共走廊架設(shè)超/特高壓輸電線路電場(chǎng)分布及走廊優(yōu)化研究

石超群，朱 軍，吳靜文，吳 馳，吳廣寧，邱 璆

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031;2.四川電力科學(xué)研究院，四川 成都 610072)

國(guó)內(nèi)外實(shí)踐和研究經(jīng)驗(yàn)表明，特高壓交流輸電線路可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、大容量輸電，有利于建立堅(jiān)強(qiáng)的電網(wǎng)。中國(guó)的能源、負(fù)荷中心分布極不均衡，能源主要分布在西部，而電力需求主要在東部發(fā)達(dá)地區(qū)，為緩解能源與負(fù)荷不均衡這一矛盾，更好地實(shí)現(xiàn)“西電東送”和“全國(guó)聯(lián)網(wǎng)”，將特高壓線路作為全國(guó)電網(wǎng)的主網(wǎng)架是十分必要的［1-4］。

隨著特高壓輸電線路的建設(shè)，在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)且土地資源緊張的地區(qū)，勢(shì)必出現(xiàn)超高壓線路與特高壓線路平行架設(shè)甚至共用走廊的情況，由于輸電線路走廊費(fèi)用占線路建設(shè)投資的比例呈上升趨勢(shì)，目前走廊費(fèi)用占靜態(tài)投資的比例達(dá)20%甚至更高，所以輸電線路走廊的優(yōu)化會(huì)直接影響工程造價(jià)，而且影響輸電走廊寬度的重要因素之一就是電場(chǎng)分布［5-6］。超/特高壓共用走廊架設(shè)時(shí)，輸電線路下方的電磁環(huán)境更為復(fù)雜。文獻(xiàn)［7］對(duì)高壓輸電線路的電磁環(huán)境限值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了相關(guān)探討，指出線路跨越農(nóng)田時(shí)，工頻電場(chǎng)不超過(guò)10 kV/m;線路臨近民房時(shí)，房屋所在位置離地1.5 m處的最大未畸變場(chǎng)強(qiáng)不超過(guò)4 kV/m，并以此電場(chǎng)限值作為輸電線路走廊寬度計(jì)算的參考值。文獻(xiàn)［8-10］對(duì)超、特高壓交流線路單獨(dú)架設(shè)時(shí)電場(chǎng)分布的影響因素做了一定研究，然而對(duì)超高壓與特高壓線路共走廊架設(shè)時(shí)線路的電場(chǎng)分布以及走廊寬度的研究還很少。

下面利用等效電荷法，通過(guò)數(shù)值仿真，分析了超/特高壓共用走廊架設(shè)時(shí)導(dǎo)線相序排列，導(dǎo)線的架設(shè)高度以及線路接近距離對(duì)電場(chǎng)分布和走廊寬度的影響，研究結(jié)果可以為工程實(shí)際提供理論依據(jù)。

1 等效電荷法計(jì)算電場(chǎng)

等效電荷法是以鏡像法為基礎(chǔ)，理論依據(jù)還是場(chǎng)的唯一性定理:是把導(dǎo)體表面不均勻且連續(xù)分布的電荷用其內(nèi)部一組等效電荷來(lái)代替。只要這組電荷能保證原來(lái)給定的邊界條件不變，就能用這組等效電荷求出全場(chǎng)域的解［11］。等效電荷的位置和形狀是由導(dǎo)體的形狀和對(duì)場(chǎng)的定性分析所設(shè)置，而電荷值則可由給定的邊界條件求出。等效電荷法可用于計(jì)算高壓電極、高壓輸電線和其他高壓電器附近的高壓電場(chǎng)。

計(jì)算多導(dǎo)線線路中導(dǎo)線上的等效電荷，可寫出矩陣方程為

其中，［U］為各導(dǎo)線上電壓列向量，由輸電線上的電壓和相位決定;［Q］為各導(dǎo)線上等效電荷的列向量;［P］為多導(dǎo)線系統(tǒng)的電位系數(shù)矩陣組成的n階方陣(n為導(dǎo)線的數(shù)目)，矩陣中的各元素由導(dǎo)線自身參數(shù)及空間位置決定。

