330 kV同塔双回交流输电线路的电磁环境研究
2015-06-07赵建文王晓康
赵建文,阎 纲,王晓康
(西安科技大学,电气与控制工程学院,陕西 西安 710054)
330 kV同塔双回交流输电线路的电磁环境研究
赵建文,阎 纲,王晓康
(西安科技大学,电气与控制工程学院,陕西 西安 710054)
随着公众环保意识的提升,高压输电线路周围的电磁环境问题受到越来越多地关注,关于电磁污染引起的一些纠纷及案件也日益增加。而确定线路下方电场效应、无线电干扰和可听噪声等电磁环境参数是输电线路设计的关键问题之一。文中针对电磁环境中的4个主要电磁参数进行了研究,并基于对这些参数的分析确定了线路的设计方案。文中以陕西某条设计中的330 kV同塔双回交流输电线路为研究对象,详细分析研究其电磁参数。计算了腰型和紧凑型2种塔型下的导线表面电场强度、无线电干扰、可听噪声等电磁参数,对同相序和异相序2种情况下的各参数进行对比分析后,给出了最佳设计方案,为实际线路设计提供了有效的参考依据。
330 kV同塔双回交流输电线路;电磁环境;电场强度;无线电干扰;可听噪声
0 引 言
近些年来,由于对电能的广泛应用及电网建设的蓬勃发展,人们对于电磁环境的关注程度也在日益增加[1-3]。当高压输电线路距离人们的生活环境越来越近时,不可避免的就会引发一些针对电磁环境产生的案件和事端[4-6]。虽然大多数情况是由于公众对电磁知识的误解或是对电磁污染的过度警惕引起的,但另一方面也说明人们对生活质量要求的提高[6-7]。无论如何,对电磁环境进行详细研究并消除公众对电磁污染的盲目恐惧已经迫在眉睫。
自20世纪80年代起,中国就开始着手研究输电线路对电磁环境的影响,对一些高压和特高压线路都提出了环境保护的相关约束[8-9]。对于线路设计单位更是提高了电磁环保标准,在设计审核时这项指标也对于工程评优起到重要的作用。
在国家及民众对环境保护要求越来越高的前提下,通过对输电线路工频电磁场、可听噪声、无线电干扰等方面的研究以及对相关电磁参数的分析计算,最终可得出相应条件下的最优解,为输电线路的设计提供理论依据[10-11]。并针对一些特殊地理条件给出前瞻性预测,最终为电力设计行业的规划及审核提供帮助。
对于电力设计单位来说,在设计线路时不仅要考虑线路的各项电磁参数是否满足设计规范要求,还要考虑工程的成本和单位造价,甚至在审核中对于线路的曲折系数和美观程度也有各种相应的要求。所以,对基本电磁环境参数的精确计算也是至关重要的,必须在设计线路时使其各项指标符合生态环境允许值[12]。
目前计算工频电场主要采用模拟电荷法,计算无线电干扰主要以激发函数为依据,无线电干扰值主要用经验公式进行推算。文中以目前的电磁参数研究现状为前提,设计并计算了330 kV同塔双回交流输电线路腰型塔、紧凑型塔2种塔型下的导线表面电场强度、无线电干扰、可听噪声等电磁参数,对同相序和异相序2种情况下的各参数进行了对比分析,为线路设计提供参考依据。
1 输电线路工频电场及计算方法
高压或超高压输变电工程建成投入运行后,其电磁现象成为主要的环境影响问题[17]。高压导线结构的电晕特性(如电晕损耗、无线电干扰、可听噪声等)主要取决于导线表面电位梯度的大小,所以导线表面电位梯度的计算是计算这些参数的关键,直接影响导线的选型和布置。
目前计算输电线路电场时,工程上采用较多的是Markt-Megele法[20]、逐步镜像法[21]和模拟电荷法[22]。上述3种方法均可计算输电线导线表面电场与线下电场。但对于多分裂导线,常采用逐步镜像法分别计算其子导线所带电场从而提高精确程度。
在一个拥有很多导体的空间中,用镜像电荷代替空间中原有的导体,而镜像电荷大小的选择则取决于替代后是否在导体表面保持相等的电位。若符合等电位,则按如下步骤计算
1)根据子导线和地线的具体位置、尺寸和所加电压,用麦克斯威电位系数法对每根子导线的电荷进行求解。
Q=P-1U,
(1)
2)可假设除该导线外所有导线的电荷都集中在各自的中心,镜像电荷的大小等于原电荷,但符号相反,位于该导线中心至每一电荷的连线上,中心距为
