500kV同塔四回輸電線路下工頻電場模擬與防護

劉嘉文，周慶華，李 麗，李 濤

（1.廣東電網公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080；2.長沙理工大學物理與電子科學學院，湖南 長沙 410004）

500kV同塔四回輸電線路下工頻電場模擬與防護

劉嘉文1，周慶華2，李 麗1，李 濤2

（1.廣東電網公司電力科學研究院，廣東 廣州 510080；2.長沙理工大學物理與電子科學學院，湖南 長沙 410004）

為使輸電線路下方的工頻電場符合國家限值要求的同時有效降低工程造價，建立500kV同塔四回輸電線路模型，計算不同條件下線路下方的工頻電場，得到工頻電場最大值與相線高度之間的關系，提出500kV同塔四回輸電線路下方工頻電場的防護措施，為在工頻電場超過限值的區域架設屏蔽線提供參考方案。

500kV；同塔四回輸電線路；電場強度；屏蔽線

0 引言

隨著我國的城市化進程的不斷推進，輸變電工程越來越接近公眾活動區域，甚至進入市區，在高壓線周圍，導線上的電荷產生工頻電場，導線內的電流產生工頻磁場，由其帶來的電磁污染已引起社會各方面的廣泛關注[1]。國內相關標準推薦居民區工頻電場應低于4kV/m，工頻磁場應低于0.1mT[2-3]。對于輸電線下方的工頻電磁場，如果僅采用建設完成后現場測量方法進行評估，一旦出現工頻電磁場超標的情況將影響正常的電力運行生產。采用數值方法計算工頻電磁場，可以在設計階段準確評估輸電線路的電磁環境，或對現有線路提出恰當的改善措施，是國內外研究的熱點。1972年，H.Singer等[4]提出了用等效電荷法計算電場的方法，該方法被國際大電

網會議第36.01工作組推薦為輸電線路下方工頻電場的數值計算方法。R.Olsen等[5]基于麥克斯韋方程組分析了高壓線附近的工頻電磁場，研究結果證明，由于頻率極低（50Hz），工頻電場與工頻磁場可被視為相互獨立。國內學者對特高壓輸變電設備周圍工頻電磁場的數值模擬研究方面也已取得重要成果。萬保權等[6]采用等效電荷法計算了兩種不同塔型的500kV同塔四回輸電線路在不同導線排列方式情況下的工頻電場。彭迎等[7]在計算高壓輸電線附近的工頻電場時，考慮了桿塔以及弧垂對計算結果的影響。張曉等[8]分析了d、e兩種型塔500kV同塔4回輸電線所有相序布置方式下的電磁環境，給出了兩種塔形的最優相序布置建議，其研究結果表明，500kV同塔四回輸電線下方的工頻磁場遠低于限值，而工頻電場有可能超過限值。

為降低輸電線下方的工頻電場，最簡單直接的方法是提高導線對地高度。然而，由于特高壓線路輸送距離長，若桿塔高度的冗余太大，將極大提高工程造價，造成不必要的浪費。并且有些區域受地形或建筑物影響，其相線對地高度較低，導致電場超過限值，必須采用架設接地屏蔽線的方法降低電場強度[9-10]。本文針對500 kV同塔四回輸電線路下方工頻電場進行研究，探討輸電線下方的工頻磁最大值與相線高度之間的關系，研究接地屏蔽線的數量、水平位置和距地高度對工頻電場的影響。

1 500kV輸電線路電磁環境的實測與仿真

基于國際大電網會議第36.01工作組推薦的等效電荷法[11]，用CDEGS軟件建立500kV輸電線路模型，并計算輸電線路下方的工頻電場。高壓輸電線路的輸送距離較長，模型忽略弧垂和端部效應，將輸電線路視為無限長的平行直導線。由于工頻電場和工頻磁場相互之間的影響非常小，所以在計算工頻電場時忽略了工頻磁場的影響。另外，雖然電暈對線路下方的電場有加強作用，但是并不明顯[12]，計算忽略了電暈放電對輸電線下方工頻電場的影響。為了驗證計算方法的可靠性，對500kV羅北乙線輸電線路下方的工頻電場進行了實測，并將實測結果和CDEGS軟件的仿真結果進行對比。測試點位于羅北乙線4～5號塔之間，距4號塔160m，測量點距地面1.5m高度，測試方向垂直于線路走向。測試時各相線的電流電壓值如表1所示。

