750 kV輸電線路下電磁屏蔽措施分析

謝延凱，湯一堯，何 巍，祁偉健

（國家電網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730070）

1 引言

隨著人們環保意識的增強和對環保的日益重視，輸電線路特別是超高壓輸電線路的電磁環境問題已經成為制約輸電線路工程建設的重要因素，直接影響電力行業的發展[1-2]。交流輸電線路的電磁環境主要包括工頻電磁場和可聽噪聲。對于超高壓輸電線路，其工頻電場的增加幅度遠遠大于工頻磁場和可聽噪聲，是對輸電線路可行性產生影響的關鍵因素[3]。輸電線路的布線型式、線路的對地距離、導線的分裂根數及分裂間距、子導線半徑等均影響輸電線路的工頻電場強度[4-6]。對于已建成或投入運營的超高壓輸電線路，對線路本身進行調整以使其電工頻電場達到相關控制標準比較困難，只能通過其他方式進行控制[7-9]。根據相關學者的研究成果，在超高壓輸電線路下方架設屏蔽線可以有效減小工頻電場，其主要原理是通過電場疊加來減弱保護區域的電場強度[10-13]。

文章以某在用750 kV輸電線路為例，通過建立仿真計算模型，進行屏蔽線架設模擬計算，研究降低線路工頻電場強度的策略，確定屏蔽效果最佳的屏蔽線架設模式，為超高壓線路電磁環境問題的解決提供可行的依據。

2 電場強度計算理論

根據相關學者的研究成果[14-22]，電場強度數值計算方法主要有有限差分法、有限元法、模擬電荷法和矩量法等，均為相對比較成熟的計算方法。其中，羅日成等在模擬電荷法的基礎上結合矩量法，完成了湖南某500 kV工頻電場的數值計算；劉大平等利用模擬電荷法建立輸電線路模型，對1 000 kV皖電東送特高壓雙回輸電線路工頻電場進行了計算分析。通過梳理已有的研究，確定采用模擬電荷法對750 kV輸電線路進行研究。此方法的理論基礎是電磁場的唯一性定理，主要用于靜電場的計算問題。用一定數量的離散模擬電荷來等效替代電極表面連續分布的自由電荷或者分界面連續分布的束縛電荷，同時保證滿足原來的邊界條件，然后運用疊加原理將離散電荷產生的場強疊加，得出原來電極表面連續電荷在空間產生的電場分布。其數學模型為：求解以電位函數[φ]為未知量的泊松方程或者拉普拉斯方程的定解問題。

在計算實際工程問題時，采用模擬電荷法，在電極表面、計算場域外部設置一定數量的離散電荷來等效原來分布的未知連續電荷，保證邊界條件不變。離散模擬電荷的位置和個數是確定的，電位系數[P]可以由解析公式計算得出，建立線性方程組[P]·[Q]=[φ]，求解模擬電荷[Q]。根據靜電場中計算電場的解析公式，由模擬電荷[Q]計算出場域中任意一點的電位和電場強度。

3 線路模型參數

屏蔽線距地面的高度、水平位置、屏蔽線的根數以及屏蔽線半徑都對屏蔽效果有不同程度的影響。對于倒三角形的輸電線路，將屏蔽線放置于B相下方時，對工頻電場的削弱作用強于邊相下方[23-25]。案例中的750 kV輸電線路塔形眾多，本研究選取單塔單回ZB125型直線塔進行仿真模型計算，相關參數如圖1所示。

圖1 線路參數

該線路運行電壓為750 kV，線路布設方式為倒三角形，采用6分裂鋼芯鋁絞線，分裂間距為400 mm，子導線直徑50 mm，弧垂最低點為A相（-18 m，50 m）、B相（0 m，40 m）、C相（18 m，50 m），架空地線（±16 m，55 m）一根采用JLB20A-100（19/2.60）鋁包鋼絞線，另一根采用TXJ750-80型光纜。屏蔽線選用鍍鋅鋼絞線，具體參數見表1。

表1 屏蔽線參數表

4 屏蔽線抑制效果仿真分析

4.1 線路電場強度分布

用德國納達NBM-550電磁輻射測試儀對該750 kV輸電線路某斷面的工頻電場進行實測，測得的工頻電場強度最大值Emax沿中心線對稱分布，距中心線距離為±10 m的區域工頻電場強度Emax超過4 kV/m的國家電磁環境控制限值，Emax的最大值為6.09 kV/m。用已知的線路參數建立仿真計算模型，計算得工頻電場強度的Emax最大值為6.16 kV/m。線路實測值和模擬計算值對比結果如圖2所示，二者的相關性如圖3所示。

圖2 工頻電場強度分布圖

圖3 模擬值與實測值的相關關系圖

通過圖2可以看出，線路工頻電場強度實測值和模擬值的變化趨勢相近。進一步進行相關性分析，分析結果如圖3所示。結果表明，線路工頻電場強度實測值和模擬計算值呈現出線性相關關系，相關系數為0.9 792。因此，可以用計算機仿真模型計算的方法對架設屏蔽線后的線路進行分析，分析結果與實際線路的影響具有很好的相關性。

4.2 屏蔽線垂直高度分析

已有的研究表明，在B相下架設屏蔽線的效果優于邊相，故將一根屏蔽線架設于B相下方，即Dp=0，改變屏蔽線與B相間的垂直距離hp進行仿真模擬計算，計算結果如圖4所示，其中圖4（b）為圖4（a）的橫坐標hp為4-32處的放大圖。