(2)
3)选出一些计算出的电位值与实际电位进行对比,并对导线表面的电压值进行验证计算,将其结果控制在要求精度内。当误差范围一定时,导线半径与之间距离的比值越小,则进行镜像电荷之间转换的次数就越少。对于330 kV的输电线路,一般进行2到3次的镜像变换就能得出符合精度的解;
4)由上可知,输电线路表面任一点P的电场强度都可以通过简单的数学变换求出
(3)
(4)
(5)
式中 i为电荷序号。
中国环境指标推荐暂以4 kV/ m 作为居民区工频电场评价标准。
2 无线电干扰及计算方法
输电线路在正常的运行电压下允许导线发生一定程度的电晕放电,会在导线上产生电流和电压脉冲[18-19]。这些脉冲沿导线向注入点两边流动,从而在导线上产生无线电干扰。
根据《110~750 kV架空输电线路设计规范》(GB 50545—2010)5.0.4规定,“海拔不超过1 000 m时,距输电线路边相导线投影外20 m处且离地2 m高且频率为0.5 MHz时的无线电干扰限值应符合表1的规定。”
表1 5.0.4对无线电干扰的限定临界值
对于电力设计单位来说,在确定具体的线路路径之前就要对线路经过的区域与设计规范进行对比,确定限定的噪声数值,从而确定各不同区域的线路走廊范围最终进行宏观调控和修改。330 kV交流输电线路具有单相、三相单回、同塔多回的情况,下面针对这3种情况进行无线电干扰的计算
2.1 单相
此种情况使用中国电力行业标准推荐的计算330 kV单相交流线路的公式
RI=3.5Emax+12r-30,
(6)
式中RI为距导线50 m的干扰场强,dB;r为导线的半径,cm;Emax为导线表面最大场强,kV/cm.
2.2 三相单回
(7)
式中,Emax是导线表面最大场强,kV/cm.
2.3 同塔多回
首先对每一单回路的干扰场强进行上述方法(1)的计算,得出各回路的计算结果后进行迭代计算就可得出同塔多回的干扰场强。
(8)
式中RIij为计算点在第j回第i相的干扰场强,dB;RIi为每回计算点在第i相干扰场强,dB.
接着用下式计算
(9)
式中RI1,RI2为在同塔多回路中三相导线的干扰场强,dB.但在同塔多回中,若一相干扰场强大于其余相至少3 dB(μV/m)时,则可通过(8)式直接得出结果,无需再往下计算。
此种适用情况为:在好天气的情况下,频率为0.5 MHz的50%时间概率下的场强值,对于80%的时间的概率情况下,增加9~16 dB后可得到80%置信度情况下的场强值。
对于一般的高压线路(分裂数小于4),CISPR推荐的经验公式可以得到比较准确的结果。
3 可听噪声及计算方法
可听噪声是指导线周围空气电离放电时所产生的1种人耳能直接听得见的噪声,它是1种声频干扰。随着电压等级的提高,电晕放电引起的噪声将会增大,因此必须引起足够的重视。
根据《110~750 kV架空输电线路设计规范》规定,“海拔不超过1 000 m时,距输电线路边相导线外20 m处,湿导线条件下的对噪声的限定临界值应符合表2的规定。”
表2 噪声限定临界值
在面对噪声问题带给居民的困扰时,我国也逐渐发行了各种设计规范来限定。这些规范中对于乡村和城市、白天和昼夜的要求都有所不同,如:《密集居民区噪声标准》、《城郊噪声标准》等一系列电力设计规范及环保法律。
针对本次研究的330 kV线路可听噪声计算,采用美国电力部门推导出的预测公式
(10)
式中AN为噪声的可听等级,其值为
PWL(i)=-164.6+120lgEmax+55lgdep,
(11)
式中,deq为导线的直径,mm,其值为
deq=0.58n0.48d.
(12)
式中n为导线的根数。
4 计算结果及分析
文中计算的线路为陕西某条330kV线路工程双回同塔架设部分,长97.0km,导线截面选用2×300mm2.
4.1 双回路腰型塔
图1 杆塔结构图Fig.1 Tower chart
双回路腰型塔导线为2×LGJ-300/40型,双回腰水平排列,2分裂,分裂间距为400mm,线路结构如图1所示。不同相序下各项指标的计算结果见表3.
