500 kV 并行線路工頻電場空間分布及其影響因素分析

劉海豪 林懷德

（1 廣東核力工程勘察院 廣東廣州 510800 2 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局 廣東佛山 528000）

0 引言

近年來，隨著超高壓、特高壓輸電線路不斷建設(shè)，尤其是向城市內(nèi)部發(fā)展的趨勢日益顯著，由此引發(fā)的城市規(guī)劃、土地利用規(guī)劃和環(huán)保投訴等問題層出不窮［1-3］。為解決上述問題，各地供電部門紛紛采取同塔多回、并行架設(shè)等措施，以盡量節(jié)約線路走廊［4-5］。但與此同時，同塔多回線路并行架設(shè)帶來了更為嚴(yán)重的電磁環(huán)境影響，尤其是工頻電場可能會超標(biāo)［6］，因此節(jié)約線路走廊與減小工頻電場影響之間需要找到平衡點(diǎn)。目前而言，2 條500 kV 同塔雙回線路并行架設(shè)是較為常見的，因此本文擬通過模式計算方式，分析2 條500 kV 同塔雙回并行線路工頻電場的空間分布特征和影響因素，為生態(tài)環(huán)境主管部門、供電部門和公眾提供一定的參考。

1 計算方法

架空線路導(dǎo)線表面的電荷分布、電場強(qiáng)度是按正弦規(guī)律變化的，但由于其變化頻率較低（50 Hz），其電荷及電場強(qiáng)度的分布可按準(zhǔn)靜態(tài)場進(jìn)行計算。當(dāng)只需要近似計算時，架空線路周圍的電場強(qiáng)度也可按靜電場來計算。靜電場主要有2 類數(shù)值計算方法［7］：第1 類方法主要有有限差分法、有限元法，基本思想是從靜電場的微分方程出發(fā)，劃分網(wǎng)格將連續(xù)場域離散，求解得到該場域近似解；第2 類方法主要有模擬電荷法、矩量法和邊界元法，其基本思想是以邊界上的電荷分布或1 組虛設(shè)的模擬電荷為未知數(shù)，列出靜電場的積分方程，結(jié)合己知的邊界條件，求解電荷量及電荷分布，得到電場的近似解。上述數(shù)值計算方法在求解問題的場域范圍、邊界形狀、場域維數(shù)、介質(zhì)種類和計算結(jié)果方面，各具優(yōu)缺點(diǎn)，如邊界元法和有限元法一般用于復(fù)雜場域的求解，常用于分析輸電線路桿塔等接地構(gòu)架對工頻電場的影響等［8-9］。

國際大電網(wǎng)會議第36.01 工作組推薦采用模擬電荷法對交流架空線路產(chǎn)生的工頻電場進(jìn)行求解，并可用導(dǎo)線等效半徑代替分裂導(dǎo)線［10］，相關(guān)計算結(jié)果可滿足工程設(shè)計需求，是目前成熟且主流的工頻電場計算方法之一。

在環(huán)境影響評價領(lǐng)域，《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 輸變電》（HJ 24—2020）沿用了國際大電網(wǎng)會議第36.01 工作組推薦的計算方法［11］，本文亦采用該方法。主要計算步驟包括：①計算分裂導(dǎo)線等效半徑；②計算單位長度導(dǎo)線下的等效電荷；③計算由等效電荷產(chǎn)生的電場。該方法認(rèn)為高壓送電線上的等效電荷是線電荷，由于高壓送電線半徑遠(yuǎn)小于架設(shè)高度，因此等效電荷的位置可以認(rèn)為是送電導(dǎo)線的幾何中心。假設(shè)輸電線路為無限長并且平行于地面，輸電線路周圍大氣為均質(zhì)介質(zhì)，地面可視為良導(dǎo)體，并忽略桿塔、絕緣子等構(gòu)架影響，利用鏡像法計算送電線上的等效電荷。根據(jù)所求得的實(shí)部電荷、虛部電荷，利用疊加原理可計算得到空間任意一點(diǎn)的工頻電場，在（x，y）點(diǎn)的電場強(qiáng)度的水平和垂直分量見式（1）～（2）。

式中：ExR、ExI分別為由各導(dǎo)線的實(shí)部電荷、虛部電荷在該點(diǎn)產(chǎn)生場強(qiáng)的水平分量；EyR、EyI分別由各導(dǎo)線的實(shí)部電荷、虛部電荷在該點(diǎn)產(chǎn)生場強(qiáng)的垂直分量；m 為導(dǎo)線數(shù)目；i、j 為相互平行的實(shí)際導(dǎo)線。

待求點(diǎn)的合成電場強(qiáng)度E 通過式（3）求得。

2 預(yù)測模型和主要參數(shù)

本文采用《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 輸變電》（HJ 24—2020）推薦的計算方法，2 條500 kV 同塔雙回并行線路的計算參數(shù)見表1。在并行線路最低對地高度的橫截面上建立平面坐標(biāo)系，以2 條線路鐵塔中心連線中點(diǎn)為原點(diǎn)，以垂直線路走線方向的地面為X 軸，代表計算點(diǎn)距離并行線路中心線的水平距離；以垂直地面方向為Y軸，代表計算點(diǎn)距離地面的垂直距離，建立預(yù)測模型坐標(biāo)系如圖1 所示。

