500 kV同塔三回交流输电线路电磁环境研究

温作铭 吴建生 董 鹏

(1．中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200001； 2．上海环境能源交易所，上海 200083)

500 kV同塔三回交流输电线路电磁环境研究

温作铭1吴建生1董 鹏2

(1．中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200001； 2．上海环境能源交易所，上海 200083)

随着我国经济社会的高速发展，许多地区城镇村庄密集，规划设施众多，线路走廊资源紧张．当常规的一条单回路与一条同塔双回路平行架设时，可采用同塔三回路，以缩小线路走廊、降低工程造价、减小对环境的影响．为合理选择500 kV同塔三回交流输电线路的杆塔结构及导线布置，从相序排列、塔头布置、导线高度三方面对电磁环境进行分析，结果表明：相邻回路逆相序排列时工频电磁场小于同相序排列时，三回路均同相序排列时则最大，无线电干扰和可听噪声反之，工频电场是控制性因素，推荐相邻回路采用逆相序排列；门型塔的电磁环境指标较差且走廊宽度较大，猫型塔和酒杯型塔的电磁环境指标接近，推荐走廊宽度较小的猫型塔布置；无线电干扰随导线高度的增大呈先升后降的趋势，其它指标均随导线高度的增大而减少，选择相序排列Ⅰ回ABC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CBA的猫型塔布置后，导线最小对地高度不受电磁环境的制约，按规范执行即可．

同塔三回路； 线路走廊； 500 kV； 电磁环境

0 引 言

目前，我国输电线路走廊资源十分紧张，采用同塔三回路，相比于一条单回路与一条同塔双回路平行架设，虽然不利于运行检修，但在相同输送容量下，可降低工程造价，节约线路走廊、减少房屋拆迁与塔基占地，实现与地方规划的互利共赢，具有很好的社会效益．随着电压等级的提高，输电线路电磁环境的影响更加突出[1-4]，在输电线路的设计过程中，选择合理的杆塔结构及导线布置，对保证输电线路良好的环境行为至关重要．500 kV同塔三回线路由于导线根数增加，线间电磁耦合紧密，电晕特性和电磁环境问题相对于单、双回线路更加复杂．

本文从相序排列、塔头布置、导线高度三方面对同塔三回路输电线路的电磁环境进行分析，其结果为同塔三回路设计提供技术参考．

1 计算方法

1.1 工频电场

输电线下工频电场的计算采用国际大电网会议第36.01工作组推荐的等效电荷法[5]．计算由两部分组成：(1)计算单位长度导线上的等效电荷；(2)计算由这些电荷产生的电场．

等效电荷由矩阵方程[U]=[P][Q]求得，式中[U]为各导线对地电压的列矩阵，是由输电线路的电压和相位确定，一般取额定电压的1.05倍；[P]为由各导线的自电位系数和互电位系数组成的n阶方阵，n为导线数；[Q]为各导线上等效电荷的列矩阵．

空间任意一点的电场强度可根据叠加原理计算得出．在P(x，y)点的电场强度水平分量Ex、垂直分量Ey分别为：

1.2 工频磁场

输电线下工频磁场的计算采用国际大电网会议第36.01工作组推荐的方法[6]，使用安培定律计算高压线路的空间工频磁场．由于工频情况下电磁性能的准静态性质，线路的磁场仅由电流产生．把安培定律应用于载流导线，将单根导线的磁场计算结果叠加，得到地面1.5m处的磁场强度．

式中，p为镜象导线距地表距离；ρ为地电阻率；f为频率．

在P(x，y)点的磁感应强度水平分量Bx、垂直分量By分别为：

式中，xi，yi为导线i的坐标；μ0为真空磁导率，μ0=4π×10-7H/m；I为导线i中的电流(A)；dip为导线i与P点的距离(m)．

1.3 导线表面电场

输电线路的电晕特性主要取决于导线表面电场的大小，导线表面电场是计算输电线路无线电干扰和可听噪声的重要参数．导线表面电场计算采用逐步镜像法[7-9]．

式中，Ek为导线表面某点k的场强；Ekx，Eky为在x和y方向上的分量；Pki为第i个电荷在导线表面某点k的电位系数；s为每根子导线中的镜像电荷数；m为交流相数；n为每相子导线根数；n0为地线根数．

