500 kV交流輸電線路工頻電磁場理論計(jì)算與實(shí)測數(shù)值的差異研究

鄭洪剛，韓雪飛

(中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，長春 130021)

交流輸電線路在傳輸電能的同時(shí)，在周圍局部空間會產(chǎn)生電場和磁場，均屬于感應(yīng)場，其環(huán)境影響不同于一般廢氣、廢水、固體廢棄物以及放射性等影響，不具有累積性。我國交流輸變電工程的工作頻率(以下簡稱工頻)為50 Hz，產(chǎn)生的工頻電磁場在電磁頻譜中屬于極低頻場，不產(chǎn)生有效電磁輻射，更不會產(chǎn)生電離輻射，只要將工頻電磁場控制在標(biāo)準(zhǔn)限值內(nèi)，就不會對公眾健康產(chǎn)生影響［1］。

通常，輸電線路在設(shè)計(jì)階段均會對電磁影響進(jìn)行理論計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保其產(chǎn)生的工頻電磁場符合標(biāo)準(zhǔn)限值要求。但輸電線路運(yùn)行后，工頻電磁場的實(shí)測值與理論計(jì)算值經(jīng)常存在一定差異，本文通過對典型的500 kV單回路、同塔雙回輸電線路進(jìn)行理論計(jì)算，分析、總結(jié)工頻電磁場變化規(guī)律及其影響因素。同時(shí)，選取多年穩(wěn)定運(yùn)行的、典型的500 kV單回路、同塔雙回輸電線路，對其工頻電磁場進(jìn)行實(shí)際測量，分析監(jiān)測結(jié)果，總結(jié)變化規(guī)律，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，研究差異存在的原因，提出降低輸電線路電磁環(huán)境影響的優(yōu)化設(shè)計(jì)建議。

1 500 kV輸電線路工頻電磁場的理論計(jì)算

1.1 典型500 kV輸電線路的主要參數(shù)

500 kV輸電線路通常采用角鋼塔，導(dǎo)線截面以4×400 mm2居多。單回輸電線路常用塔型為ZB型，導(dǎo)線采用水平排列;同塔雙回輸電線路常用塔型為SZ型，導(dǎo)線采用逆相序垂直排列。輸電線路經(jīng)過非居民區(qū)時(shí)導(dǎo)線最小對地距離為11 m，經(jīng)過居民區(qū)時(shí)導(dǎo)線最小對地距離為14 m。500 kV輸電線路典型塔型主要技術(shù)參數(shù)見表 1、表 2，2種塔型輸電線路相電流均為1 500 A，計(jì)算電壓均為525 V，最小對地距離均為非居民區(qū)11 m，居民區(qū)14 m。

表1 典型500 kV單回輸電線路主要技術(shù)參數(shù)

表2 典型500 kV同塔雙回輸電線路主要技術(shù)參數(shù)

1.2 理論計(jì)算模型選擇

目前國內(nèi)外計(jì)算輸電線路工頻電磁場的主要方法為模擬電荷法［2-3］、等效電荷法［4-5］、有限元法［5-6］和矩量法［7-8］，其中等效電荷法因計(jì)算簡便易行、精確度有保證而被廣泛采用，本研究中輸電線路下空間工頻電場、工頻磁場的理論計(jì)算采用等效電荷法。

1.2.1 工頻電場

高壓輸電線上的等效電荷是線電荷，由于高壓輸電線半徑遠(yuǎn)小于架設(shè)高度，所以等效電荷的位置可認(rèn)為是在輸電導(dǎo)線的幾何中心。設(shè)輸電線路無限長并且平行于地面，地面可視為良導(dǎo)體，利用鏡像法計(jì)算輸電線上的等效電荷。

1.2.2 工頻磁場

由于工頻情況下電磁性能具有準(zhǔn)靜態(tài)特性，線路的磁場僅由電流產(chǎn)生。應(yīng)用安培定律，將計(jì)算結(jié)果按矢量疊加，可得出導(dǎo)線周圍的磁場強(qiáng)度。

1.3 理論計(jì)算結(jié)果分析

1.3.1 工頻電場

工頻電場在計(jì)算時(shí)，分別計(jì)算非居民區(qū)、居民區(qū)導(dǎo)線對地最小高度時(shí)的工頻電場強(qiáng)度;同時(shí)對不同導(dǎo)線對地高度時(shí)線下空間的工頻電場強(qiáng)度進(jìn)行試算，給出線下空間工頻電場強(qiáng)度完全低于 GB 8702—2014《電磁環(huán)境控制限值》要求時(shí)的導(dǎo)線對地高度。