圖4 （a）屏蔽線不同高度屏蔽效果圖

圖4 （b）屏蔽線不同高度屏蔽效果圖（局部放大）

從圖4（a）中可知，當hp在1～4 m時，隨著屏蔽線與B相間垂直距離hp的增大，工頻電場強度最大值Emax由5.06 kV/m減小到4.29 kV/m，降幅超過15%；當hp在4～8 m時，隨著hp的增大，Emax由4.29 kV/m減小為4.23 kV/m，減小幅度很小，約為1.4%；當hp超過8 m時，隨著hp的增大，Emax小幅增大，由4.23 kV/m增大到4.32 kV/m，增長幅度約為2.1%。由計算結果可知，本線路hp=8 m（即屏蔽線距離地面高度32 m）時，屏蔽效果最佳，此時的工頻電場強度為4.23 kV/m。架設一根屏蔽線時，屏蔽效果最佳的斷面處工頻電場強度最大值Emax仍超過4 kV/m的國家標準控制限值，需要進一步采取措施，以降低工頻電場強度。

4.3 屏蔽線根數分析

將1、3、5、7根屏蔽線水平對稱架設于線路B相下方，進行仿真計算，取屏蔽線與B相間的垂直距離hp=8 m（即屏蔽線距離地面高度為32 m），兩根屏蔽線間距dp=2 m，計算結果見圖5。

圖5 （a）不同數量屏蔽線屏蔽效果圖

圖5 （b）屏蔽線根數與電場強度相關關系圖

由圖5（a）可知，架設1根、3根、5根、7根屏蔽線后，工頻電場強度最大值Emax與未采用屏蔽線相比，分別下降了1.93、3.14、4.02、4.28 kV/m，降幅分別為31.3%、50.9%、65.3%、69.5%。由圖5（b）可知，與未采用屏蔽線相比，架設1根、3根、5根、7根屏蔽線后，工頻電場強度最大值Emax的減小幅度大幅增加之后趨于平緩。即屏蔽效果隨屏蔽線數目的增多而增強，但并不是一直大幅增加；屏蔽線達到一定數量后，屏蔽效果的增加趨于平緩。由于屏蔽線數量的增加會提高工程造價，要根據線路的具體情況來決定屏蔽線的架設根數。本線路在架設3根屏蔽線時，可使工頻電場強度最大值Emax下降至3.02 kV/m，滿足相關標準限值的要求，故綜合考慮經濟性和屏蔽效果，可選擇架設3根屏蔽線。

4.4 屏蔽線間距分析

多根屏蔽線水平架設時，屏蔽線的間距會影響屏蔽效果。將3根屏蔽線水平對稱架設于B相下方，距B相的垂直高度為hp=8 m，此時屏蔽線距地面高度為32 m。改變屏蔽線間距dp，進行仿真計算，計算結果見圖6。

圖6 不同間距屏蔽線屏蔽效果

由圖6可知，當屏蔽線間距dp=0時，相當于只在B相下方架設一根屏蔽線，工頻電場強度最大值Emax為5.06 kV/m；當屏蔽線間距dp在0～3 m范圍內時，隨著dp增大，工頻電場強度最大值Emax由4.32 kV/m迅速減小為2.72 kV/m，降幅達13.9%；當dp大于3 m時，隨著dp的增大，Emax呈現出逐漸增大的趨勢。根據計算結果，架設3根屏蔽線的情況下，屏蔽線間距為3 m時，屏蔽效果最佳，此時的工頻電場強度Emax最大值為2.72 kV/m，滿足降低工頻電場強度的要求。

4.5 屏蔽網屏蔽效果分析

在B相下方8 m處水平架設3根屏蔽線，屏蔽線間距為3 m，以此為基礎搭建屏蔽網。屏蔽網寬度為6 m，長度為200 m（該輸電線路檔距），將此屏蔽網看作2×a的網格，其中a為長度方向的格子數，令a的個數為5、10、20、40，分別對其屏蔽效果進行模擬。

由圖7可知，架設網格數為2×5、2×10、2×20、2×40的屏蔽網后，輸電線路下方工頻電場強度最大值Emax分別為2.64 kV/m、2.50 kV/m、2.30 kV/m、2.14 kV/m，Emax隨著屏蔽網網格數的增多而降低。與僅采用3根屏蔽線相比，架設網格數為2×5、2×10、2×20、2×40的屏蔽網后，Emax分別下降了0.08、0.22、0.42、0.58 kV/m，降幅分別為2.94%、8.09%、15.44%、21.32%，架設屏蔽網能夠在屏蔽線的基礎上進一步降低輸電線路下方的工頻電場強度。

圖7 不同網格屏蔽網屏蔽效果

5 結語

案例750 kV輸電線路某斷面實測的工頻電場強度最大值為6.09 kV/m，文章模擬計算了對該線路架設屏蔽線（網）時，線路下方的工頻電場的變化規律，為降低該斷面處工頻電場強度提供了可行的方法。模擬計算結果表明，該750 kV輸電線路架設屏蔽線（網）后，線路下方工頻電場強度明顯降低。該線路屏蔽線的最佳架設方式是：在B相下方8 m處，水平架設3根屏蔽線，屏蔽線間距為3 m，此時的工頻電場強度最大值為2.76 kV/m。與未架設屏蔽線相比，工頻電場最大值降低了4.4 kV/m，降幅達到71%。選用屏蔽網，還可進一步降低工頻電場強度，通過增加屏蔽網格數達到更好的屏蔽效果。因此，架設屏蔽線（網）能夠明顯改善輸電線路的電磁環境，可以作為750 kV輸電線路降低感應電的一種有效措施進行實際應用。

文章僅對案例中的線路架設屏蔽線（網）的效果進行了仿真模擬計算，還未在具體的工程實際中進行佐證，后續應針對架設屏蔽線（網）的實際工程案例進行研究，將減輕電磁環境污染的有效手段廣泛應用于實際中，以期降低線路走廊近區感應電，進而減少由此引起的電網環保糾紛。