交直流電纜共溝敷設電磁環境影響因素

嚴有祥 朱 婷 張那明 王曙鴻

交直流電纜共溝敷設電磁環境影響因素

嚴有祥1,2朱 婷1張那明1王曙鴻1

（1. 西安交通大學電氣工程學院 西安 710049 2. 國網福建省電力公司廈門供電公司 廈門 361000）

隨著城市電力的擴張以及電力需求的增大，為解決地下電纜傳輸空間用地緊張的問題，新建的直流電纜將敷設在原有的交流隧道中，從而使電纜隧道內電磁場變得更為復雜。該文針對±320kV直流電纜和220kV交流電纜共溝敷設隧道建立電磁場仿真模型；計算隧道內的電磁場分布以及交流電纜在直流電纜上產生的感應電壓；分析交直流電纜之間的距離、交流電纜和直流電纜的敷設方式以及單相交流電纜故障對電纜隧道電磁環境的影響，最后根據計算結果提出交直電纜間的最小距離以及交直流電纜的最優敷設方式。

交直流 電纜 電磁場 敷設方式

0 引言

由于中國城市擴張以及電力負載增加，我國部分地區高壓輸電線路逐漸密集，輸電走廊資源日益緊缺[1-6]。為保證城市美觀和線路的安全運行，越來越多的架空線被電纜所替代，而這一措施卻使得電纜隧道空間越來越緊張[7-8]。近年來，高壓直流電纜在國內蓬勃發展。為節省土地資源，減少敷設成本，提高單位電纜隧道的輸電能力，目前普遍做法是將直流電纜直接敷設在已建成的交流電纜隧道內，因此出現了交直流電纜共溝敷設的情況[9-11]。然而，交流電纜在運行時將在直流電纜上產生電磁感應現象，影響直流電纜正常運行。同時新建的直流電纜將在原交流電纜隧道中產生磁場的疊加，惡化隧道內電磁環境，對運維人員的健康造成嚴重的危害[12-14]。因此，對交直流共溝敷設隧道內電磁場環境展開研究并提出交直流電纜安全敷設標準十分必要[15]。

近年來，許多學者針對交直流并行敷設的輸電走廊進行了研究。文獻[16]研究了在考慮離子流條件下交直流混合輸電走廊內地面附近的電場分布。文獻[17]針對非全線并設的交直流輸電走廊電磁耦合進行了分析計算，得到了交直流輸電線路接近段的最優位置。文獻[18]分析了交流輸送功率、交直流輸電線路并行長度、兩者之間距離、土壤電阻率等因素對電磁環境的影響。

但上述研究都是基于架空線，目前對交直流電纜隧道電磁環境的研究較少，而架空線的運行環境與電纜完全不同。高壓直流輸電線路由于空氣電離，地面附近電場會受到離子流的影響而劇烈增大，而電纜敷設于地下隧道內，其絕緣設計相較于架空輸電線路要復雜，絕緣尺寸也遠大于架空輸電線，因此兩者的電磁環境存在明顯的差異。但由于我國高壓直流電纜運行時間尚短，目前對于電纜隧道的電磁環境評價指標仍參照架空輸電線路進行[19]。

本文以±320kV直流電纜線路和220kV交流電纜線路共同敷設的廈門翔安海底隧道段為研究對象，計算了隧道內的電磁場分布以及交流電纜在直流電纜上產生的感應電壓；分析了交直流共溝敷設隧道電磁環境的影響因素，研究了交直流電纜之間的距離、交流電纜和直流電纜的敷設方式以及單相交流電纜故障對電纜隧道的電磁環境的影響；最后根據計算結果提出了交直電纜間的最小距離以及交直流電纜的最優敷設方式。

1 模型建立

采用有限元方法對隧道磁場進行分析，隧道內的矢量磁位滿足

式中，為磁場強度；為電流密度；為磁感應強度；為電場強度；為電導率。

圖1所示為廈門翔安海底隧道。圖1中，給出了兩條計算路徑，路徑1為電纜隧道內距離地面1.5m的位置，該高度一般認為是人體的心臟位置，路徑2為電纜隧道中心，同時也是運維人員所處的位置。下文將基于這兩條路徑上的磁場分布進行分析。