500 kV單回輸電線路、同塔雙回輸電線路下方空間距地面1.5 m處工頻電場計(jì)算結(jié)果見圖1。

圖1 500 kV單回及同塔雙回輸電線路距地面1.5 m工頻電場分布

由圖1可知:

a.500 kV單回輸電線路導(dǎo)線水平排列時(shí)，其下方空間地面1.5 m處工頻電場以中相導(dǎo)線為軸呈對稱分布，并隨著與線路水平距離的增加呈迅速降低趨勢，降低幅度隨著導(dǎo)線對地距離的增加呈減小趨勢;

b.工頻電場強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在邊相導(dǎo)線附近，并隨著導(dǎo)線對地距離的增加呈降低趨勢。在導(dǎo)線對地距離為11 m時(shí)，工頻電場強(qiáng)度最大值為9.671 kV/m;在導(dǎo)線對地距離為14 m時(shí)，工頻電場強(qiáng)度最大值降至6.557 kV/m;當(dāng)導(dǎo)線對地距離提高至19 m時(shí)，工頻電場強(qiáng)度最大值為3.923 kV/m，已降至4 kV/m以下;

c.以GB 8702—2014中工頻電場公眾曝露控制限值10 kV/m(耕地、園地、牧草地、道路等場所)、4 kV/m(居民區(qū))為控制要求，在導(dǎo)線對地高度為11 m時(shí)，線路下方空間工頻電場強(qiáng)度均低于10 kV/m;在導(dǎo)線對地高度為14 m時(shí)，工頻電場強(qiáng)度在距邊相導(dǎo)線地面投影外12 m處降至4 kV/m以下;在導(dǎo)線對地高度增加至19 m時(shí)，線路下方空間地面1.5 m處工頻電場強(qiáng)度均已低于4 kV/m;

d.500 kV同塔雙回輸電線路地導(dǎo)線垂直排列時(shí)，其下方空間地面1.5 m處工頻電場以線路中心為軸呈對稱分布，并隨著與線路水平距離的增加呈迅速減少趨勢;

e.工頻電場強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在邊相導(dǎo)線附近，工頻電場強(qiáng)度最大值隨著導(dǎo)線對地距離的增加呈降低趨勢。在導(dǎo)線對地距離為11 m時(shí)，工頻電場強(qiáng)度最大值為9.062 kV/m;在導(dǎo)線對地距離為14 m時(shí)，工頻電場強(qiáng)度最大值降至5.971 kV/m;當(dāng)導(dǎo)線對地距離提高至18 m時(shí)，工頻電場強(qiáng)度最大值為3.768 kV/m，已降至4 kV/m以下;

f.以GB 8702—2014中工頻電場公眾曝露控制限值10 kV/m(耕地、園地、牧草地、道路等場所)、4 kV/m(居民區(qū))為控制要求，在導(dǎo)線對地高度為11 m時(shí)，線路下方空間工頻電場強(qiáng)度均低于10 kV/m;在導(dǎo)線對地高度為14 m時(shí)，工頻電場強(qiáng)度在距邊相導(dǎo)線地面投影外9 m處降至4 kV/m以下;在導(dǎo)線對地高度增加至18 m時(shí)，線路下方空間地面1.5 m處工頻電場強(qiáng)度均已低于4 kV/m。

1.3.2 工頻磁場

500 kV單回輸電線路及同塔雙回輸電線路下方空間距地面1.5 m處工頻磁場計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖2 500 kV單回輸電線路、同塔雙回輸電線路距地面1.5 m工頻磁場分布情況

由圖2可知:

a.500 kV單回輸電線路地導(dǎo)線水平排列時(shí)，其下方空間地面1.5 m處工頻磁場以中相導(dǎo)線為軸呈對稱分布，并隨著與線路水平距離的增加呈迅速減少趨勢，與工頻電場變化趨勢基本一致;

b.工頻磁場強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在邊相導(dǎo)線下方，工頻磁場強(qiáng)度最大值隨著導(dǎo)線對地距離的增加呈降低趨勢。在導(dǎo)線對地距離為11 m時(shí)，工頻磁場強(qiáng)度最大值為30.01 μT;在導(dǎo)線對地距離為14 m時(shí)，工頻電場強(qiáng)度最大值降至16.30 μT，線路下方空間地面1.5 m處工頻磁場強(qiáng)度均低于GB 8702—2014中工頻磁場公眾曝露控制限值100 μT的要求;

c.500 kV同塔雙回輸電線路導(dǎo)線垂直排列時(shí)，其下方空間地面1.5 m處工頻磁場以線路中心為軸，呈對稱分布，并隨著與線路水平距離的增加呈迅速減少趨勢，與工頻電場變化趨勢基本一致;

d.工頻磁場強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在邊相導(dǎo)線內(nèi)，工頻磁場強(qiáng)度最大值隨著導(dǎo)線對地距離的增加呈降低趨勢。在導(dǎo)線對地距離為11 m時(shí)，工頻磁場強(qiáng)度最大值為34.47 μT;在導(dǎo)線對地距離為14 m時(shí)，工頻磁場強(qiáng)度最大值降至20.79 μT，線路下方空間地面1.5 m處工頻磁場強(qiáng)度均低于GB 8702—2014中工頻磁場公眾曝露控制限值100 μT的要求。