由于［U］和［P］是已知量，通過(guò)矩陣變換即可求出［Q］，然后可以求出空間中任一點(diǎn)(x，y)處的電場(chǎng)強(qiáng)度為

其中，Ex為空間任一點(diǎn)電場(chǎng)水平分量;Ey為空間任一點(diǎn)電場(chǎng)垂直分量;xi和yi為第i相導(dǎo)線的空間坐標(biāo);Li、L'i分別為空間任一點(diǎn)到第i相導(dǎo)線的距離和到第i相導(dǎo)線鏡像的距離。

利用等效電荷法，采用Matlab編制計(jì)算程序，分別仿真了超高壓及特高壓線路單獨(dú)架設(shè)時(shí)線路的電場(chǎng)分布，如圖1所示，500 kV同塔雙回輸電線路單獨(dú)架設(shè)和1000 kV特高壓輸電線路單獨(dú)架設(shè)時(shí)電場(chǎng)分布曲線呈馬鞍形，與文獻(xiàn)［12-14］結(jié)果相符，500 kV同塔雙回輸電線路采用逆相序排列與同相序排列相比，場(chǎng)強(qiáng)最大值從10.62 kV/m減小到8.77 kV/m，減小約17.5%。

圖1 超高壓及特高壓線路單獨(dú)架設(shè)時(shí)線路的電場(chǎng)分布

2 仿真模型的建立

超/特高壓線路共用走廊架設(shè)時(shí)，各回路首先要滿足單獨(dú)架設(shè)時(shí)的線路參數(shù)要求。交流超高壓線路選取同塔雙回500 kV線路，導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-400/35，導(dǎo)線采用 4 分裂，分裂間距為 0.5 m［15］，底相導(dǎo)線水平間距為18 m，中相導(dǎo)線水平間距為22 m，上層導(dǎo)線水平間距為15 m，中相導(dǎo)線與底相導(dǎo)線垂直間距為10.6 m，上層導(dǎo)線與底相導(dǎo)線垂直間距為22 m［16］，計(jì)算時(shí)線電壓取525 kV;交流特高壓線路選取1000 kV單回水平排列，導(dǎo)線型號(hào)為L(zhǎng)GJ-630/35，導(dǎo)線采用8 分裂，分裂間距為 0.4 m［17］，導(dǎo)線相間距為22.2 m，計(jì)算時(shí)線電壓取1050 kV。d表示超/特高壓線路桿塔中心線的接近距離。由于避雷線對(duì)輸電線路下方電場(chǎng)分布的影響很小［18］，所以在仿真時(shí)沒(méi)有考慮避雷線的作用。超/特高壓線路共用走廊架設(shè)時(shí)的示意圖如圖2所示。

圖2 超/特高壓線路共用走廊示意圖

3 同塔雙回500 kV相序?qū)﹄妶?chǎng)分布的影響

如圖2所示，接近距離d=60 m。保持特高壓線路的相間距不變，導(dǎo)線的最小對(duì)地高度取22 m，導(dǎo)線相序從左至右依次為A、B、C;保持超高壓線路導(dǎo)線的相對(duì)位置不變，底相導(dǎo)線的最小對(duì)地高度取11 m，位于桿塔中心線左側(cè)回路導(dǎo)線相序從上至下依次為A、B、C，改變位于桿塔中心線右側(cè)回路導(dǎo)線的相序，6種相序排列方式如表1所示，距地面1.5 m處的電場(chǎng)仿真結(jié)果如圖3所示。下，右側(cè)回路從下至上;1000 kV線路導(dǎo)線相序命名原則是從左至右)

表1 超、特高壓共用走廊架設(shè)時(shí)的相序排列和場(chǎng)強(qiáng)最大值

圖3 不同相序時(shí)線路下方電場(chǎng)分布

由表1可以看出，排列3和排列6時(shí)，輸電走廊的場(chǎng)強(qiáng)最大值小于其他4種排列方式，且可以使整個(gè)走廊場(chǎng)強(qiáng)的最大值控制在10 kV/m的限值范圍。

