500kV超高压变电站整体工频电场仿真计算与测量分析

罗 鹏， 杨 峰， 周君杰, 蔡明月

(1. 国网重庆市电力公司璧山供电分公司， 重庆 402760； 2. 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室， 重庆大学, 重庆 400044)

500kV超高压变电站整体工频电场仿真计算与测量分析

罗 鹏1， 杨 峰2， 周君杰1, 蔡明月1

(1. 国网重庆市电力公司璧山供电分公司， 重庆 402760； 2. 输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室， 重庆大学, 重庆 400044)

首先介绍了改进的模拟电荷法，通过对重庆市陈家桥500kV变电站模型的建立，计算分析了整个变电站内离地1.5m处的工频电场，同时对站内500kV开关场区域、220kV开关场区域和其他站内重要区域的路径、设备等进行了仿真计算分析。结果表明，本文算法与变电站实际测量值吻合良好，校验了算法的正确性。变电站内绝大部分工频电场都位于工频电磁场安全防护等级Ⅰ。本文算法为快速分析超高压变电站站内工频电场分布情况提供了有效方法，同时能够预测其他变电站内的工频电场强度及避免站内职员暴露在电场强度超标区域。

模拟电荷法; 测量; 变电站; 工频电场; 安全防护等级

1 引言

随着我国电力系统容量的不断增大，超特高压变电站内复杂的电磁环境已引起人们越来越多的关注，从业人员对精确了解工作环境的工频电场分布要求也越来越高[1]。对于变电站站内人员而言，不可避免地会经常出现在变电站内电场强度较大区域。同时，变电站内带电设备众多，且超高压变电站的电压等级较高，会在变电站站内产生较大的工频电场。目前有关变电站工频电场分布的问题，世界各国已经进行了大量的研究，制定出相应暴露限值标准。根据我国《电力行业作业场所工频电磁场安全防护规定(试行)》将工频电场安全防护等级分为三级[2]：0级(工频电场强度在5kV/m以下)、Ⅰ级(工频电场强度在5 ～10kV/m)、Ⅱ级(工频电场强度超过10kV/m)，工频电场的职业曝露限值为10kV/m(50 Hz)。同时规定0、Ⅰ、Ⅱ三个安全防护等级对应的站内职员暴露时间分别为：0级可24h安全持续工作；Ⅰ级必须控制每次接触时间不超过2h；Ⅱ级每次接触作业时间不得超过30min。

目前，国内关于变电站工频电场研究的方法主要是测量分析[3-6]，而采用对变电站整体建模的分析相对较少[7-10]。文献[7]重点推导了模拟电荷法与边界元法相结合的算法，以500kV变电站为例采用IES-Coulomb软件进行了开关场设备对站内工频电场分布的仿真分析，并与数值算法的计算结果进行比较，验证了仿真结果的正确性；计算了变电站内单个设备与单相设备附近的工频电场分布，但没有对整个变电站内工频电场的分布进行分析。文献[8]对重庆某500kV变电站进行了简化建模，仿真计算了站内工频电场的整体分布，但缺少对站内巡视路径、设备的分析。文献[9]利用电磁场分析软件Ansoft进行变电站的电磁场数值计算，但需要高性能的计算机，且计算时间长、效率低。文献[10]采用CDEGS(Current Distribution, Electromagnetic Field, Grounding and Soil Structure Analysis) 软件对晋东南特高压变电站进行建模分析，预测了变电站线路下、保护小室与围墙外等处工频电磁场强度，但是所建模型没有考虑变电站内部设备的影响。随着对变电站站内工频电场分布情况研究的不断深入，寻找一种快捷高效的计算方法来计算及预测整个变电站工频电场分布有着重要的意义。

基于模拟电荷法，本文提出了一种计算变电站工频电场的改进算法，首先对重庆市陈家桥500kV变电站进行建模，然后编程计算整个变电站站内工频电场的分布。为了验证有效性，将计算结果与现场实测数据进行对比分析，两者能够良好吻合。最后将实测数据与本文计算结果进行整理归纳，根据相关标准及安全防护等级对500kV开关场区域、220kV区内路径、设备等计算结果进行了分析。