逐步镜像法可以计算每根子导线所带电荷及其表面电场，对于多分裂导线计算更为精确．

1.4 无线电干扰

多分裂导线的无线电干扰计算采用1998年CISPR补充版中推荐的激发函数法[10-11]．该方法是基于试验线路或电晕笼测量得到的大雨条件下的激发函数，通过一定的模量变换，得到各相导线的脉冲电流，再计算这些电流产生的场，即无线电干扰．

大雨条件下的激发函数采用式(9)计算．

式中，d为子导线直径(cm)；n为导线分裂数．

1.5 可听噪声

可听噪声采用美国BPA在实际线路上通过长期实测数据推导得出的预测公式[12-13]．

式中，AN为可听噪声(dB)；v为相数；Di为测量点至i相导线的距离(m)；PWL(i)为i相导线的声功率级．

式中，Emax为导线表面最大电场强度(kV/cm)；deq为导线等效直径(mm)．

式中，d为子导线直径(mm)；n为导线分裂数．

2 计算条件

2.1 同塔三回路的塔型

参考单回线路猫型塔、酒杯型塔和门型塔的命名习惯，设计了3种塔型分别进行电磁环境影响评价，塔型示意如图1所示．为分析塔头布置的影响，根据导线绝缘子串型的不同，设计猫型塔4个布置，酒杯型塔和门型塔各3个．当取500kV线路常用的36m呼高时，各种塔型的导地线位置坐标见表1～表3(坐标原点位于铁塔底面中心，位置坐标以分裂中心计)．

图1 塔型示意图

2.2 计算参数

导线采用JL/G1A-630/45，4分裂，分裂间距450mm；地线采用JL/G1A-95/55；导线弧垂取11.8m，地线弧垂取10.8m；土壤电阻率取100Ω·m；计算中，工频电磁场均为距离地面1.5m，无线电干扰及可听噪声均为距离边导线外20m．

表1 猫型塔(36 m呼高时)

表2 酒杯型塔(36 m呼高时)

表3 门型塔(36 m呼高时)

3 计算结果及分析

3.1 相序排列对电磁环境的影响

团结友爱精神和协作能力是凝聚力的根本体现，团队凝聚力的培养一定要高度重视团结互助精神的坚守。团队中队员之间关系融洽、团结友爱，运动队整体实力、运动员个人能力就能得以正常甚至超水平的发挥，凝聚力就会更强。患难见真情，平时力量训练的帮助与保护；训练后相互按摩放松；训练前后跨栏架、跳高垫的借还；训练、比赛中队员受伤的帮助与协助、比赛前协作检录、收纳衣服、鞋子；比赛中的鼓励、加油；比赛后的关切等都能体现队员之间的团结友爱之情。年轻教师要善于在训练、比赛的小细节处注重培养队员团结友爱的精神，促进团队凝聚力的培养和增强。

选取塔型差异较大的猫型塔和门型塔进行分析，分别选2#、1#以及42 m呼高，计算不同相序排列下的电磁环境．相序说明均从左至右、从下至上．猫型塔采用6种相序排列方式，Ⅰ回-Ⅱ回-Ⅲ回为：(a)ABC-ABC-CBA；(b)ABC-ABC-ABC；(c)BAC-ABC-CBA；(d)BAC-ABC-ABC；(e)CBA-ABC-CBA；(f)CBA-ABC-ABC．门型塔也采用6种相序排列方式，Ⅰ回-Ⅱ回-Ⅲ回为：(a)ABC-ABC-ABC；(b)CAB-BAC-BAC；(c)CAB-BAC-CAB；(d)BCA-ABC-ABC；(e)BCA-ABC-BCA；(f)BCA-ABC-CAB．

结果及分析如下．

图2及表4表明，猫型塔相邻回路逆相序排列时的工频电场小于同相序排列时；工频电场在杆塔中心两侧分布不对称，同相序排列时，最大值出现在杆塔中心附近，逆相序排列时，最大值出现在边相导线附近；工频电场最小时的相序排列为Ⅰ回ABC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CBA，排列示意如图3所示；相邻回路同相序排列时，最大工频电场3.61 kV/m，实际当导线对地高度逐渐降低后，工频电场将很快超过线路经过居民区时的限值4 kV/m，采用同相序排列不利于降低塔高．