排列1時(shí)，500 kV同塔雙回超高壓線路是逆相序排列，此時(shí)輸電線路下方場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)是最小的，但是由于其右側(cè)回路a相位于最下方，與特高壓A相的作用增強(qiáng)，使場(chǎng)強(qiáng)最大值大于只有500 kV線路單獨(dú)作用時(shí)的最大場(chǎng)強(qiáng)，而且此時(shí)整個(gè)走廊的場(chǎng)強(qiáng)最大值超過(guò)10 kV/m的場(chǎng)強(qiáng)限值。

排列3到排列6，雖然500 kV同塔雙回超高壓線路都是混相序排列，但是排列3和排列6時(shí)場(chǎng)強(qiáng)最大值小于排列4和排列5時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)最大值，因?yàn)榇藭r(shí)表1中標(biāo)注陰影的3根導(dǎo)線的相位互不相同，電場(chǎng)的疊加作用最小。

排列6時(shí)，500 kV同塔雙回超高壓線路是正相序排列，其兩回c相位于最下方，超高壓線路自身產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)最大值都已經(jīng)很高(＞10 kV/m)，雖然由于特高壓線路A相的作用，使超高壓線路走廊內(nèi)側(cè)回路產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)有所削弱，但是場(chǎng)強(qiáng)最大值還是由超高壓線路走廊外側(cè)回路決定。

由以上綜合分析可知，超/特高壓共用走廊架設(shè)時(shí)，同塔雙回超高壓線路采用混相序，且使表1中標(biāo)注陰影的三根導(dǎo)線相位互不相同，此種相序是最優(yōu)相序。

6種相序排列方式下，高場(chǎng)強(qiáng)(＞4 kV/m)覆蓋區(qū)域幾乎沒(méi)有變化，所以導(dǎo)線的相序排列方式對(duì)場(chǎng)強(qiáng)的最大值影響較大，對(duì)高場(chǎng)強(qiáng)覆蓋區(qū)域影響很小，即導(dǎo)線的相序排列方式對(duì)輸電線路走廊寬度的影響較小。

4 接近距離對(duì)電場(chǎng)分布的影響

選取與前文仿真所采用的同樣的桿塔參數(shù)和線路參數(shù)，導(dǎo)線相序采用排列3，改變超高壓線路與特高壓線路桿塔中心線的接近距離d，接近距離從60 m每間隔10 m遞增到120 m，不同接近距離時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)最大值與高場(chǎng)強(qiáng)覆蓋區(qū)域列于表2。仿真結(jié)果如圖4所示，圖中繪制出了接近距離分別為60 m、80 m、100 m、120 m時(shí)的電場(chǎng)分布曲線。

圖4 不同接近距離時(shí)線路下方電場(chǎng)分布

表2 不同接近距離時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)最大值和高場(chǎng)強(qiáng)覆蓋區(qū)域

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)繪制接近距離與高場(chǎng)強(qiáng)覆蓋區(qū)域的曲線關(guān)系，如圖5所示。

通過(guò)圖4、表2和圖5綜合分析可以看出，隨著接近距離的增加，場(chǎng)強(qiáng)最大值幾乎沒(méi)有變化，但是位于兩桿塔中心線之間的場(chǎng)強(qiáng)最小值顯著減小，從5.68 kV/m減小到1.31 kV/m，這主要是由于交流電場(chǎng)衰減很快，隨著接近距離的增加，電場(chǎng)的疊加作用明顯減弱。

圖5 接近距離與高場(chǎng)強(qiáng)覆蓋區(qū)域的關(guān)系

高場(chǎng)強(qiáng)覆蓋區(qū)域隨著接近距離的增加成線性增長(zhǎng)，當(dāng)接近距離大于70 m時(shí)，在兩桿塔中心線之間會(huì)出現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)最大值小于4 kV/m的區(qū)域，但是該區(qū)域處于走廊內(nèi)部，利用價(jià)值較小，所以在統(tǒng)計(jì)高場(chǎng)強(qiáng)覆蓋區(qū)域時(shí)沒(méi)有考慮。目前隨著電力線路的不斷增加，為了節(jié)約輸電走廊，提高單位走廊輸送功率，回路間的接近距離由原來(lái)的倒桿距離逐漸向安全間隙距離取值靠近，所以在滿足線路絕緣的要求下，可以適當(dāng)縮小回路的接近距離。

