500 kV 并行线路工频电场空间分布及其影响因素分析

2024-03-25刘海豪林怀德

能源与环境 2024年1期

刘海豪林怀德

（1 广东核力工程勘察院广东广州 510800 2 广东电网有限责任公司佛山供电局广东佛山 528000）

0 引言

近年来，随着超高压、特高压输电线路不断建设，尤其是向城市内部发展的趋势日益显著，由此引发的城市规划、土地利用规划和环保投诉等问题层出不穷［1-3］。为解决上述问题，各地供电部门纷纷采取同塔多回、并行架设等措施，以尽量节约线路走廊［4-5］。但与此同时，同塔多回线路并行架设带来了更为严重的电磁环境影响，尤其是工频电场可能会超标［6］，因此节约线路走廊与减小工频电场影响之间需要找到平衡点。目前而言，2 条500 kV 同塔双回线路并行架设是较为常见的，因此本文拟通过模式计算方式，分析2 条500 kV 同塔双回并行线路工频电场的空间分布特征和影响因素，为生态环境主管部门、供电部门和公众提供一定的参考。

1 计算方法

架空线路导线表面的电荷分布、电场强度是按正弦规律变化的，但由于其变化频率较低（50 Hz），其电荷及电场强度的分布可按准静态场进行计算。当只需要近似计算时，架空线路周围的电场强度也可按静电场来计算。静电场主要有2 类数值计算方法［7］：第1 类方法主要有有限差分法、有限元法，基本思想是从静电场的微分方程出发，划分网格将连续场域离散，求解得到该场域近似解；第2 类方法主要有模拟电荷法、矩量法和边界元法，其基本思想是以边界上的电荷分布或1 组虚设的模拟电荷为未知数，列出静电场的积分方程，结合己知的边界条件，求解电荷量及电荷分布，得到电场的近似解。上述数值计算方法在求解问题的场域范围、边界形状、场域维数、介质种类和计算结果方面，各具优缺点，如边界元法和有限元法一般用于复杂场域的求解，常用于分析输电线路杆塔等接地构架对工频电场的影响等［8-9］。

国际大电网会议第36.01 工作组推荐采用模拟电荷法对交流架空线路产生的工频电场进行求解，并可用导线等效半径代替分裂导线［10］，相关计算结果可满足工程设计需求，是目前成熟且主流的工频电场计算方法之一。

在环境影响评价领域，《环境影响评价技术导则输变电》（HJ 24—2020）沿用了国际大电网会议第36.01 工作组推荐的计算方法［11］，本文亦采用该方法。主要计算步骤包括：①计算分裂导线等效半径；②计算单位长度导线下的等效电荷；③计算由等效电荷产生的电场。该方法认为高压送电线上的等效电荷是线电荷，由于高压送电线半径远小于架设高度，因此等效电荷的位置可以认为是送电导线的几何中心。假设输电线路为无限长并且平行于地面，输电线路周围大气为均质介质，地面可视为良导体，并忽略杆塔、绝缘子等构架影响，利用镜像法计算送电线上的等效电荷。根据所求得的实部电荷、虚部电荷，利用叠加原理可计算得到空间任意一点的工频电场，在（x，y）点的电场强度的水平和垂直分量见式（1）～（2）。

式中：ExR、ExI分别为由各导线的实部电荷、虚部电荷在该点产生场强的水平分量；EyR、EyI分别由各导线的实部电荷、虚部电荷在该点产生场强的垂直分量；m 为导线数目；i、j 为相互平行的实际导线。

待求点的合成电场强度E 通过式（3）求得。

2 预测模型和主要参数

本文采用《环境影响评价技术导则输变电》（HJ 24—2020）推荐的计算方法，2 条500 kV 同塔双回并行线路的计算参数见表1。在并行线路最低对地高度的横截面上建立平面坐标系，以2 条线路铁塔中心连线中点为原点，以垂直线路走线方向的地面为X 轴，代表计算点距离并行线路中心线的水平距离；以垂直地面方向为Y轴，代表计算点距离地面的垂直距离，建立预测模型坐标系如图1 所示。

图1 预测模式坐标系示意图

表1 并行线路电场强度预测计算参数

研究表明，在单一同塔双回线路中，导线的相序排列对线下的电场强度影响显著，正相序排列对地产生的电场强度显著大于逆相序排列［12-13］。本文为2 条同塔双回线路，计算参数中除考虑Ⅰ线、Ⅱ线自身相序排列外，同时考虑Ⅰ线、Ⅱ线线间导线构成的“相序排列”，见表2 所示。

表2 并行线路相序排列

3 影响因素分析

3.1 对地高度

假设2 条500 kV 同塔双回线路接近距离为60 m、导线垂直间隔为12 m、相序排列为1，当对地高度在10～30 m 变化时，并行线路对地产生的电场强度如图2所示。可以看出：①整体上看，随着对地高度增大，并行线路对地产生的电场强度降低，降幅最大的位于I 线、II线各自的铁塔中心附近；②并行线路包夹区间的电场强度随对地高度增大而降低，但当对地高度增大至20 m后变化不大；③对地高度增大时，并行线路下方高电场覆盖区域略有减少，但不显著。

图2 不同对地高度时电场分布

3.2 接近距离

假设2 条500 kV 同塔双回线路导线对地高度为30 m、导线垂直间隔为12 m、相序排列为1，当接近距离在40～120 m 变化时，并行线路对地产生的电场强度如图3 所示。可以看出：①并行线路包夹区间的电场强度随着接近距离减小而增加，曲线呈“上凸”趋势，说明受2 条线路叠加影响显著；包夹区间外的电场强度曲线形状基本不变，说明基本不受叠加影响。②当接近距离由120 m 减小至80 m，电场强度极大值几乎不变，直到接近距离减小至60 m 才显著增大，说明2 条线路互相影响的距离是有限的。③当接近距离达到100 m 时，并行线路包夹区间的极小值与计算范围边缘处差别不大，说明在此接近距离下，并行线路对包夹区间的电场强度叠加影响极小，与单一线路无异，这与《环境影响评价技术导则输变电》（HJ 24—2020）要求“并行线路中心线间距＜100 m 时，应重点分析其对电磁环境敏感目标的综合影响”是一致的。

图3 不同接近距离时电场分布

3.3 导线垂直间距

假设2 条500 kV 同塔双回线路导线对地高度为30 m、接近距离为60 m、相序排列为1，当导线垂直间距在10～14 m 变化时，并行线路对地产生的电场强度如图4所示。可以看出：随着导线垂直间距减小，电场强度曲线形状基本不变，电场强度和高电场范围随之降低。

图4 不同垂直间距时电场分布

3.4 相序排列

假设2 条500 kV 同塔双回线路导线对地高度为30 m、接近距离为40 m、导线垂直间隔为12 m，当相序排列变化时，并行线路对地产生的电场强度如图5 所示。可以看出：①相序排列对并行线路包夹区间的电场强度影响显著，全正（包括Ⅰ、Ⅱ线间相序）相序排列下电场强度最大，全逆（包括Ⅰ、Ⅱ线间相序）相序排列最小；对计算范围边缘区域的电场强度几乎没有影响。②单一线路或Ⅰ、Ⅱ线线间采用逆相序均可显著降低电场强度及高电场覆盖范围。