220 kV输电线路工频电磁场计算与分析

2022-12-19江进波沈骏峰黄国良金童唐铭王佳栋

科学技术与工程 2022年31期

江进波，沈骏峰，黄国良，金童，唐铭，王佳栋

(1.湖北省输电线路工程技术研究中心，宜昌 443002； 2.三峡大学电气与新能源学院，宜昌 443002； 3. 国网衢州供电公司，衢州 324000； 4. 国网嘉兴供电公司，嘉兴 314000)

随着电力行业的不断发展和电网规模的扩大，220 kV和500 kV输电线路已经成为中国电网的主要组成部分。220 kV及500 kV输电线路附近由于大电流和大电压会形成复杂的电磁环境，包括工频电场，工频磁场、无线电干扰、可闻噪声等[1]。工频电磁场由于其短期和长期生态影响，往往会对附近长期居住的居民的生活质量和身体健康造成严重影响[2]。国家环保总局文件HJ/T 24—1998规定,为了不影响附近居民生活，居民区工频电场限制为4 kV/m、工频磁场为0.1 mT。输电线路附近的电磁场强度已经成为影响输电线路工程规划、设计和建设成本的重要影响因素[3-4]。

为了减小对居民生活的影响程度，国内外学者针对高压线路的电磁环境进行了大量研究。文献[5]针对500 kV同走廊并行交流输电线路，分析了两并行线路间距和相序对线下工频电场影响。文献[6]分析了不同导线型号、导线间距以及最低相距地距离对500 kV同塔双回紧凑型输电线路电磁场环境影响。文献[7-8]分析了不同塔型输电线路电磁环境，通过分析各种塔型线路工频电场强度和分布特性，优选出对线路电磁环境影响最小的塔型。文献[9-12]对高压输电线路附近建筑物的电磁环境进行分析，研究输电线路高度及建筑物距输电线路距离对建筑物电场水平的影响，得出建筑物与输电线路的安全距离。文献[13-14]研究输电线路附近无房屋时工频电场的特征和影响因素，提出电磁环境优化措施。文献[15]对±660 kV直流输电线路进行仿真计算，分析了天气情况、海拔高度、极导线间距、极导线对地距离对直流输电线路电磁环境的影响。文献[16-17]通过直流输电线路对仿真分析，发现线路电晕放电产生的离子流场会增大地面电场强度，对人体造成一定的影响。文献[18]对单回和同塔双回线路在不同组合下并行的工频电场分布特征进行研究，获得不同并行情况下电磁环境的影响因素。文献[19]对500 kV同塔4回路输电线路多种相序下的电磁环境进行仿真模拟，综合考虑电磁环境工频电磁场、无线电干扰、可闻噪声，从中选出最优相序排列顺序。以上研究主要集中于单电压等级输电线路下电磁环境分析，本文中有500 kV与220 kV平行线路，不同电压等级线路相互影响，电磁环境更加复杂。通过对输电线路进行仿真模拟，可以准确分析计算线路附近工频电磁环境，对于实际输电线路工程规划、设计和安全可靠运行具有重要的工程指导意义。

根据井冈山水电厂220 kV外送工程中的新建线路规划，对220 kV输电线路和部分220 kV线路与500 kV文赣线平行，建立简化的线路几何模型。通过有限元软件COMSOL分析220 kV线路以及平行段线路的电磁场强度及分布特性。依据电场、磁场的标准限值，确定两种主要运行线路附近人员安全活动区域及房屋安全距离，并根据线路参数和气象条件等实际情况确定220 kV线路与500 kV输电线路的安全间距，为220 kV及500 kV输电线路工程的规划、设计及电磁环境评估提供参考。

1 有限元计算方法

1.1 仿真方法的选择

关于工频电磁场的理论计算，国内外许多学者提出了许多的数值计算方法。工频电磁场的频率在我国为 50 Hz，属于极低电频场，可以看作是准静态场。现有的有关架空送电线路工频电场理论计算的国内外文献几乎都运用经典的静电场理论作为数值计算的理论依据。

运用有限元法来计算电磁场分布，传统的有限元法以变分原理为基础，把所要求的微分方程型数学模型——边值问题，首先转化为相应的变分问题，即泛函求极值问题；然后利用剖分插值，离散变分问题为普通多元函数的极值问题，最终归结为一组多元的代数方程组，解之即得待求边值问题的数值解。可以看出，有限元法的核心在于剖分插值，它是将研究的连续场分割为有限单元，然后用比较简单的插值函数来表示每个单元的解，但是它并不要求每个单元的试探解都满足边界条件，而是在全部单元总体合成后再引入边界条件。