5 導(dǎo)線最小對(duì)地高度對(duì)電場(chǎng)分布的影響

保持超高壓與特高壓各回路的導(dǎo)線相對(duì)位置不變，特高壓導(dǎo)線最小對(duì)地高度取22 m，超高壓線路與特高壓線路的接近距離d取60 m，改變超高壓線路底相導(dǎo)線最小對(duì)地高度，不同導(dǎo)線對(duì)地高度時(shí)線路下方的電場(chǎng)分布如圖6所示。

圖6 超高壓線路不同底相導(dǎo)線最小對(duì)地高度時(shí)電場(chǎng)分布

由圖6可以看出，底相導(dǎo)線最小對(duì)地高度為10 m時(shí)，500 kV線路產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)最大值會(huì)大于10 kV/m，底相導(dǎo)線最小對(duì)地高度從11 m增加到13 m時(shí)，超高壓側(cè)的場(chǎng)強(qiáng)最大值顯著減小，從9.00 kV/m減小到6.75 kV/m，但是整個(gè)走廊的場(chǎng)強(qiáng)最大值幾乎不變。超高壓線路底相導(dǎo)線最小對(duì)地高度的提高，對(duì)高場(chǎng)強(qiáng)覆蓋區(qū)域的影響很小，高場(chǎng)強(qiáng)覆蓋區(qū)域會(huì)有所減小，但是不明顯。

保持超高壓與特高壓各回路的導(dǎo)線相對(duì)位置不變，超高壓線路底相導(dǎo)線最小對(duì)地高度取11 m，超高壓線路與特高壓線路的接近距離d取60 m，改變特高壓線路導(dǎo)線最小對(duì)地高度，不同對(duì)地高度時(shí)線路下方的電場(chǎng)分布如圖7所示。

由圖7可以看出，當(dāng)特高壓導(dǎo)線最小對(duì)地高度小于22 m時(shí)，整個(gè)輸電走廊的場(chǎng)強(qiáng)最大值是由特高壓線路產(chǎn)生的電場(chǎng)決定;特高壓導(dǎo)線最小對(duì)地高度從23 m增加到26 m時(shí)，特高壓側(cè)的場(chǎng)強(qiáng)最大值從8.90 kV/m減小到7.35 kV/m，但是整個(gè)走廊的場(chǎng)強(qiáng)最大值幾乎不變。同時(shí)，隨著特高壓線路導(dǎo)線最小對(duì)地高度的提高，高場(chǎng)強(qiáng)覆蓋區(qū)域也幾乎沒(méi)有變化。

圖7 特高壓線路不同導(dǎo)線最小對(duì)地高度時(shí)的電場(chǎng)分布

6 結(jié)論

(1)超高壓與特高壓輸電線路共走廊架設(shè)時(shí)，導(dǎo)線的相序排列會(huì)對(duì)走廊電場(chǎng)分布產(chǎn)生較大影響，對(duì)線路走廊寬度影響較小;同塔雙回超高壓線路采用混相序排列，特高壓線路靠近走廊中心線的一回線路采用與超高壓底相導(dǎo)線互不相同的相位，此種相序排列是能夠使整個(gè)輸電走廊場(chǎng)強(qiáng)滿足限值標(biāo)準(zhǔn)的最優(yōu)相序。

(2)隨著超高壓與特高壓線路接近距離的增大，輸電走廊場(chǎng)強(qiáng)最大值基本不變，且高場(chǎng)強(qiáng)覆蓋區(qū)域與接近距離成線性關(guān)系;在滿足線路絕緣的要求下，可以適當(dāng)減小線路間的接近距離，以達(dá)到縮小輸電走廊寬度的目的;當(dāng)超/特高壓線路共走廊架設(shè)時(shí)，接近距離建議取70～90 m。

(3)對(duì)于共走廊架設(shè)的超/特高壓輸電線路，走廊內(nèi)地面電場(chǎng)最大值與導(dǎo)線最小對(duì)地高度有密切關(guān)系。當(dāng)超/特高壓共用走廊架設(shè)時(shí)，建議超高壓線路地線導(dǎo)線最小對(duì)地高度大于11 m，特高壓導(dǎo)線最小對(duì)地高度大于23 m。

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