图2 工频电场随相序的变化(猫型塔) 图3 工频电场最小的相序排列示意图

相序工频电场最大值/(kV·m-1)Ⅰ回ABC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CBA1.34Ⅰ回ABC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回ABC3.60Ⅰ回BAC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CBA1.37Ⅰ回BAC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回ABC3.61Ⅰ回CBA-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CBA1.50Ⅰ回CBA-Ⅱ回ABC-Ⅲ回ABC3.60

图4及表5表明，门型塔相邻回路出现同相序排列时，工频电场较大，当三回路均同相序排列时，工频电场最大，最大值为4.2 kV/m；当Ⅰ回与Ⅲ回相序不同且其中一回与Ⅱ回相序相同时，工频电场沿杆塔中心的不对称度较高．

图4 工频电场随相序的变化(门型塔)

相序工频电场最大值/(kV·m-1)Ⅰ回ABC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回ABC4.20Ⅰ回CAB-Ⅱ回BAC-Ⅲ回BAC3.08Ⅰ回CAB-Ⅱ回BAC-Ⅲ回CAB1.62Ⅰ回BCA-Ⅱ回ABC-Ⅲ回ABC3.23Ⅰ回BCA-Ⅱ回ABC-Ⅲ回BCA2.16Ⅰ回BCA-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CAB1.64

图5～6、表6～7表明，与工频电场相同，猫型塔相邻回路逆相序排列时的工频磁场小于同相序排列时，相序排列Ⅰ回ABC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CBA时工频磁场最大值最小，最大值出现在杆塔中心附近；门型塔相邻回路出现同相序排列时，工频磁场较大，当三回路均同相序排列时，工频磁场最大，最大值为6.75 μT，但远小于100 μT的限值．

图6 工频磁场随相序的变化(门型塔)

相序工频磁场最大值/μTⅠ回ABC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CBA2.18Ⅰ回ABC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回ABC6.07Ⅰ回BAC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CBA2.75Ⅰ回BAC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回ABC6.34Ⅰ回CBA-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CBA3.82Ⅰ回CBA-Ⅱ回ABC-Ⅲ回ABC6.07

表7 工频磁场最大值随相序的变化(门型塔)

表8～11表明，猫型塔相邻回路同相序排列时的无线电干扰和可听噪声小于逆相序排列时．门型塔相邻回路出现同相序排列时，无线电干扰和可听噪声较小，当三回路均同相序排列时则最小．无线电干扰小于55 dB(μV/m)限值，可听噪声小于55 dB(A)限值．

表8 无线电干扰随相序的变化(猫型塔)

表9 无线电干扰随相序的变化(门型塔)

表10 可听噪声随相序的变化(猫型塔)

表11 可听噪声随相序的变化(门型塔)

综上，相邻回路采用逆相序排列对控制工频电场及工频磁场有利；相反，采用同相序排列对控制无线电干扰和可听噪声有利；对500 kV同塔三回路，工频电场是决定相序排列的关键因素，推荐相邻回路采用逆相序排列以控制工频电场．

3.2 塔头布置对电磁环境的影响

结果及分析如下．

图7～8、表12表明，10种塔头的工频电磁场基本对称分布；工频电场最大值出现在边相导线附近；工频电场最大值猫型塔与酒杯型塔接近，且较门型塔小；工频磁场最大值3种塔头均接近．

图7 不同塔头布置的工频电场

图8 不同塔头布置的工频磁场

表13表明，门型塔的无线电干扰与可听噪声较猫型塔与酒杯型塔大．

表12 不同塔头布置的工频电磁场最大值

表13 不同塔头布置的无线电干扰和可听噪声

综上，在选择合理的相序排列后，3种塔头布置中，猫型塔和酒杯型塔的电磁环境指标较好且差异不明显，门型塔指标较差；综合考虑采取同塔三回路最重要的减小线路走廊宽度的目的，不选择走廊宽度最大且电磁环境指标最差的门型塔布置，而猫型塔与酒杯型塔中优选走廊宽度较小的猫型塔布置．

3.3 导线最小对地高度对电磁环境的影响

导线最小对地高度是线路设计最重要的参数之一．根据前文的分析结果，优选相序排列Ⅰ回ABC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CBA的猫型塔布置．以2#为例，分析导线高度对电磁环境的影响．

