电流均会在p点产生磁场，结合矢量特性可以对三个分量进行叠加，从而获得合成磁场，空间任一点的磁场的表达式为下式2-1：
B==K·
（2-1）
其中，K=。
事实上，高压交流输电时候，随着时间的推移，三相电流会不断变化，所以对于导线周围环境中的某个点p而言，位于该点处的磁场强度也是会随着时间而变化的。当满足：dBp/dφ=0时，点p（x，y）处的合成磁感应强度将达到最大，于是，在空间中任一点p处三相输电线路产生的磁感应强度的幅值最大为如下式2-2所示：
Bp=
（2-2）
2.2 同塔双回三相输电线路的时域计算模型
同塔双回输电线路的工频磁场时域模型建立过程与前述单回线路模型建立有相似之处，类似可得式2-3：
Bp=
（2-3）
3 工频磁场的空间分布特性
以我国设计的几种典型的高压交流输电线路为例，对其工频磁场计算分析，相关参数按照下列情况考虑：
（1）单回路排列方式：考虑比较典型的IVI三角排列和IVI水平排列，导线最小对地距离取22m，负荷电流取3kA。
（2）双回路排列方式：考虑比较典型的I串逆相序和同相序垂直排列，导线对地最小距离取21m，负荷电流取4kA。
线下离地1m处垂直线路方向工频磁场幅值的横向分布如图1所示，图中曲线1、2、3、4分别对应于 串逆相序垂直排列、IVI水平排列、 串同相序垂直排列和IVI三角排列的线路。
由此不难得出高压交流输电线路磁场分布的基本规律：
（1）磁场的分布具有明显的对称性，横向上对称分布在输电导线的两侧，当然这是基于三相导线的对称分布，如果导线的排布发生了变化，相应的也会引起磁场分布的改变。
（2）磁场强度的幅值一般出现在输电线路的正下方，在两侧呈现下降的态势。高压输电线路的磁场会受到诸多因素的影响，如输电线路的电压等、相序排列、相间的几何排布等。
（3）磁感应强度的大小在uT这个数量级，与大地磁场在同一数量级上，而且强度较小。当然，随着线路设计电压等级的提高，电场的影响将越来越大，将成为对环境影响的主导因素。
4 工频磁场的影响因素分析
在交流输电线路的下方，影响其空间磁场大小分布的主要因素有：线路负荷电流、导线对地高度、单回路导线布置形式、双回路相序布置方式。在分析工频磁场的影响因素时，将易测量的磁感应强度作为参考量，用其垂直分量和横向分量来表示磁场强度。
电流取3kA，按输送自然功率计算，离地1m处的空间工频磁场强度的横向分布曲线，其中实线表示水平分量，虚线表示垂直分量。在距离线路中心20米的范围内，磁场强度的水平分量大于垂直分量，这与工频电场的分布情况正好相反。同时从图2中也不难发现，随着导线距离地面高度的增加，磁场强度无论是水平方向上还是垂直方向上都有不同程度的减小。
单回路导线三角布置时其高磁场区的覆盖范围相对较窄，且磁感应强度的极值均较小；单回路导线水平布置时其高场强覆盖范围相对较广且极值均较大。因此，当特高压交流单回输电线路穿过人口稠密的地区时，采用三角布置方式可以有效地节省线路走廊宽度，还能有效减小线下工频磁场强度。
由于双回路相导线采用的是上下排列的方式，这样在地面上，各相的电流产生的磁场有一部分抵消了，从而可以降低地面磁场。因此，与单回路排列时相比，双回路不论相序如何排列，其垂直分量和水平分量都有一定数量的减小。因此，在用特高压交流同塔双回输电线路时，根据实际情况，设计人员应考虑恰当的相序排列方式。
5 结论
本文参考有关空间工频磁场的时域数值模型，该数学模型中电流表示为瞬时值的形式，能更加直观的了解磁场变化的暂态过程。对高压交流输电线路的工频磁场分布特性进行研究，研究其横向和纵向分布特性，并得出了磁场最大值出现在输电下路正下方的结论，据此可以采取相应的防护措施以减小电磁污染。探讨了有关减小磁场强度的改进措施，对影响工频磁场的有关因素进行分析，以期能够为工程设计人员对我国高压交流输电线路走廊的设计提供指导，减少对周边环境的影响。
参考文献
[1]李蓉，蒋忠涌.500 kV架空送电线路空间工频磁场分布的研究[J].中国电力，2000，33（3）：36-38.