1.2 仿真模型简化

为了方便计算，在满足工程实际要求的前提下，做出如下假设。

(1)由于计算的是220、500 kV交流输电线路的电磁场分布，导线对其决定作用，故忽略绝缘子、铁塔等结构件的影响。

(2)为了降低模型复杂程度、减少仿真计算时间,将钢芯铝绞线等效为圆直导线如图1所示,等效后电磁场分布情况大体相同，保证了计算精度。

图1 导线简化几何模型Fig.1 Simplified geometric model of conductor

(3)考虑输电导线足够长，因此将三维的静电场计算等效为二维电场计算。做完相应的简化计算后，根据实际尺寸对输电线路进行仿真模拟。为了达到研究目的，选取导线最大弧垂点来计算其电磁场分布，并考察其是否符合电场与磁场限值。

1.3 220 kV线路参数及模型

220 kV线路导线采用2分裂导线，其子导线分裂间距为400 mm，选取其中一段220 kV输电线路进行分析，线路具体参数如表1所示。仿真模型如图2所示。

表1 220kV输电线路模型参数Table 1 Model parameters of 220 kV transmission line

图2 220 kV线路仿真模型Fig.2 Simulation model of 220 kV transmission line

1.4 平行线路参数及模型

220 kV输电线路结构参数如表1所示，取其中一段线路与500 kV输电线路平行段进行电场分析， 500 kV输电线路的导线为4分裂导线，其具体模型参数如表2所示，线路平行段仿真模型如图3所示。

表2 500 kV输电线路模型参数Table 2 Model parameters of 500 kV transmission line

图3 平行线路仿真模型Fig.3 Simulation model of parallel line

2 220 kV线路电磁环境分析

2.1 距地面高度1.5 m处电场强度

为了研究导线周围的电场环境，考虑其电场限值，在导线弧垂最大的位置使离地面最近的一相导线的相电压最大，即179.63 kV，其他两相的相电压为-89.815 kV。由此，对这个时刻的电场环境进行稳态仿真分析。

基于实际线路参数，通过有限元仿真软件COMSOL计算，得到导线的电场分布云图，如图4所示，右侧为相线局部放大图。

图4 导线电场分布Fig.4 Electric field distribution of conductor

为了考察该线路周围电场环境是否满足安全标准，图5所示为距地面高度1.5 m处电场强度的分布曲线图。其中坐标原点对应于导线最大弧垂点，横坐标对应其距原点处的水平距离。由图5可见，由于三相导线中底下左侧相导线电压值设置为最大相电压，因此电场强度最大值出现在最大弧垂点左侧。其中，最大值为3.433 kV/m，低于标准限值4 kV/m，符合安全标准要求。

图5 距地1.5 m处水平方向电场分布Fig.5 The magnetic field strength distribution of 1.5 m from the ground

2.2 距地面高度1.5 m处磁场强度

在对磁场进行仿真分析时采用经济电流运行方式，即220 kV线路运行电流取540 A。因此，通过折算的电流密度作为载荷，进行磁场的频域计算分析。图6为在工频条件下的磁感应强度分布云图。

图6 导线磁场分布Fig.6 Magnetic field distribution of conductor

为了考察导线引起的磁场对周围环境的影响，对距地面1.5 m处的磁感应强度进行分析计算，如图7所示。同样，最大值出现在最大弧垂点左侧，且最大值为2.429×10-6T。图8所示为导线中心的磁感应强度在轴向方向上的分布曲线，其最大值为3.8×10-5T。由此可见，在这两种方向上，磁感应强度都远小于标准限值0.1 mT，故导线周围的磁场对环境的影响很小。因此，工频磁场不是架空线路设计的限制因素，220 kV线路与500 kV线路平行段不考虑磁场分布的影响，电磁环境分析将着重考虑电场分布情况。

图8 导线中心垂直方向磁感应强度分布Fig.8 The magnetic field strength distribution of vertical direction of conductor center

2.3 周边不同房屋高度电场强度

为了考察该输电线路对周边居民住房的影响，分析了房屋高度的电场分布，考虑其建筑结构多为单层、双层、多层，即分别计算对距地面3、6、9 m处水平线上的电场强度，如图9所示。由此可见：

(1)距地面3 m处最大电场强度为3.73 kV/m，小于电场强度限值，因此在最大弧垂点周围，单层建筑可以存在。

(2)距地面6 m处最大电场强度为5.59 kV/m，超过电场强度限值，而距离最大弧垂点水平距离约9.7 m处电场强度为4 kV/m，因此为了居民安全生活，在最大弧垂点水平周围9.7 m以内，应禁止双层及以上建筑存在。