2 改进模拟电荷的计算方法

变电站内带电设备繁多，导线密集，结构复杂，不能用二维的电场方法分析此类开域场电场问题，故采用改进的模拟电荷法计算空间电场[11-17]。

图1为单元线电荷计算示意图。将导线分为若干个有限长线段，每一线段用线性模拟电荷等效，设空间中有一直线段，如图1所示。这些线性模拟电荷参数通过式(1)给定：

(1)

式中，L为线性模拟电荷长度；u的取值范围为[0，L]；l=x2-x1；m=y2-y1；n=z2-z1。

将其进行坐标转换，使u成为线性电荷的局部坐标，则线性电荷密度τ可以表示为：

(2)

式中,a、b为待定常数；电位φ由线电荷产生，可表示为：

(3)

式中

A=aL；B=b；E=l2+m2+n2；

F=-2[l(x-x1)+m(y-y1)+n(z-z1)]；

G=(x2-x1)2+(y2-y1)2+(z2-z1)2。

ε0为真空介电常数。

图1 单元线电荷计算示意图Fig.1 Model of linear charge element for calculation

考虑到变电站整体建模规模大，为节省计算机存储空间，缩减计算时间，本文提出一种改进模拟电荷算法，将线性电荷视为常线性电荷，即直线段两端P1和P2点的电荷密度τ(0)、τ(L)相等，即τ(0)=τ(L)=b，a=0。采用改进后的算法进行建模仿真计算，同一变电站整体工频电场计算的时间将比未采用改进算法的建模仿真时间减少一半。

计算时，先将线路和等效模型划分为多个线段，并对大地作镜像处理。为了方便求解，将式(3)数值离散化，求出每个线性单元在各匹配点产生的电位系数P，再根据已知的边界条件建立如下矩阵方程：

(4)

式中,P为电位系数矩阵;τ为待求电荷列向量;φ为匹配点电位列向量。采用改进算法进行推导，可得线性电荷在P点产生的电场强度：

(5)

(6)

(7)

式中,系数b为常线性电荷密度; M=l2+m2+n2。

最后根据计算出的空间任意一点的X、Y、Z方向的电场强度，进而可求出该点总的电场强度幅值E：

(8)

3D模拟电荷法计算过程如图2所示。

图2 三维空间模拟电荷法计算流程图Fig.2 Calculation flowchart of charge simulation method

3 变电站的模型建立与测量

3.1 变电站的平面配置

现以陈家桥500kV变电站为例，将该变电站划分为500kV开关场区域、220kV开关场区域和其他典型区域。变电站的平面配置如图3所示。

图3 500kV变电站配电装置平面图Fig.3 General view of distribution equipment of 500kV substation

3.2 模型的建立

本文以陈家桥500kV变电站为例进行计算分析。由于变电站内高压带电设备多且形状不规则，为了得到整个变电站内工频电场的整体分布情况，在建模过程中，对变电站进行如下简化处理：模型中将母线、进出线，隔离开关及断路器等看成直线型导线，母线上的电位等于导线对地电压，忽略绝缘子瓷套、钢筋混凝土支柱等一些绝缘介质对电场分布的影响。为提高效率，节约计算时间，不对变压器、避雷器和电流互感器等复杂设备建模分析。简化后的模型如图4所示。

图4 500kV变电站透视图Fig.4 Perspective of 500kV substation

变电站模型建立的相关参数设为：500kV进出线导线类型为4×LJG500/35,等效半径为0.204m。线路进线高度为33m，相间距8m，出线高度为26m，相间距7.5m，1M、2M母线建模高度为16.2m，间距64m，正常运行时相电压为288.68kV；220kV进出线类型为2×LJG500/35,等效半径为0.073m，两回母线高度分别为11m、13.5m，进出线平均高度约为6m，回路间隔为13m，正常运行时相电压为127.02kV。

