超高压输电线路工频电场的研究及其改善措施

赵杰+王玲桃

摘 要： 为深入研究超高压输电线路下方工频电场强度和改善措施，首先根据电磁场理论对输电线路的参数进行计算，得出沿线电压的分布。考虑沿线电压不同后，采用模拟电荷法对输电线下方1.5 m处的工频电场强度进行分析，并利用ANSYS软件对模拟电荷法进行验证。结果发现只需部分架设屏蔽线就可以满足要求，这样也可以节省成本。然后分析得出架设屏蔽线的合理位置。最后利用Matlab仿真得出输电线路下方部分架设屏蔽线的工频电场曲线，研究结果表明，部分架设屏蔽线可以改善输电线路的工频电场。

关键词： 模拟电荷法； 参数计算； 工频电场强度； 部分架设； Matlab

中图分类号： TN958?34； TP391.4 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）22?0126?05

0 引 言

近年来，我国国民经济在快速发展，电力建设的投入也不断加大。随着电网的发展，超高压输电线路穿过城镇或居民区的情况不可避免。超高压输电线路电压等级较高，导线周围的空间工频电场引起了人们的关注。工频电场强度已成为高压输电工程评估的主要内容，直接影响到线路的设计、规划及建设投入。深入研究和如何改善高压交流输电线路下方空间的工频电场，是电力工作者需要考虑的重点[1?2]。

超高压输电线路一般架设长度较长，参考一些国内外文献，大都将输电线看成平行于地面的无限长直导线；并且在计算输电线路下方的电场强度时，假设架空输电线路的电压无损耗，把电压看成固定不变的；但是，实际情况是输电线路的电压沿线是有损耗的，所以输电线路的电压在沿线的不同位置是不一样的。

对于改善超高压输电线路下方工频电场的措施主要有：一是通过改变线路的结构参数来实现[3]，但是对于已经选好型号的输电线路，此方法行不通；二是通过提高杆塔高度来实现[4]，但是对于已经架设好的输电线路，此方法成本较高；三是在输电线路下方架设屏蔽线来实现，在人员相对密集区域通过在相导线与地面之间架设屏蔽线可以有效地改善线下工频电场[5]。

本文根据电磁场理论，计算出架空输电线路经过循环换位后的参数，把每相输电线路看成是均匀传输线，列出电压随线路参数、线路长度变化的方程。分析输电线路电压的分布，并结合模拟电荷法，建立了超高压输电线路工频电场的计算模型。然后通过架设屏蔽线改善线路的工频电场。

2 仿真分析

2.1 架空输电线路的模型

某交流500 kV输电线路如图3所示，线路长度为600 km，导线水平排列，型号为4*LGJ/400/35，分裂间距为0.450 m；避雷线的型号为GJ?70。图中[H]=30 m表示避雷线距地面的高度，[h]=20 m为输电线路距地面的高度，[h′]=10 m为屏蔽线距离地面的高度。[La]=10 m表示避雷线距中心位置的距离，[Lb]=12.5 m表示相导线距中心位置的距离，[L1=L2]=15.5 m为屏蔽线距中心位置的距离。

2.2 输电线路的电压分布

当线路首段的线电压有效值为500 kV，电流有效值为1 000 A时，初始相角为0°。以A相为例进行仿真分析，电压的有效值随线路的分布，如图4所示。

由图4可以看出，输电线路的电压随输电线路的长度有一定的损耗，所以在进行研究时不可以忽略电压的损耗。

2.3 输电线路下方的电场强度仿真

首先，采用模拟电荷法得出首端输电线路下方1.5 m处的工频电场强度，并与ANSYS仿真得出的结果进行比较，如图5所示。

由图5可以看出，利用模拟电荷法研究输电线路工频电场强度是很精确的。所以接下来采用模拟电荷法，利用Matlab仿真得出输电线路在不同线长处的线下场强如图6所示。

由图6中可以得出，此输电线路在线下场强超过了我国规定的工频电场公众暴露值4 kV/s。且输电线路沿线下方工频电场强度随着输电距离的增大而减小，到500 km时线下场强已经减小到公众暴露值以下。所以完全可以只对一部分线路进行工频电场的改善，这样可以做到在节约成本的前提下，使沿线下方的工频电场值达到规定的限值以下。

2.4 改善输电线路的工频电场

2.4.1 屏蔽线架设方案的选择

对于已经架设好的输电线路，提高线路高度和改变线路的参数都行不通。在线路下方架设屏蔽线路是很有效的。很多文献都提出了架设屏蔽线可以有效地改善输电线路下方的工频电场[3，7]，但是并没有明确给出一个屏蔽线架设的合理方案。屏蔽线数目增加可以减少输电线路下方工频场强，可是却增加了建设成本。所以本线路选择架设两根屏蔽线，并研究架设的相对合理位置。

针对本线路在0～500 km处部分架设屏蔽线，屏蔽线的型号为GJ?70。首先根据Matlab仿真，得出架设屏蔽线的合理位置。

图7，图8分别代表屏蔽线不同高度和不同水平间距时，线下场强的分布曲线。表1，表2代表仿真得出的线下最大场强值。

由图7和表1可以看出随着屏蔽线架设高度的增加，线下最大场强先减小再增大。所以有相对最佳位置，可以看出屏蔽线架设高度为10 m时最佳。由图8和表2可以看出，随着屏蔽线间距的减小，线下最大场强先减小后增大。所以有最佳位置，最佳间距为15.5 m。

综上所述，选择输电线路下方架设屏蔽线的高度为10 m，间距为15.5 m。

2.4.2 架设屏蔽线来改善线路工频电场

通过以上的分析，针对本线路在0～500 km处架设屏蔽线，并且综合考虑电压损耗和屏蔽线架设位置后可以得出线下的工频电场强度曲线如图9所示。

以上关于架设屏蔽线线下工频电场强度的研究均通过ANSYS仿真验证，得出的结果基本是一致。由图9可以看出架设屏蔽线后，超高压输电线路的工频电场得到了改善，并且沿线下方的工频电场都降到了我国规定的公众暴露值以下。

3 结 语

通过对超高压输电线路下方1.5 m处工频场强的仿真分析，得出当输电线路经过人员相对密集区域时的一些结论：

（1） 通过比较模拟电荷法和ANSYS仿真的结果，得出模拟电荷法可以准确地计算输电线下电场强度。

（2） 超高压输电线路考虑电压损耗后，线路下方1.5 m处的工频场强，沿线是下降的趋势，并且在500 km后最大场强降低为4 kV/m。所以为了节约建设成本，可以只改善0～500 km处的工频电场。

（3） 增加屏蔽线架设高度后，线下最大场强先减少后增加，所以架设屏蔽线有相对最佳位置。

（4） 增加屏蔽线架设间距后，线下最大场强先减少后增加，所以架设屏蔽线有相对最佳位置。

（5） 通过部分架设屏蔽线可以有效地改善超高压输电线路下方的工频电场强度。

参考文献

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[2] 曾庆禹.特高压输电线路电气和电晕特性研究[J].电网技术，2007，31（19）：1?8.

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