屏蔽线（网）不同的架设方式改善架空输电线路工频电场分布研究

2019-11-27陈曦鸣王炎炜

通信电源技术 2019年11期

陈曦鸣，王炎炜

（1.安徽电力工程监理有限公司，安徽合肥 230022；2.华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室，河北保定 071003）

0 引言

随着输电线路工程的建设，架空输电线路将进入公共区甚至进入城市地区。输电线路引起的电磁污染将影响线路附近的居民，这种影响引起了社会各界的广泛关注，输电线路引起的环境投诉和纠纷也有所增加[1-2]。因此，降低输电线路电场强度的方法已成为环境保护和能源部门的一个重要问题。自1972年国际大电网会议召开以来，国内外对高压输电线路引起的电磁环境污染的研究和电场相关的计算方法得到了广泛研究[3-14]，多是研究如何计算和测量工频电场强度，但是对于抑制电场强度的研究很少。

对于已建成和运行中的输电线路，通常很难调整输电线路参数。因此，有必要降低输电线路下的电场强度，特别是有人员定期活动或有特殊需要时，必须将输电线路下的电场控制在一定范围。这种情况下，可以在相导体和地面之间安装屏蔽线或屏蔽网，降低电场强度。本文基于CDEGS软件建立高压架空输电线路工频电场三维仿真计算模型，研究架设屏蔽线和屏蔽网改善高压输电线路下方工频电场的效果，分析讨论屏蔽线架设高度、横向位置、根数以及屏蔽网网格数等对线路下方及表面工频电场影响的规律和特征。

1 CDEGS理论基础

CDEGS软件是以电磁理论为基础的工程商业软件，广泛应用于电磁干扰研究和接地系统设计分析。此外，CDEGS可计算输电线路的电磁场环境并可进行实验验证，因此该软件既能结合实验反映线路间的电磁耦合，又能反映线路接地体的状态。CDEGS软件应用的理论基础为矩量法。矩量法是一种将连续方程离散化为代数方程组的方法，对求解微分方程和积分方程均适用。

已知边界条件为：

设在给定边界条件的场方程统一表达式为：

式（2）为算子方程，L为线性算子。设待求函数u的近似解为，则误差（又称余量）为：

取一组权函数集合{W}，令：

按式（4）所构成的求解积分或微分方程近似解的方法统称为加权余量法。式（4）中按给定权函数展开，意味着余量对Wj取矩的一组平衡式，故,也被称为矩量法。

2 屏蔽线对线下场强的改善

架设屏蔽线的根数、高度、距线路中心的水平距离等，都对改善效果都很大影响。因此，本节基于CDEGS软件建立如图1所示的线路，分析架设屏蔽线后对线下场强的改善作用，并实施各种不同屏蔽线架设方案的情况进行仿真计算，以分析比较屏蔽线架设的最优方案。屏蔽线（网）的架设方法如图1所示。

图1 屏蔽线（网）架设位置示意图

2.1 屏蔽线水平距离的影响

图2为在水平位置-10 m、-12 m、-14 m、-16 m、-18 m处分别架设一根屏蔽线（高20 m）后，输电线下方电场强度的水平分布。由图2可见，当在水平位置-18～-10 m之间架设屏蔽线后，在架设屏蔽线的一侧，线下电场强度改善明显，且电场强度随水平位置的增大而减小。

图3为在水平位置-18 m、-20 m、-22 m、-24 m、-26 m处分别架设一根屏蔽线（高20 m）后，输电线下方电场强度的水平分布。由图3可见，当在水平位置-26～-18 m之间架设屏蔽线后，在架设屏蔽线的一侧线下电场强度较另一侧有明显改善，但此时电场强度随水平位置的增大而呈增大趋势。当屏蔽线水平位置较远时，图4为水平距离为40 m、50 m时，线下的电场强度分布曲线趋近于原始未架设屏蔽线时的电场强度分布。

表1 屏蔽线不同对地高度时线下的最大场强值

2.2 屏蔽线高度的影响

考虑在双回特高压交流输电线路外侧屏蔽线处于不同高度对地面电场强的影响，建立屏蔽线距双回特高压交流输电线路中心30 m处不同高度的电场强度，最大值见表1。屏蔽线在14 m增高至22 m时，线下场强的最大值在下降，而当屏蔽线在22 m增高至26 m时，线下场强的最大值却呈上升趋势。因此，对于临近双回特高压交流输电线路时，为有效降低地面电场强度分布，屏蔽线的高度不可过高，应找到屏蔽效果最优的高度为宜。