3.3 变电站的测量

本研究测量所用的仪器为PMM8053A便携式电磁场测量仪，按照国家标准中变电站工频电场测量方法进行测量[18-20]。

考虑到工作人员在变电站内设备区的活动范围，工频电场测点大多数分布在巡视走道和较低带电构架(主要是带电导线)下方，同时在变电站的主变压器和主控楼周围设定观测点，所有观测点都距地面1.5m处。测量位置如图3中虚线所示。

4 结果与分析

4.1 整体变电站工频电场计算分析

通过本文3D模拟电荷法，将所建模型信息输入计算机进行变电站三维工频电场求解，最终求出地面上方1.5m处的工频电场分布图，如图5所示。

图5 500kV变电站空间电场等值线色块图Fig.5 Electric fields distribution in 500kV substation

从图5可以看出，电场强度大都处在 5～10kV/m 之间，电场强度较大的区域主要分布在带电设备(断路器、CT、隔离开关)附近，而母线下方电场强度较小，这是由于在变电站中带电构架，如断路器、隔离开关等设备连线相对离地面较低；三条进出线回路下方的电场强度分布趋势是相似的，其局部极值大都出现在边相附近。

4.2 500kV开关场区域的工频电场分析

为验证变电站整体工频电场计算结果是否正确，现将变电站内500kV区域所测数据进行整理(实测位置如图3中500kV开关场区域内虚线所示)，重点分析500kV开关场区域出线下方路径、C相母线设备下方路径、靠近图3左侧出线的巡视走道和主要变压器与设备区之间的巡视走道的工频电场分布情况，路径与巡视走道的工频电场强度均为在地面上方1.5m处的计算结果。计算与实测结果如图6～图9所示。

图6 A、B、C三相出线下方工频电场分布计算值与测量值Fig.6 Calculated and measured values of power frequency electric field distribution below three-phase outgoing lines

图7 C相母线下方工频电场分布计算值与测量值Fig.7 Calculated and measured values of power frequency electric field distribution below phase C bus bar

图8 500kV开关场围墙西侧电场分布计算值与测量值Fig.8 Calculated and measured values of power frequency electric field distribution near west of 500kV switch yard wall

图9 主变压器与500kV设备区之间巡视走道电场分布计算值与测量值Fig.9 Calculated and measured values of power frequency electric field distribution between main transformer and 500kV equipment area

结果表明，本文算法仿真结果与变电站实测数据吻合良好。500kV区域电场强度值整体较大，主要设备下方路径甚至有电场强度大小超过10kV/m的点出现(如图8所示)，这是由于电气设备离地高度较低，且设备密集，各种带电装置产生的电场叠加使电场变得较大。

从图6可以看出，A相下方电场强度明显大于B相和C相，且C相下方电场强度也比B相大。这是因为A相处于500kV开关场外侧，受到其他出线及设备的影响相对较少。由于设备的影响，导致图9中显示的电场强度出现了明显波动。从图8和图9可以看出，500kV区域的两条典型巡视走道的电场强度均小于10kV/m(安全防护Ⅰ级)，绝大多数测点都在5kV/m以下(安全防护0级)。

4.3 220kV开关场区域的工频电场分析

参考现场对陈家桥变电站内220kV开关场区域的工频电场测量数据(实测位置如图3中220kV开关场区域内虚线所示)，将其进行计算整理。图10和图11分别为220kV开关场区域的两回母线的端部、配电区设备下方的路径和主要变压器与设备区之间的巡视走道的工频电场分布情况。

图10 220kV母线端部区域电场分布计算值与测量值Fig.10 Calculated and measured values of power frequency electric field distribution below end of 220kV bus bar

图11 主变压器与220kV设备区之间巡视走道电场分布计算值与测量值Fig.11 Calculated and measured values of power frequency electric field distribution between main transformer and 220kV equipment area