结果及分析如下．

图9～10、表14表明，工频电磁场随导线对地高度的增加而减小，且减小的幅度逐渐变小；工频电场最大值出现在边相导线附近，工频磁场最大值出现在杆塔中心附近，此后电磁场沿着远离杆塔的方向逐渐衰减；规范[14]中500 kV线路要求在非居民区导线对地最小距离11 m、边相外5 m处工频电场10 kV/m，在居民区则为14 m和4 kV/m，与计算结果比较可知，优选相序后同塔三回路猫型塔的导线最小高度按规范执行即可；边相外5 m处的工频磁场最大值为7.55 μT，远小于100 μT．

图9 工频电场随导线最小高度的变化 图10 工频磁场随导线最小高度的变化

导线最小高度/m边相外5m处工频电场/(kV·m-1)边相外5m处工频磁场/μT114.317.55143.245.52172.474.13201.933.15231.532.45261.241.94291.021.56320.861.28350.731.07380.620.92410.540.80440.480.70470.420.62500.380.56530.340.51560.310.46

图11～12表明，无线电干扰随导线对地高度的增大呈先升后降的趋势；可听噪声则随导线对地高度的增大而减小．导线最小高度在11 m至56 m时，无线电干扰最大值为47.04 dB(μV/m)，小于55 dB(μV/m)；可听噪声最大值为38.11 dB(A)，小于55 dB(A)．

图11 无线电干扰随导线最小高度的变化 图12 可听噪声随导线最小高度的变化

4 结 论

1)对500 kV同塔三回路，推荐相邻回路采用逆相序排列．

2)门型塔的电磁环境指标较差且走廊宽度较大，不推荐采用门型塔布置；猫型塔和酒杯型塔的电磁环境指标接近，推荐走廊宽度较小的猫型塔布置．

3)选择相序排列Ⅰ回ABC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CBA的猫型塔布置后，导线对地最小高度不受电磁环境的制约，按规范执行即可．

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[责任编辑 张 莉]

Research on Electromagnetic Environment of 500 kV One-tower-three-circuit AC Transmission Line

Wen Zuoming1Wu Jiansheng1Dong Peng2

(1. East China Electric Power Design Institute Co., Ltd., China Power Engineering Consulting Group, Shanghai 200001， China;2. Shanghai Environment & Energy Exchange Co., Ltd. Shanghai 200083, China)

With the supercharged growth of economic society in China, there are some problems arose in many areas, such as, the towns and villages distributed densely, the numerous facilities are planning and the transmission line corridor resources are getting scarce. When a conventional one-tower-one-circuit line and a traditional one-tower-two-circuit line erected in parallel, one-tower-three-circuit transmission line could be used to narrow the line corridor, decrease the project cost and reduce the impact on the environment. In order to optimize the tower structure and conductor arrangement of 500 kV one-tower-three-circuit AC transmission line, we analyze the electromagnetic environment from the aspects of phase sequence, tower head arrangement and wire height, respectively. The results show that when inverse phase sequence arrangement in the adjacent loop, the frequency electromagnetic field was smaller than same phase sequence arrangement. If three loops are arranged in the same phase sequence, frequency electromagnetic field will be maximized. The law of radio interference (RI) and audible noise (AN) are opposite of frequency electromagnetic field. The frequency electric field is the controlling factor that is recommended to use the inverse phase sequence in adjacent loop. The quota of electromagnetic environment of portal tower indicate negative, moreover, the corridor width shows larger, the quota of electromagnetic environment of cat tower and cup-type tower are close, cat-tower is recommended because its smaller corridor width. The RI rose first and then decreased with the change of wire height; other indexes are decreased with the wire height going high; after we arranged the cat type tower with phase sequence of Ⅰ loop ABC- II loop ABC- III loop CBA, the wire minimum height is not restricted by the electromagnetic environment; it can be executed as long as follow the specification.

one-tower-three-circuit; transmission line corridor; 500 kV; electromagnetic environment

2016-12-10

温作铭(1983-)，男，硕士，高级工程师，主要从事输电线路设计工作．E-mail： wzm@ecepdi.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.04.014

TM15

A

1672-948X(2017)04-0065-06