表1 500kV羅北乙線運行參數

根據輸電線路的相線排列方式及運行參數建立輸電線仿真模型并計算測試點的工頻電場，計算結果與實測結果的對比如圖1所示。圖中的“×”號代表電場實測數據，曲線代表電場仿真計算結果。可以看出，采用CDEGS軟件計算的工頻電場與實測結果基本一致，計算結果可信。

圖1 500kV羅北乙線工頻電場計算與實測結果對比

2 相線高度對同塔四回線路下方工頻電場最大值的影響

500kV同塔四回線輸電路常見的塔型有d塔型和e塔型兩種，在數值計算時建立的線路模型如圖2所示。模型采用文獻[8]推薦的最優相序，導線采用LGJ-400/35型鋼芯鋁絞線，中性線采用JLB40A-150型鋁包鋼絞線。圖2中的x軸垂直于輸電線走向，以桿塔中軸線的位置為零點。y軸為豎直方向，以地面為零點，模型中最低的4根相線的水平位置分別為-22.5m、-11m、11m和22.5m，高度都是h。基于該模型，用CDEGS軟件計算輸電線路下方的工頻電場。

計算時所選取的觀測線平行于圖2的x軸方向，距地面1.5m高度。在此觀測線上，工頻電場的強度以（x=0）為中心對稱分布，從安全角度考慮，只記錄工頻電場的最大值。通過改變傳輸線路模型中最低相線的高度（從12～30 m，以0.5 m為間隔），可以得到觀測線上工頻電場最大值與最低相線高度之間的關系。考慮到分裂數、分裂半徑和相間距對工頻電場都有影響[13]，分析時分別改變模型中的分裂數、分裂間距和相間距來研究工頻電場最大值與最低相線高度之間的關系。

圖3是不同分裂數條件下的相線高度與最大電場強度之間的關系，分裂間隔為0.5m，相間距21m。可以看出，分裂數越少，輸電線下方的電場強度越小。采用二分裂時，最低相線距地高度大于19m可使最大電場強度小于4kV/m；采用六分裂時，最低相線距地高度大于22m可使最大電場強度小于4kV/m。

圖2 500kV同塔四回輸電線路模型

圖4是不同分裂半徑條件下的相線高度與最大電場強度之間的關系，采用四分裂，相間距21m。可以看出，分裂半徑越小，輸電線下方的電場強度越小。當分裂半徑為0.4m時，最低相線距地高度大于22m可使最大電場強度小于4kV/m；當分裂半徑為0.6m時，最低相線距地高度大于23m可使最大電場強度小于4kV/m。

圖5是不同相間距條件下的相線高度與最大電場強度之間的關系，采用四分裂，分裂半徑0.5m。可以看出，相間距越小，輸電線下方的電場強度越小，但是相間距對電場強度的影響相對較小。相間距19 m時，最低相線距地高度大于21.4m可使最大電場強度小于4 kV/m；相間距21m時，最低相線距地高度大于22m可使最大電場強度小于4kV/m。

綜合以上3種條件下的結果，對于e塔型500kV同塔四回輸電線路，當最低相線距地高度大于23 m時，足以使其下方的工頻電場低于國家標準限值。

用同樣的方法建立d塔型500 kV同塔四回輸電線路模型，可得到最低相線距地高度大于20m時，足以使其下方的工頻電場低于國家標準限值。

3 輸電線下方工頻電場屏蔽模擬與分析

由前面的分析可知，對于e塔型和d塔型500kV同塔四回輸電線路，由于特殊地形或建筑物的影響，有可能使最低相線距地高度低于安全相線距地高度（23m和20m），工頻電場超過4kV/m的限值。因此必須采取屏蔽措施。本文采用CDEGS軟件建立傳輸線模型，重點討論屏蔽線降低工頻電場的措施。