圖1 廈門翔安海底隧道

圖2為交直流電纜共同敷設模型。廈門±320kV柔性直流輸電工程采用導體截面積為1 800mm2的交聯聚乙烯電纜，其載流量可達1 617A，而交流側220kV電纜電流幅值為800A。圖中，long表示雙回路交流電纜與直流電纜同時向隧道中心位置移動的距離。

圖2 電纜模型

2 電磁環境影響因素分析

2.1 敷設距離對磁場的影響

參考DL/T 1088—2008《±800kV特高壓直流線路電磁環境參數限值》認為，交直流共同敷設隧道中心靜態磁場不能超過10mT，交流磁場不能超過500mT。圖3給出交直流共同敷設情況下磁場分布云圖。圖4給出交流與直流電纜距離不同時電纜隧道磁場分布。圖4a、圖4b分別為路徑1和路徑2上磁場分布。隧道交直流電纜相距2 300mm，隧道中心與交流電纜和直流電纜的距離相同。交直流電纜共同敷設時隧道磁場滿足疊加定理。由圖4可知，電纜之間越靠近，隧道中心處的磁感應強度越大。由于滿載時直流電纜在隧道走廊中心產生的直流磁感應強度遠小于規定的磁場的限值，因此可以將仿

圖3 交直流共同敷設時隧道磁場分布

圖4 交流與直流電纜距離不同時電纜隧道磁場分布

真模型中的直流電纜電流設置為0，單獨考慮交流電纜產生的交變磁場。僅考慮交流時電纜不同位置隧道內磁場分布如圖5所示，此時的磁場主要集中在交流電纜附近，在long取800mm時隧道中心磁感應強度不符合要求。綜上，在交直流電纜共溝敷設情況下，當交流電纜中的電流幅值為800A時，距電纜中心不能小于270mm，而直流電纜的敷設位置對隧道內的磁場環境影響較小。

圖5 僅考慮交流時電纜不同位置隧道內磁場分布

2.2 敷設距離對電場的影響

三相電流在交直流共溝敷設的隧道內產生交變電磁場，交流電纜線芯相當于變壓器的一次繞組，而直流電纜金屬護套相當于二次繞組，在交變磁場作用下直流電纜金屬護套上將會產生感應電壓。若其值過高不僅會對運維人員的人身安全產生威脅，還會使外護層發生擊穿。當外護套兩端接地時，護套與大地形成回路，在感應電壓的作用下護套上將會產生環流以及環流損耗，該現象不但會極大地影響電纜的載流量，還會提高電纜的運行溫度，使電纜的運行壽命降低。因此，準確地計算電纜金屬護套感應電壓對運行線路的安全穩定運行至關重要。根據建設部和國家質檢總局聯合頒發的GB 50217—2007《電力工程電纜設計規范》要求，在未采取能有效防止人員任意接觸金屬防護層的安全措施時，交流單芯電力電纜線路金屬層的非直接接地任一點的感應電壓不超過50V；若采取不能任意接觸金屬護層的安全措施，不得大于300V。交直流之間敷設距離對電場的影響主要是考慮交流對直流線芯以及護套產生的感應電壓。由于解析法計算電纜金屬護套感應電壓時，鎧裝層對護套感應電壓的影響是忽略的，因此本文建立了交直流電纜共溝敷設的二維模型，從有限元計算結果中提取護套上的矢量磁位最大值，并根據式（5）、式（6）計算護套上的感應電壓。已知直流電纜全長10.7km，交直流共同敷設的長度為9.8km，護套上的感應電壓計算結果見表1。由計算結果可知，交流與直流敷設距離越遠，護套上產生的感應電壓越小，因此正極護套上的感應電壓要小于負極。當long取800mm，磁場已超過限值，但電場仍在安全閾值內。因此，在電纜隧道敷設設計時可以優先考慮磁場的影響。