圖1 預(yù)測模式坐標(biāo)系示意圖

表1 并行線路電場強(qiáng)度預(yù)測計算參數(shù)

研究表明，在單一同塔雙回線路中，導(dǎo)線的相序排列對線下的電場強(qiáng)度影響顯著，正相序排列對地產(chǎn)生的電場強(qiáng)度顯著大于逆相序排列［12-13］。本文為2 條同塔雙回線路，計算參數(shù)中除考慮Ⅰ線、Ⅱ線自身相序排列外，同時考慮Ⅰ線、Ⅱ線線間導(dǎo)線構(gòu)成的“相序排列”，見表2 所示。

表2 并行線路相序排列

3 影響因素分析

3.1 對地高度

假設(shè)2 條500 kV 同塔雙回線路接近距離為60 m、導(dǎo)線垂直間隔為12 m、相序排列為1，當(dāng)對地高度在10～30 m 變化時，并行線路對地產(chǎn)生的電場強(qiáng)度如圖2所示。可以看出：①整體上看，隨著對地高度增大，并行線路對地產(chǎn)生的電場強(qiáng)度降低，降幅最大的位于I 線、II線各自的鐵塔中心附近；②并行線路包夾區(qū)間的電場強(qiáng)度隨對地高度增大而降低，但當(dāng)對地高度增大至20 m后變化不大；③對地高度增大時，并行線路下方高電場覆蓋區(qū)域略有減少，但不顯著。

圖2 不同對地高度時電場分布

3.2 接近距離

假設(shè)2 條500 kV 同塔雙回線路導(dǎo)線對地高度為30 m、導(dǎo)線垂直間隔為12 m、相序排列為1，當(dāng)接近距離在40～120 m 變化時，并行線路對地產(chǎn)生的電場強(qiáng)度如圖3 所示?？梢钥闯觯孩俨⑿芯€路包夾區(qū)間的電場強(qiáng)度隨著接近距離減小而增加，曲線呈“上凸”趨勢，說明受2 條線路疊加影響顯著；包夾區(qū)間外的電場強(qiáng)度曲線形狀基本不變，說明基本不受疊加影響。②當(dāng)接近距離由120 m 減小至80 m，電場強(qiáng)度極大值幾乎不變，直到接近距離減小至60 m 才顯著增大，說明2 條線路互相影響的距離是有限的。③當(dāng)接近距離達(dá)到100 m 時，并行線路包夾區(qū)間的極小值與計算范圍邊緣處差別不大，說明在此接近距離下，并行線路對包夾區(qū)間的電場強(qiáng)度疊加影響極小，與單一線路無異，這與《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 輸變電》（HJ 24—2020）要求“并行線路中心線間距＜100 m 時，應(yīng)重點(diǎn)分析其對電磁環(huán)境敏感目標(biāo)的綜合影響”是一致的。

圖3 不同接近距離時電場分布

3.3 導(dǎo)線垂直間距

假設(shè)2 條500 kV 同塔雙回線路導(dǎo)線對地高度為30 m、接近距離為60 m、相序排列為1，當(dāng)導(dǎo)線垂直間距在10～14 m 變化時，并行線路對地產(chǎn)生的電場強(qiáng)度如圖4所示?？梢钥闯觯弘S著導(dǎo)線垂直間距減小，電場強(qiáng)度曲線形狀基本不變，電場強(qiáng)度和高電場范圍隨之降低。

圖4 不同垂直間距時電場分布

3.4 相序排列

假設(shè)2 條500 kV 同塔雙回線路導(dǎo)線對地高度為30 m、接近距離為40 m、導(dǎo)線垂直間隔為12 m，當(dāng)相序排列變化時，并行線路對地產(chǎn)生的電場強(qiáng)度如圖5 所示。可以看出：①相序排列對并行線路包夾區(qū)間的電場強(qiáng)度影響顯著，全正（包括Ⅰ、Ⅱ線間相序）相序排列下電場強(qiáng)度最大，全逆（包括Ⅰ、Ⅱ線間相序）相序排列最??；對計算范圍邊緣區(qū)域的電場強(qiáng)度幾乎沒有影響。②單一線路或Ⅰ、Ⅱ線線間采用逆相序均可顯著降低電場強(qiáng)度及高電場覆蓋范圍。

圖5 不同相序時電場分布

4 結(jié)論

本文以《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 輸變電》（HJ 24—2020）推薦的計算方法，對2 條500 kV 同塔雙回線路并行架設(shè)的工頻電場空間分布及其影響因素進(jìn)行分析，得出4 個結(jié)論。

（1）適當(dāng)提高并行線路導(dǎo)線對地高度，可減小電場強(qiáng)度影響，但對于節(jié)約線路走廊意義不大。

（2）可通過適當(dāng)減小接近距離節(jié)約走廊，但要著重分析并行線路包夾區(qū)間的電場強(qiáng)度是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

（3）降低導(dǎo)線垂直間距有利于節(jié)約線路走廊，減小電場強(qiáng)度影響。

（4）并行線路設(shè)計時，應(yīng)盡量采取逆相序排列，并使2 條線路線間導(dǎo)線盡可能構(gòu)成逆相序，有利于減小電場強(qiáng)度影響，節(jié)約線路走廊。