500 kV雙回直線轉角塔電場仿真分析

張佰慶，謝 偉，康宇斌，童維占，仲 彬

(江蘇省電力公司檢修分公司，江蘇徐州221000)

隨著我國特高壓交直流輸電工程的建設與投運，電網規模不斷擴大，輸電線路穿越城鎮的情況不可避免，而原本多處在野外的500 kV線路跨越民居的現象也時有發生。社會和公眾的環保意識日益增強，輸電工程對現代社會所產生的特有電磁污染，對職業人員及周邊居民的人身健康影響，對通信和電子設備的無線電干擾影響等等，逐步成為當今高壓直流輸電工程的研究熱點和公眾關心重點。電磁環境問題已成為影響線路設計和電網發展的重要因素。對于輸電線路周圍的工頻電場分布問題，國內外學者進行了大量研究，常見的數值計算方法有模擬電荷法[1-3]、鏡像法[4，5]、矩量法[6，7]、有限元法[8，9]等。 文獻[2]基于模擬電荷法建立了考慮桿塔以及導線弧垂的輸電線路模型并計算其電場分布。文獻[6]提出一種基于矩量法的鐵塔電場頻域計算方法，并采用CDEGS軟件進行仿真驗證。文獻[8]應用有限元法計算了330 kV線路復合絕緣子的電場分布，模型考慮了桿塔和導線，但忽略相間的影響。文獻[10]采用二維模型分析了復合絕緣子附近的電場分布，提出均壓環優化方案，但忽略鐵塔和相間的影響。

實際輸電線路中，鐵塔、金具等部件結構復雜，影響電場分布的因素較多，采用3維模型比2維模型更為全面和準確，鐵塔、導線和相間因素均可能對周圍電場分布存在影響，計算時應加以考慮。

1 計算方法

有限元法是當前電磁場數值計算中應用最廣泛的一種數值算法。以變分原理和插值函數為基礎，適宜于計算區域內場量變化較為劇烈的情況，特別是對于求解多介質、結構及邊界條件復雜的場域問題具有獨特優勢[11]。輸電線路的工頻電場可視為準靜電場進行計算[12]，其電位分布需滿足電場能量最小化要求，故待求電場問題可轉化為泛函極值問題。利用網格剖分和插值函數將計算域剖分為有限網格單元，以二維情形為例,單個網格單元的電場能量表達式為：

于是場域內電場總能量為：

式（1，2）中：φ（x，y）為電位函數；We為與電位相關的電場能量函數。電場總能量W為最小值時，相應的φ（x，y）即為所求的電位分布。

輸電線路的電場計算屬于第一類邊值問題，靜電場的求解和泛函極值可等價為：

在單元上與節點相關的線性插值函數為：

根據泛函極值理論，最終得到待求的有限元方程：

式（5）中：K為總電場能系數矩陣；Φ為內節點電位列向量。解式（5）方程得到各節點的φi，即可得到場域各節點電位分布。

2 計算模型

5E1-SZJ鼓形雙回直線轉角塔計算模型如圖5所示。鐵塔整體高度57.5m，呼高27m，右側為V形瓷絕緣子串局部放大圖。導線采用垂直排列方式，采用4×LGJ630/45型鋼芯鋁絞線，導線直徑33.6mm，分裂間距450mm，線長56m。模型主要考慮了絕緣子串、均壓環、屏弊環、聯板等部件，忽略均壓屏蔽環的連接件，忽略架空避雷線的影響。瓷絕緣子采用210 kN耐污盤形懸式絕緣子，公稱直徑280mm，結構高度170mm。

圖1 5E1-SZJ雙回直線轉角塔三維模型

由于模型內各部件尺度相差懸殊，考慮到模型剖分難度和計算效率，對計算模型做如下簡化：

（1）忽略導線弧垂，即認為導線對地高度不變，為相互平行的長直圓柱導體；

（2） 忽略懸垂線夾、掛環等尺寸過小的結構件，可減小剖分單元量，同時對計算結果影響很小；

（3）采用人工截斷邊界模擬無窮遠邊界，空氣域尺寸為180m×60m×60m。

輸電線路的工頻電場為準靜電場，本文將電壓分為實部、虛部兩部分同時加載求解，根據相量法，A相、B相和C相的相電壓為：

式（6）中：θ為初相角，取60°作為計算條件，考慮系統最高運行電壓，U為線電壓有效值。

3 電場計算與結果

3.1 工頻電場分布

實體模型導入有限元分析軟件ANSYS，對導線進行參數化建模。由于線路存在一定轉角，轉角塔的電場計算需對整個模型進行求解，無法再采用對稱的1/2模型。采用四面體單元SOLID123和六面體單元SOLID122對模型劃分網格。加載求解得到模型的電位及電場分布，500 kV同塔雙回直線轉角塔電位及電場分布如圖2所示。

從圖2可以看出，計算域內電位分布、電場分布連續性好，梯度變化層次分明。由于鐵塔接地，加載電位為零電位，其塔身的屏蔽作用使得兩側相間電場的相互影響較小。因橫擔的屏蔽效果，兩側各相電場離鐵塔距離愈近，電場強度愈小，同側相間電場的相互影響較大。