3.1 屏蔽線數量對工頻電場的影響

輸電線模型如圖2所示，假設輸電線的最低相線距地19m。分別考慮架設1，3，5根屏蔽線對工頻電場的影響。為分析方便，屏蔽線架設高度統一為距地10m。屏蔽線的水平位置分別為：

1根屏蔽線：塔中軸線；

3根屏蔽：塔中軸線1根，兩側各1根（距中心10m）；

圖3 不同分裂數情況下，相線高度對最大電場強度的影響

圖4 不同分裂間距情況下，相線高度對最大電場強度的影響

圖5 不同相間距情況下，相線高度對最大電場強度的影響

圖6 不同屏蔽線數量的工頻電場分布

圖7 不同屏蔽線水平位置的工頻電場分布

圖8 不同屏蔽線高度的工頻電場分布

5根屏蔽線：塔中軸線1根，兩側各2根（距中心10m、13m）。

對于e塔型線路，觀測線上的工頻電場分布如圖6所示。沿塔中軸線架設1根屏蔽線對中軸線正下方的電場有較明顯屏蔽作用，可將最大電場強度由4.77kV/m降至4.16kV/m。當使用3根屏蔽線時，中軸線處的工頻電場最大值可降至限值以下的2.94 kV/m。距中軸線約23m處也存在較強的電場，需要架設5根屏蔽線，才能使該位置的工頻電場降到限值以下。

3.2 屏蔽線水平位置對工頻電場的影響

圖7給出了e塔型線路下方屏蔽線的水平位置對電場屏蔽效果的影響。采用3根屏蔽線，線的位置為沿中軸線1根，對稱分布在塔身中軸線兩側各1根。計算了兩側的屏蔽線分別距中軸線13m、15m和17m時線路下方的工頻電場。

當兩側的屏蔽線距中軸線13～17m時，對線路中軸線處及距中軸線23 m處的電場峰值均具有較好的屏蔽效果，只需要3根屏蔽線即可使觀測線上的電場低于4kV/m。綜合考慮整個觀測線上的電場屏蔽效果，當兩側的屏蔽線距中軸線15 m時，屏蔽效果最好。

3.3 屏蔽線高度對工頻電場的影響

圖8給出了e塔型線路下方屏蔽線的高度對工頻電場的影響。采用3根屏蔽線，線的位置為沿中軸線1根，對稱分布在塔身中軸線兩側距中軸線15m各1根，計算屏蔽線距地面6m、8 m和10 m時的工頻電場。計算結果表明，屏蔽線高度對中軸線兩側下方較強工頻電場屏蔽效果的影響較小，對中軸線正下方工頻電場屏蔽效果的影響較大。當屏蔽線高度為10m時，對工頻電場峰值的屏蔽效果最好。

綜上所述，對于e塔型500kV同塔四回輸電線路，沿塔中軸線架設1根屏蔽線即可對中軸線處的電場峰值起到較明顯屏蔽作用，但是對距中軸線23m處的電場峰值影響較小。在中軸線兩側15m處，10m高度各增加1根屏蔽線可以有效地降低整個觀測線上的工頻電場。

對于d塔型500kV同塔四回輸電線路，用同樣的方法研究了屏蔽線對工頻電場的屏蔽效果。模擬結果表明，沿塔中軸線架設1根屏蔽線，d塔型線路下方工頻電場幾乎沒有屏蔽效果，在架設兩側各架設1根屏蔽線時，有較明顯的屏蔽效果，工頻電場的最大值從5.5kV/m下降到3.8kV/m。3根屏蔽線的屏蔽效果與兩根屏蔽線的屏蔽效果幾乎無區別。架設5根屏蔽線時，工頻電場的最大值降低到了2.9kV/m。因此采用2根屏蔽線是較為經濟有效的屏蔽方案，在工頻電場嚴重超標的情況下可考慮使用5根屏蔽線。當2根屏蔽線分別位于距中軸線兩側11m時，對工頻電場的屏蔽效果最好。當2根屏蔽線的高度在6～14m之間變化時，對屏蔽效果的影響非常小，當屏蔽線高度為10m時，對工頻電場的屏蔽效果最好。