结果表明，陈家桥变电站内220kV区域的工频电场强度都小于10kV/m，绝大部分区域位于安全防护0级。

从图10可以看出，母线及设备区域的电场强度都较大，图11中可以看出，工作人员经常暴露的巡视走道其电场强度相对较小，局部极值都在2kV/m以下。

4.4 变电站工频电场的测量分析

由于变电站内其他电气设备(如主控楼、主变、电压互感器、电流互感器、阻波器和避雷器等)附近电场不易计算，因此通过现场实测数据进行分析。变电站内电压互感器、电流互感器、阻波器和避雷器等电气设备周围的工频电场强度如表1和表2所示，主控楼和变压器周围的工频电场强度如图12和图13所示。

表1 500kV电气设备区域电场强度测量值Tab.1 Measurement near electrical apparatus of 500kV

表2 220kV电气设备区域电场强度测量值Tab.2 Measurement near electrical apparatus of 220kV

图12 主控楼周围东南北三面电场分布计算值与测量值Fig.12 Calculated and measured values of power frequency electric field distribution of east, south and north of central control building

图13 变压器四周电场分布计算值与测量值Fig.13 Calculated and measured values of power frequency electric field distribution of all sides around transformer

由于站内实际工作需求，工作人员也常会暴露于这些设备处，结果表明所有测点都符合职业暴露限制标准(<10kV/m)。

结果表明，主控楼南面一侧电场强度较大，主要由于靠近500kV出线区域，而北面和东面都相对较小。主变压器四周电场强度都小于4kV/m。

综上，陈家桥变电站内绝大部分区域的工频电场强度都满足相关导则的标准限值，大多位于安全防护等级0级和Ⅰ级。

5 结论

(1)针对重庆市陈家桥500kV变电站建立模型，由于变电站内设备复杂，对模拟电荷法进行改进。采用改进的模拟电荷法能在较短时间内有效地计算整个超高压变电站站内工频电场分布，其结果与变电站的实际测量数据都吻合良好，为计算其他超高压及特高压变电站的工频电场提供了准确、快速的方法。

(2)通过对500kV变电站的电场强度进行仿真计算，发现电场较大的区域主要集中在断路器等设备处，电场强度大约为4～9kV/m之间。本文算法能用来预测变电站工频电场的分布情况，对其他特高压变电站具有通用性。

(3)通过对重庆市陈家桥500kV变电站工频电场的测量与仿真计算，分析了整个变电站的电场分布规律。对于超过国家标准限值及电场强度较大的区域，可以限制职员的进入或减少在超标区域的暴露时间。根据变电站内工频电场分布，可优化变电站职员的工作巡视路径。

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Analysis of power frequency electromagnetic field in 500kV substation during fault status

LUO Peng1, YANG Feng2, ZHOU Jun-jie1, CAI Ming-yue1

(1. Bishan State Grid Power Company, Chongqing 402760, China；2. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University,Chongqing 400044, China)

This paper presents an improved charge simulation method (CSM) to calculate and analyze the power frequency electric fields at 1.5m over the ground by modeling the 500kV substation in Chenjiaqiao, Chongqing. In addition, the paper also implements simulation of electric field in switchyard area in 500kV and 220kV substations, together with paths and equipment in critical areas within the substations. The simulation results are proved to be basically consistent with the measured results, which verifies the effectiveness of the improved CSM. The results also reveal that the majority values of power frequency electric-field intensity within the substation meet the standard limits. The proposed approach provides an effective way to calculate the distribution of power frequency electric field in EHV substation. Meanwhile, it is also able to predict electric field in other substations and consequently provide suggestions to let staffs to avoid exposing to those areas where the electric-field intensity exceeds standard limits.

charge simulation method; measurement; substation; power frequency electric field; security protection level

2015-10-12

罗 鹏(1988-)， 男， 重庆籍， 助理工程师， 硕士， 研究方向为电磁场数值计算及输变电周围电磁环境； 杨 峰(1990-), 男， 重庆籍， 博士研究生， 研究方向为电气设备绝缘诊断及评估。

TM832

A

1003-3076(2016)09-0067-07