图2 架设屏蔽线水平位置不同时的电场强度横向分布

图3 架设屏蔽线水平位置不同时的电场强度横向分布

图4 架设屏蔽线水平位置不同时的电场强度横向分布

2.3 屏蔽线根数的影响

图5为分别架设1、2、3、4、5、6、7、8根屏蔽线（高20 m，水平位置在-18 m左边每隔1 m处）后，输电线下方电场强度的水平分布。由图5可见，架设了屏蔽线一侧的电场强度大幅减小，而未架设屏蔽线一侧基本没有改变；电场强度的减小程度随着屏蔽线的根数的增加而增加，但并不成正比，在一定范围内减小的程度显著，后减小程度逐渐缓慢。当架设1根屏蔽线时，最大场强减小了0.83 kV/m；分别架设2根、3根屏蔽线后，最大场强依次减小0.37 kV/m、0.25 kV/m，而后屏蔽线数目依次增大场强仍有减小，但减小速度依次降低。因此，考虑到经济因素，对于一般需要降低场强的区域只需架设4根屏蔽线即可将最大场强降低到50%。若对场强要求更严格，可再增加适当数量的屏蔽线。

图5 架设屏蔽线不同数目时的电场强度横向分布

3 屏蔽网对线下场强的改善

为研究屏蔽网的屏蔽效果，对架设屏蔽网和屏蔽线的计算结果进行分析和比较。以图6所示导体搭建的简易屏蔽网为例，在水平位置-18 m、高20 m时架设一根屏蔽线和架设不同宽度的简易屏蔽网的线下电场分布如图7示。

图6 简易屏蔽网示意图

图7 简易屏蔽网不同宽度的电场强度横向分布

图7中，曲线1为在水平位置-18 m、高20 m时，架设一根屏蔽线时的线下电场强度分布，最大电场强度为2.50 kV/m，而架设宽为2 m的简易屏蔽网后，线下最大电场强度为2.07 kV/m，场强横向分布如曲线2所示，场强分布改善良多。增大简易屏蔽网的宽度后，虽然线下的最大电场强度依次降为2.03 kV/m、2.01 kV/m，但是场强分布改善较小。由图7可见，对于线下场强分布较为强烈的地区，可选用简易屏蔽网达到较好的屏蔽效果，但宽度不宜过宽，否则将带来过大的经济损耗和技术难度。

将屏蔽网看做a×b网格，其中a为宽的格子数，b为长的格子数。为详细研究屏蔽网网格数目的屏蔽效果，对架设屏蔽网的不同网格数目计算结果进行分析和比较。在水平位置-18 m、高20 m时，屏蔽网宽2 m，长300 m，架设屏蔽网的网格数目分别为1×1、2×10、4×10、40×40时的线下电场强度分布如图8所示。线下的电场强度分布依次降低，最大电场强度依次为2.07 kV/m、1.74 kV/m、1.56 kV/m、1.37 kV/m，场强分布随着屏蔽网的网格数目增多而降低。

图8 屏蔽网不同网格数目的电场强度横向分布

在水平位置-18 m、高20 m时，屏蔽网宽2 m，长300 m，架设屏蔽网的网格数目分别为2×10、4×10、2×40时的线下电场强度分布如图9所示。由图9可见，屏蔽网网格数目增多时，线下的电场强度均有所改善，但最大电场强度依次为1.74 kV/m、1.56 kV/m和1.69 kV/m，屏蔽网网格数目为2×40时，电场强度比屏蔽网网格4×10时的电场强度大，可见屏蔽网格a的网格数越多，越能有效降低线下的电场强度。

图9 屏蔽网不同网格数目的电场强度横向分布

在水平位置-18 m、高20 m时，屏蔽网为2 m×300 m，架设屏蔽网的网格数目分别为2×40、4×40、40×40时的线下电场强度分布如图10所示。由图10可见，仅增多a的网格数目时，线下的电场强度均有所改善，线下的最大电场强度依次为1.69 kV/m、1.55 kV/m、1.37 kV/m。电场强度随着屏蔽网a的网格数目增多而下降，与上述分析结果一致。