表3 不同相序下各项指标的计算结果
1)导线表面的最大场强Em是衡量送电线路电晕损失以及可听噪声、无线电干扰的决定因素。当线路表面场强超过起晕场强E0时,线路表面会剧烈电晕,产生很大的电能损失以及可听噪声、无线电干扰等,所以一般线路设计时导线表面的最大场强应控制在起晕场强的80%~85%以内。采用2×LGJ-300/40结构,其起晕场强为29.81 kV/cm.由表3可知,双回路排列相序中,正相序的Em/E0值最小。然而,也应当看到,几种相序排列下,导线表面最大场强和起晕场强的比值都在0.8以内;
2)线路的可听噪声。由表3可知,对于双回路排列的可听噪声在正相序排列时最小,为45.72 dB;逆相序排列时较大,为48.68 dB.纵观上述排列方式,相序对可听噪声的影响不是很大,变化范围不超过4 dB;
3)线路的无线电干扰。采用2×300导线,由表3可知,双回路排列方式下的无线电干扰,在正相序排列时最小,为47.09 dB;逆相序排列时较大,为51.25 dB.但是,纵观上述情况,相序排列对无线电干扰的影响也不是很大,变化范围都不超过5 dB.
4.2 紧凑型塔
图2 杆塔结构图Fig.2 Tower chart
紧凑型塔导线为2×LGJ-400/35型,双回垂直排列,2分裂,分裂间距为400 mm,杆塔结构如图2所示。不同相序下各项指标的计算结果见表4.
1)导线表面的最大场强。采用2×LGJ-300/40结构,其起晕场强为29.81 kV/cm.由表4可知,双回路排列相序中,正相序的值最小。然而,也应当看到,几种相序排列下,导线表面最大场强和起晕场强的比值都在0.9以内。所以,可以认为,导线表面电场强度对相序的选择基本上不起控制作用。
2)线路的可听噪声。由表3可知,对于双回路排列的可听噪声在正相序排列时最小,为50.78 dB;逆相序排列时较大,为53.4 dB.纵观上述排列方式,相序对可听噪声的影响不是很大,变化范围不超过5 dB;
3)线路的无线电干扰。采用2×300导线,由表3可知,Em/E0双回路排列方式下的无线电干扰,在正相序排列时最小,为47.08 dB;逆相序排列时较大,为49.99 dB.但是,纵观上述情况,相序排列对无线电干扰的影响不是很大,变化范围都不超过6 dB.
5 结 论
通过对上述2种双回路塔型按照文中给出的计算方法进行电磁环境参数计算后,可得出如下结论:在其他条件相同的情况下,导线逆相序排列时的地面电场强度、走廊宽度优于正相序排列,可听噪声和无线电干扰略大于正相序排列,但通过选用适当截面的导线可满足指标要求。对同塔双回线路采用逆相序的排列方式不仅可有效减小杆塔高度和输电走廊宽度,而且可降低工程造价,因此它是目前工程设计中优先选用的排列方式。
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Calculation of electromagnetic environment parameters in same tower double circuit AC transmission lines
ZHAO Jian-wen,YAN Gang,WANG Xiao-kang
(CollegeofElectricalandControlEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)
With the enhancing of public’s awareness of environmental protection,high voltage transmission lines surrounding electromagnetic environment problem is attracting more and more attention,identify the electric field effect,radio interference and electromagnetic environment parameters,such as audible noise below lines is one of the key problems in transmission line design.In this paper,the electromagnetic environment of the four main electromagnetic parameters were studied,and based on the analysis of these parameters,determine the line of the design.Taking Shaanxi 33 kV double-circuit AC transmission lines as a research object,its electromagnetic parameters were analyzed in detail.Calculated waist type tower wire surface electric field strength of compact tower tower under two kinds of radio interference,audible noise,and electromagnetic parameters,and various parameters with different phase sequence and same phase sequence for two kinds of case were comparatively analyzed,to provide reference for circuit design.
330 kV with double ac transmission line towers;electromagnetic environment;electric field strength;radio interference;audible noise
2015-03-10 责任编辑:高 佳
陕西省教育厅自然科学研究项目(2013JK0867)
赵建文(1973-),男,陕西宝鸡人,博士、副教授,E-mail:839725357@qq.com
10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0414
1672-9315(2015)04-0486-06
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