[2]张启春，阮江军，喻剑辉等.高压架空线附近的工频磁场[J].电力环境保护，2000，16（2）：10-15.
[3]易辉.100OkV交流特高压输电线路运行特性分析[J].电网技术，2006，30（l5）：l-7.
[4]部雄，万保权，路遥.1000kV级交流输电线路电磁环境的研究[J].高电压技术，2006，32（12）：29-32.
[5]黄道春，阮江军，文武等.特高压交流输电线路电磁环境研究[J].电网技术，2007，31（1）：6-11.
作者单位
无锡供电公司 江苏省无锡市 214061endprint
摘 要
＼本文参考有关空间工频磁场的时域数值模型，对高压交流输电线路的工频磁场的横向和纵向分布特性进行了研究，并得出有关结论。探讨了有关减小磁场强度的改进措施，对影响工频磁场的有关因素进行分析，定性的说明了负荷电流、导线对地高度、单回路导线布置形式和双回路相序布置方式等主要因素对工频磁场的影响程度，以期为我国高压交流输电线路走廊的设计提供参照，减少对周围环境的影响。
【关键词】空间磁场分布 高压交流输电线路 工频磁场 横向分布
1 引 言
目前，我国正处于智能电网的全面建设阶段。为了应对国内日益增长的电力缺口，有必要进一步研究和发展超高压交流电网，促进产业结构优化。同时，合理协调电源和电网，有助于实现全国电力资源的优化配置。
由于高压交流输电线路传输的功率较大，电磁作用将对周边环境产生很大的影响，以往的研究往往侧重于工频电场对周边环境的影响，对由于工频磁场而产生的问题并未有深入的研究。本文参考有关空间工频磁场的时域数值模型，探讨了有关降低磁场强度的改善措施，并对高压交流输电线路的工频磁场分布规律进行研究，以期为我国高压交流输电线路走廊的设计提供参照，减少对周围环境的电磁污染。
2 空间工频磁场的数学模型
对高压交流输电线路而言，其四周的磁场因导线内部电流的周期性变化而不断变化，因此相应磁场的数学模型要能够反映时域特性，以便能够更加直观的了解其变化过程和物理特性。
2.1 同塔单回三相输电线路的时域计算模型
考虑三相对称电流IA、IB 、IC，并令 相的电流的相位角为φ。三相电流均会在p点产生磁场，结合矢量特性可以对三个分量进行叠加，从而获得合成磁场，空间任一点的磁场的表达式为下式2-1：
B==K·
（2-1）
其中，K=。
事实上，高压交流输电时候，随着时间的推移，三相电流会不断变化，所以对于导线周围环境中的某个点p而言，位于该点处的磁场强度也是会随着时间而变化的。当满足：dBp/dφ=0时，点p（x，y）处的合成磁感应强度将达到最大，于是，在空间中任一点p处三相输电线路产生的磁感应强度的幅值最大为如下式2-2所示：
Bp=
（2-2）
2.2 同塔双回三相输电线路的时域计算模型
同塔双回输电线路的工频磁场时域模型建立过程与前述单回线路模型建立有相似之处，类似可得式2-3：
Bp=
（2-3）
3 工频磁场的空间分布特性
以我国设计的几种典型的高压交流输电线路为例，对其工频磁场计算分析，相关参数按照下列情况考虑：
（1）单回路排列方式：考虑比较典型的IVI三角排列和IVI水平排列，导线最小对地距离取22m，负荷电流取3kA。
（2）双回路排列方式：考虑比较典型的I串逆相序和同相序垂直排列，导线对地最小距离取21m，负荷电流取4kA。