式中，為磁通；為感應電壓。

表1 護套上感應電壓

Tab.1 The induced voltage on the sheath

2.3 敷設方式

圖6為交流電纜兩類典型敷設方式，敷設方式1表示直流電纜與平行排列交流電纜平行敷設。敷設方式2表示直流電纜與三角形排列的交流電纜平行敷設。由于直流電纜護套上的感應電壓主要與距離有關，而交流電纜與直流電纜敷設距離較遠，交流電纜敷設方式改變產生的感應電壓變化較小，因此本節討論敷設方式對隧道磁場分布的影響。

圖6 交流電纜敷設方式

2.3.1 交流敷設方式的影響

首先討論方式1下，三條交流電纜線路連接不同相電流時對隧道磁場的影響。敷設方式1下磁場分布見表2。可知，當采用方式1敷設交流電纜時，隧道內路徑1上磁感應強度最大值可達到0.90mT，最大磁場位于交流電纜側。路徑2上磁感應強度最大值可達0.18mT。

表2 敷設方式1下磁場分布

Tab.2 The magnetic field distribution with laying method 1

方式2下三條交流電纜線路連接不同相電流時，由于雙回路三相電纜所產生的電磁場相互抵消，1-2-3號電纜上連接不同相電流形式時磁場仿真結果接近。采用方式2時抵消程度大于方式1。敷設方式2下磁場分布見表3。因此，可以認為交流采用雙回路敷設時，三條電纜上通入不同形式的電流對隧道內磁場影響不大。此時隧道內路徑1上磁感應強度最大值為0.665 8mT，隧道路徑2上磁感應強度最大值可達0.144 4mT。當采用A-C-B方式敷設時，電纜周圍磁感應強度最低。

表3 敷設方式2下磁場分布

Tab.3 The magnetic field distribution with laying method 2

2.3.2 直流敷設方式的影響

直流電纜的典型敷設方式有兩類，如圖7所示。方式1為垂直敷設，方式2為水平敷設。直流電纜敷設方式1、2下磁場分布見表4、表5。可知，直流電纜按照方式2敷設時隧道中產生的磁場更小，一個周期內最大磁感應強度為0.67mT，該敷設方式下采用負-正電流時磁場相較另一方式略小，兩種敷設方式對磁場的影響并不明顯。

圖7 直流電纜敷設方式

表4 直流電纜敷設方式1下磁場分布

Tab.4 The magnetic field distribution with DC cable laying method 1

表5 直流電纜敷設方式2下磁場分布

Tab.5 Magnetic field distribution with DC cable laying method 2

2.4 故障時刻電纜隧道的電磁環境

當雙回路交流電纜對稱分布時，由于三相電纜產生的磁感應強度與感應電動勢相互疊加使該值大幅度下降。且在電纜故障時刻，當運維檢修人員進入隧道進行檢修時隧道內電磁環境也應滿足職業人員磁場暴露限值。為方便討論，本節研究了單回路電纜單相停電檢修時隧道的磁場分布與直流電纜上感應電動勢的值。單相交流與直流電纜共溝示意圖如圖8所示，圖中，long表示單回路交流電纜與直流電纜同時向隧道中心位置移動的距離。圖9為交流側為單回路三相電纜時隧道中心的磁感應強度，此時的交流電纜為B-C-A形式。而隧道中心處的磁感應強度隨著long取值越大逐漸變大。當long取800mm時，磁感應強度高達1.1mT。由于靜磁場的職業暴露限值較大，可以單獨考慮交流電纜所產生的影響。圖10所示為僅考慮交流電纜時路徑2上的磁感應強度。long取800mm時磁場超過職業人員暴露限值要求。單回路交流電纜護套上感應電動勢計算結果見表6。當long取到800mm時，負極上的感應電動勢驟然增大到37.71V。

圖8 單相交流與直流電纜共溝示意圖

圖9 電纜隧道中心磁感應強度

2.4.1 A相停電

當A相停電時，路徑2上磁感應強度分布如圖11所示。由于此刻只考慮交流的影響，當long取800mm時已超過了職業人員交流磁場暴露限值，其值為0.87mT。A相停電時電纜護套上感應電動勢見表7，同樣在long取800mm時不符合要求，其值為77.91V。