圖2 500 kV同塔雙回直線轉角塔電位及電場分布

上相懸垂串電位與電場分布如圖3所示。由圖3（a）可見，絕緣子串上電位計算結果與實際情況相一致，分裂導線、聯板及連接金具上為電位峰值Um，由高壓端到低壓端，沿絕緣子串電位逐漸降低，絕緣子串與鐵塔的聯接金具為零電位。絕緣子串電位分布呈非線性遞減規律，這導致絕緣子串上的電場分布不均，在高壓端和低壓端出現較高的場強。計算域最大電場強度出現在均壓環外側表面，這是由于強制均壓效果，均壓環將分裂導線及絕緣子串的高場強區域轉移到均壓環外側表面附近，圖3（b）從不同角度觀察均壓環表面電場分布，場強最大值為2901 kV/m。

考慮導線3種不同布置方式。同相序下，雙回路導線排列順序為ABCA'B'C'；異相序布置時為ABCB'C'A'排列；逆相序時為ABCC'B'A'排列。加載及邊界條件均保持一致，3種排列方式下，地面1.5m高度處觀察面上電場分布如圖4所示。

為進一步分析，對比3種導線布置方式線路下方同一路徑上的場強差異，在距離鐵塔60m處，沿垂直線路方向每隔0.5m提取地面上方1.5m處場強值，3種導線排列方式下的電場分布如圖5所示。

圖3 上相懸垂串電位與電場分布

（a）同相序布置

由圖4可見，導線在同相序布置、異相序布置、逆相序布置時，觀察面上電場關于線路中心大致呈對稱分布，最大電場強度Emax分別為 8.13 kV/m，4.74 kV/m，4.04 kV/m。結合圖5的電場分布云圖可以看出，場強最大值出現的位置從線路中央逐漸向外側偏移，在遠離線路中央的低場強范圍，電場迅速衰減且分布漸趨于一致。同相序布置下，云圖可得峰值最大，出現在線路中央正下方。異相序布置與逆相序布置的電場分布規律相似，均呈雙峰型分布，其中異相序布置下最大場強出現在邊相導線對地投影點處，離線路中心約為11m。

圖4 地面1.5m高度電場強度分布

圖5 線路下方工頻電場分布曲線

逆相序布置下，電場峰值最小，出現在邊相導線對地投影點外側，離線路中心約13m。此時線路中心投影處場強僅約為2.58 kV/m，相比異相序下降了1.34 kV/m，這說明逆相序排列方式下的工頻電場對周圍環境影響最小。

3.2 與工頻電場限值的比較

輸電線路的工頻電場限值方面，我國電力行業設計規范[13]中，對被跨越的非長期住人建筑和鄰近民房，要求控制離地1.5m處未畸變電場不超過4 kV/m。相關技術規范[14]與國際非電離輻射防護委員會（ICNIRP）中的推薦值[15]保持一致：以4 kV/m作為居民區工頻電場評價標準。按線路走廊邊緣場強小于4 kV/m的標準確定走廊寬度。此外，從環境保護出發，對于線路跨越的一般地區，如公眾容易接近的地區、跨越公路處，場強限值取7 kV/m；跨越農田時，場強限值取10 kV/m。

3種導線布置方式下地面的最大電場強度、高場強區域的分布與范圍比較如表1所示。

表1 3種導線排列方式下地面1.5m處場強對比

從表1可知，在最高運行電壓下，3種導線排列方式線路下方最大場強均小于10 kV/m[16，17]。同相序布置時線路下方場強超過4 kV/m的寬度為40.5m，在邊相導線對地投影點外側13m處滿足該限值要求。與同相序排列相比較，由于換位后的相位矢量差，后2種排列方式的電場強度整體大幅降低，高場強區的寬度明顯減小，最大場強分別減小約42%和50%，且逆相序排列下最大場強為4.04 kV/m。電場超過3 kV/m的寬度，異相序排列減小了15%，逆相序減小了40%。

在本文所考慮的3種導線布置中，后2種布置方式下的電場強度較同相序布置降低顯著，特別是逆相序排列。對于大部分區域處于野外的線路，3種導線布置方式下地面場強均滿足相關標準中小于10 kV/m的規定，但同相序下地面最大場強大于7 kV/m，超出了相關標準中規定的限值，因此對于途經居民區的雙回線路，推薦采取逆相序排列以改善線路周圍電磁環境，此外采用逆相序布置還可節省線路走廊，適量降低導線設計高度可節約工程造價。

4 結束語

（1）按實際尺寸建立典型500 kV直線轉角桿塔同塔雙回線路1∶1精細化模型，采用有限元軟件參數化建立導線模型，進行混合網格劃分以節省單元量，獲得線路周圍三維電場分布，鐵塔對各相電場存在屏蔽作用，其附近地面的場強有所減小。

（2）導線對地高度等條件不變時，雙回路采用同相序布置時地面場強最大，異相序次之，逆相序最小。同相序布置線路下方場強超過4 kV/m的寬度為40.5 m。后2種布置下最大場強分別減小約42%和50%。

（3）相比于同相序，采用逆相序布置有利于線路跨越民居時電磁環境改善，節省線路走廊，降低工程造價。

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