4 結束語

使用CDEGS軟件建立了500kV同塔四回輸電線模型，并計算輸電線路下方距地面1.5m高處的工頻電場。通過改變模型的參數，研究不同分裂數、分裂間距和相間距條件下工頻電場最大值與最低相線高度之間的關系。研究了屏蔽線對工頻電場屏蔽效果的影響，提出了對于不同塔型、不同條件下的屏蔽措施，為工程施工提供了一定的參考依據。

[1]倪園，鄔雄，張建功，等.輸變電工程電磁場引起公眾風險感受調查分析[J].電力科技與環保，2011，27（6）：42-45.

[2]HJ/T 24—1998 500kV超高壓送變電工程電磁輻射環境影響評價技術規范[S].北京：中國環境科學出版社，1998.

[3]DL/T 5092—1999 110～500 kV架空送電線路設計技術規程[S].北京：中國電力出版社，1999.

[4]Olsen R， Wong P.Characteristics of low frequency electric and magnetic fields in the vicinity of electric power lines[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1992，7（4）：2046-2055.

[5]Singer H，Steinbigler H，Weiss P.A charge simulation method for thecalculation of high-voltage fields[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1974，93（5）：1660-1668.

[6]萬保權，路遙，鄔雄，等.500kV同塔4回線路無線電干擾和工頻電場[J].高電壓技術，2006，33（3）：113-116.

[7]彭迎，阮江軍.模擬電荷法計算特高壓架空線路3維工頻電場[J].高電壓技術，2006，32（12）：69-73，77.

[8]張曉，周浩，趙斌財，等.500kV同塔四回輸電線路最優序布置[J].中國電力，2010，43（2）：44-47.

[9]劉振亞.特高壓交流輸電工程電磁環境[M].北京：中國電力出版社，2008：78-81.

[10]路遙，鄔雄，萬保權，等.交流特高壓線路下電場強度的改善[J].高電壓技術，2006，32（12）：66-68.

[11]國際大電網會議第36.01工作組.輸電系統產生的電場和磁場[M].邵方殷，等譯.北京：水利電力出版社，1984.

[12]李偉，張波，何金良，等.超特高壓交流輸電線路電暈對地面電場的影響[J].電壓技術，2008，34（11）：2228-2294.

[13]王廣周，張嵩陽，閆東，等.500 kV超高壓輸電線路電磁環境影響因素分析及其防護對策[J].高壓電器，2010，46（8）：93-100.

Simulating and reducing power-frequency electric field of 500kV quadruple-circuit transmission line on same tower

LIU Jia-wen1，ZHOU Qing-hua2，LI Li1，LI Tao2
（1.Electric Power Research Institute,Guangdong Power Grid Company，Guangzhou 510080，China；2.School of Physics and Electronic Sciences，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410004，China）

In orderto suppress the power-frequency electric field according to the limit requirementspecified in the nationalstandard and reduce the engineering costeffectively，computational models of 500kV quadruple-circuit transmission line on the same tower are used to evaluate the power-frequency electric field under the transmission lines.The relationship between peak field strength and the height of the phase line is analyzed quantitatively.The result can be used to suppress the power-frequency electric field according to the limit requirement specified in the national standard and reduce the engineering cost effectively.It can also be used as reference for engineering.The influences of quantity，horizontal position and height of shielding wire on the shielding effect are analyzed respectively，which provide some reference for the configuration of shielding wire.

500 kV；quadruple-circuit transmission line on same tower；power-frequency electric field；shielding wire

TM937.1；TM621.5；X830.2；X837

：A

：1674-5124（2014）01-0036-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.010

2013-06-19；

：2013-09-03

中國南方電網公司科技項目（K-GD2011-414）

劉嘉文（1983-），男，廣東廣州市人，工程師，碩士，主要從事電力系統電力環境保護及勞動衛生監測工作。