圖10 僅考慮交流電纜時電纜隧道中心磁感應強度

表6 單回路交流電纜護套上感應電壓

Tab.6 The induced voltage on the sheath of single-circuit AC cable

圖11 A相停電時路徑2上磁感應強度

表7 A相停電時電纜護套上感應電動勢

Tab.7 The induced voltage on the cable sheath during phase A power failure

2.4.2 B相停電

當B相停電時，路徑2上磁感應強度分布如圖12所示。此刻只考慮交流的影響，當long取800mm時遠超過了職業人員交流磁場暴露限值，其值為1.1mT。B相停電時電纜護套上感應電動勢見表8，同樣在long取800mm時不符合要求，負極護套感應電動勢值為68.51V。

圖12 B相停電時路徑2上磁感應強度

2.4.3 C相停電

當C相停電時，隧道電纜中心磁感應強度分布如圖13所示。此刻只考慮交流的影響，當long取800mm時已超過了職業人員交流磁場暴露限值，其值為0.59mT。C相停電時電纜護套上感應電動勢見表9，同樣在long取800mm時不符合要求，其值為54.1V。

表8 B相停電時電纜護套上感應電動勢

Tab.8 The induced voltage on the cable sheath during phase B power failure

圖13 C相停電時路徑2上磁感應強度

表9 C相停電時電纜護套上感應電動勢

Tab.9 The induced voltage on the cable sheath during phase C power failure

2.5 交流電纜不同位置對磁場的影響

圖14為交流電纜在其垂直線上不同位置時路徑2上的磁場分布，long取負數表示交流電纜豎直向上運動，相反，long取正數表示交流電纜垂直向下運動。當long取-400mm時，磁場最小。綜上，當交流呈倒三角排列時，交流電纜敷設在直流電纜所處位置水平線下方時有利于減小磁感應強度。

圖14 交流電纜在不同位置時路徑2上磁場分布

3 結論

本文分析了交直流共溝敷設隧道電磁環境的影響因素，研究了交直流電纜之間的距離、交流電纜以及直流電纜的敷設方式的影響、單相交流電纜故障對電纜隧道的電磁環境的影響。提出交直流共同敷設時，交流電纜距離隧道中心不能小于270mm，交流電纜與直流電纜之間的距離不能小于540mm，否則隧道內的磁場環境以及電纜護套上的感應電動勢將超過規定要求。并發現交流采用三角敷設，通以A-B-C形式電流，直流采用平行敷設，交流電纜敷設在直流電纜所處位置水平線下方時，隧道內的磁感應強度能有效減小。

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The Influence Factors of Electromagnetic Environment in the Tunnels with DC Cables and AC Cables

1,2111

（1. School of Electrical Engineering Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China 2. Xiamen Power Supply Company State Grid Fujian Electric Power Company Xiamen 361000 China）

With the expansion of urban power and the increase of the power demand, the alternative current (AC) and direct current (DC) cables will be laid in the same tunnel to solve the shortage of underground cable transmission space, which makes the electromagnetic field of the cable tunnel more complicated. In this paper, the electromagnetic field simulation model was established for ±320kV DC cables and 220kV AC cables co-laying tunnel. Then the electromagnetic field distribution in the tunnel and the induced voltage generated by AC cables on DC cables were calculated. The influence factors of electromagnetic environment in the cable tunnel were analyzed, such as the distance between AC and DC cables, the laying methods of AC cables and DC cables, and single-phase AC cable faults. Finally, the minimum distance between the AC and DC cables and the optimal laying method of the AC and DC cables were proposed.

AC and DC, cable, electromagnetic field, laying method

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90547

TM721.1

嚴有祥 男，1982年生，高級工程師，研究方向為電磁場數值計算。E-mail: yanyouxiang@sina.com

王曙鴻 男，1968年生，教授，博士生導師，研究方向為電磁場數值計算。E-mail: shwang@mail.xjtu.edu.cn（通信作者）

2020-08-06

2020-10-05

（編輯 崔文靜）