(3)距地面9 m处最大电场强度为12.75 kV/m，同样在距离最大弧垂点水平距离约10.8 m处电场强度为4 kV/m，因此在其周围10.8 m处应禁止三层及以上建筑存在。

图9 不同房屋高度处的电场强度分布Fig.9 The magnetic field strength distribution of different building heights

3 平行线路电磁环境分析

3.1 线路垂直方向电场强度

为了在考察平行线路间最大电场强度分布，在两线路最近相处，取反向最大相电压，即220 kV输电线路最右侧相电压取179.63 kV，500 kV输电线路最左侧相电压取-408.25 kV。此刻，当平行线路间距为15 m时，其电势分布如图10所示。与此同时，该平行线路的电场强度分布如图11所示。

图11 平行线路电场分布Fig.11 Electric field distribution of parallel lines

由于平行线路间距离如果选择不当，会导致放电现象，应当限制其安全距离。对于220 kV输电线路和500 kV输电线路之间的距离进行优化，其标准是要求两导线间的电场强度低于限值4 kV/m。

图12为平行线路间不同距离时，它们之间垂直方向的电场强度分布曲线。由此可见，当平行线路间的距离增大时，它们之间的电场强度将会降低，而当距离为28.5 m时，此时垂直方向的电场强度最大值为3.97 kV/m，与标准限值接近。因此本文所确定的平行线路间最短距离为28.5 m。

图12 平行线路不同距离时垂直方向电场强度分布Fig.12 The magnetic field strength distribution of vertical direction at different distances of parallel lines

3.2 距地面高度1.5 m处电场强度

在确定平行线路间距离为28.5 m后，考察此时两个输电线路工作时的电场环境。考虑到两个不同电压等级输电线路的耦合作用，对于人安全的活动区域进行判断。距地面1.5 m处的电场强度分布规律如图13所示，其中电场强度的最大值为2. 618 kV/m，低于限值4 kV/m。因此，对于该段平行线路导线下，人的活动是安全的。

图13 距地面1.5 m处的电场强度分布Fig.13 Electric field distribution of 1.5 m from the ground

3.3 周边不同房屋高度电场强度

为了考察平行输电线路对周边居民住房的影响，同样分析了房屋高度的电场分布，分别计算对距地面3、6、9 m处水平线上的电场强度，如图14所示。由此可见：

(1)距地面3 m处最大电场强度为2.993 kV/m，小于电场强度限值，因此在平行线路最大弧垂点中心周围，单层建筑可以存在。

图14 不同房屋高度处的电场强度分布Fig.14 The magnetic field strength distribution of different building heights

(2)距地面6 m处最大电场强度为5.027 kV/m，超过电场强度限值，而距离最大弧垂点水平距离约18.8 m处电场强度为4 kV/m，因此为了居民安全生活，在其水平周围18.8 m以内，应禁止双层及以上建筑存在。

(3)距地面9 m处最大电场强度为12 .543 kV/m，同样在距离平行线路最大弧垂点中心水平距离约27.5 m处电场强度为4 kV/m，因此在其周围27.5 m处应禁止三层及以上建筑存在。

3.4 平行线路实际最佳实际间距

由于架空输电线路的绝缘子串和架空输电导线在风荷载作用下将产生风偏摆动，在摇摆过程中，本文所运用的平行导线之间的距离将被缩短，使导线间的电场强度无法满足安全的限值。

影响导线风偏摆动位移的因素主要有风和冰雪荷载，安装检修的各种附加荷载，结构变形引起的次生荷载以及各种振动动力荷载，各种荷载作用于导线直接影响风偏位移，另外导线、架空地线的张力，以及气温变化时，会引起导线热胀冷缩，从而影响导线的弧垂与应力，这些因素的变化会引起杆塔荷载的变化，如果在日常的线路运行工作中能够注意到这些因素，将会对预防风偏故障有很大的帮助。结合实际工程，220 kV线路绝缘子风偏角约31.44°，导线最大弧垂点风偏水平距离为6.4 m；500 kV线路绝缘子风偏角约25.8°，因此导线最大弧垂点风偏水平距离为5.94 m。因此，当风向相同时，220 kV输电线路和500 kV输电线路的相对风偏距离为两者水平风偏距离之差，即0.46 m，结合标准电场安全距离28.5 m，在考虑标准安全距离时，平行线路间最短距离应为两者之和，即28.96 m，在实际工程中平行段线路的水平距离可取为30 m。