线下离地1m处垂直线路方向工频磁场幅值的横向分布如图1所示，图中曲线1、2、3、4分别对应于 串逆相序垂直排列、IVI水平排列、 串同相序垂直排列和IVI三角排列的线路。
由此不难得出高压交流输电线路磁场分布的基本规律：
（1）磁场的分布具有明显的对称性，横向上对称分布在输电导线的两侧，当然这是基于三相导线的对称分布，如果导线的排布发生了变化，相应的也会引起磁场分布的改变。
（2）磁场强度的幅值一般出现在输电线路的正下方，在两侧呈现下降的态势。高压输电线路的磁场会受到诸多因素的影响，如输电线路的电压等、相序排列、相间的几何排布等。
（3）磁感应强度的大小在uT这个数量级，与大地磁场在同一数量级上，而且强度较小。当然，随着线路设计电压等级的提高，电场的影响将越来越大，将成为对环境影响的主导因素。
4 工频磁场的影响因素分析
在交流输电线路的下方，影响其空间磁场大小分布的主要因素有：线路负荷电流、导线对地高度、单回路导线布置形式、双回路相序布置方式。在分析工频磁场的影响因素时，将易测量的磁感应强度作为参考量，用其垂直分量和横向分量来表示磁场强度。
电流取3kA，按输送自然功率计算，离地1m处的空间工频磁场强度的横向分布曲线，其中实线表示水平分量，虚线表示垂直分量。在距离线路中心20米的范围内，磁场强度的水平分量大于垂直分量，这与工频电场的分布情况正好相反。同时从图2中也不难发现，随着导线距离地面高度的增加，磁场强度无论是水平方向上还是垂直方向上都有不同程度的减小。
单回路导线三角布置时其高磁场区的覆盖范围相对较窄，且磁感应强度的极值均较小；单回路导线水平布置时其高场强覆盖范围相对较广且极值均较大。因此，当特高压交流单回输电线路穿过人口稠密的地区时，采用三角布置方式可以有效地节省线路走廊宽度，还能有效减小线下工频磁场强度。
由于双回路相导线采用的是上下排列的方式，这样在地面上，各相的电流产生的磁场有一部分抵消了，从而可以降低地面磁场。因此，与单回路排列时相比，双回路不论相序如何排列，其垂直分量和水平分量都有一定数量的减小。因此，在用特高压交流同塔双回输电线路时，根据实际情况，设计人员应考虑恰当的相序排列方式。
5 结论
本文参考有关空间工频磁场的时域数值模型，该数学模型中电流表示为瞬时值的形式，能更加直观的了解磁场变化的暂态过程。对高压交流输电线路的工频磁场分布特性进行研究，研究其横向和纵向分布特性，并得出了磁场最大值出现在输电下路正下方的结论，据此可以采取相应的防护措施以减小电磁污染。探讨了有关减小磁场强度的改进措施，对影响工频磁场的有关因素进行分析，以期能够为工程设计人员对我国高压交流输电线路走廊的设计提供指导，减少对周边环境的影响。
参考文献
[1]李蓉，蒋忠涌.500 kV架空送电线路空间工频磁场分布的研究[J].中国电力，2000，33（3）：36-38.
[2]张启春，阮江军，喻剑辉等.高压架空线附近的工频磁场[J].电力环境保护，2000，16（2）：10-15.
[3]易辉.100OkV交流特高压输电线路运行特性分析[J].电网技术，2006，30（l5）：l-7.
[4]部雄，万保权，路遥.1000kV级交流输电线路电磁环境的研究[J].高电压技术，2006，32（12）：29-32.
[5]黄道春，阮江军，文武等.特高压交流输电线路电磁环境研究[J].电网技术，2007，31（1）：6-11.
作者单位
无锡供电公司 江苏省无锡市 214061endprint