2 500 kV輸電線路工頻電磁場的實(shí)測

2.1 典型輸電線路選取

選取吉林省內(nèi)多年穩(wěn)定運(yùn)行的、典型500 kV單回輸電線路(以下稱“單回線路A”)和500 kV同塔雙回輸電線路(以下稱“雙回線路B”)各1例進(jìn)行工頻電場、工頻磁場的實(shí)測。兩輸電線路主要技術(shù)參數(shù)見表3。

2.2 監(jiān)測方法

根據(jù)HJ 681—2013《交流輸變電工程電磁環(huán)境監(jiān)測方法》(試行)的要求進(jìn)行監(jiān)測。500 kV單回輸電線路監(jiān)測斷面選擇在跨越道路處，500 kV同塔雙回輸電線路監(jiān)測斷面選擇在農(nóng)村地段，兩斷面處均地勢平坦、四周空曠、遠(yuǎn)離樹木，且沒有其他電力線路、通信線路及廣播線路。監(jiān)測儀器探頭架設(shè)在地面上方1.5 m高度處。

2.3 環(huán)境條件

本次監(jiān)測時(shí)環(huán)境條件符合監(jiān)測儀器的使用要求，監(jiān)測工作在無雨、無霧、無雪的天氣下進(jìn)行，且環(huán)境濕度在80%以下。監(jiān)測時(shí)環(huán)境條件見表4。

2.4 監(jiān)測布點(diǎn)

監(jiān)測斷面選擇在導(dǎo)線檔距中央弧垂最低位置，測量方向沿垂直線路方向進(jìn)行。單回輸電線路以弧垂最低位置處中相導(dǎo)線地面投影點(diǎn)為測量起點(diǎn)，同塔雙回線路以弧垂最低位置處兩桿塔中央連線對地投影為測量起點(diǎn)，測點(diǎn)間距5 m，測到距邊相導(dǎo)線地面投影外50 m處止。

表3 500 kV輸電線路主要技術(shù)參數(shù)

表4 監(jiān)測時(shí)環(huán)境條件

500 kV單回線路A及雙回線路B所用監(jiān)測儀器為:EHP50C電磁場探頭/8053場強(qiáng)分析儀(單回路A)，EFA－300(雙回路B);頻率范圍都是5 Hz～100 kHz;測量范圍:電場強(qiáng)度0.01 V/m～100 kV/m，磁場強(qiáng)度 1 nT～10 mT。

2.5 監(jiān)測結(jié)果

監(jiān)測時(shí)，500 kV單回線路A和500 kV雙回線路B均正常穩(wěn)定運(yùn)行，兩線路運(yùn)行工況:500 kV單回線路A電壓527 kV，電流501 A;500 kV雙回線路B電壓530 kV，電流52 A。

2.5.1 500 kV 單回線路 A

500 kV單回線路A工頻電磁場監(jiān)測結(jié)果見圖3。由圖3可知:500 kV單回線路A的工頻電磁場隨著距邊相導(dǎo)線距離的增加呈迅速降低趨勢，在距線路中心距離大于35 m后，降低幅度趨緩。在距線路中心距離大于25 m后，工頻電場監(jiān)測值已低于4 kV/m;線路下方工頻磁場監(jiān)測值均低于100 μT。工頻電磁場監(jiān)測值變化趨勢與前述理論計(jì)算結(jié)果一致。

圖3 500 kV單回線路A工頻電磁場監(jiān)測結(jié)果

2.5.2 500 kV 雙回線路 B

500 kV雙回線路B工頻電磁場監(jiān)測結(jié)果見圖4。由圖4可知:500 kV雙回線路B的工頻電磁場隨著距邊相導(dǎo)線距離的增加呈迅速降低趨勢，在距線路中心距離大于35 m后，降低幅度趨緩。線路下方工頻電場監(jiān)測值均低于4 kV/m，工頻磁場監(jiān)測值均低于100 μT。工頻電磁場監(jiān)測值變化趨勢與前述理論計(jì)算結(jié)果一致。

圖4 500 kV雙回線路B工頻電磁場監(jiān)測結(jié)果

3 500 kV輸電線路工頻電磁場的計(jì)算與實(shí)測值對比

采用前述工頻電磁場的理論計(jì)算模型，輸入500 kV單回線路A和500 kV雙回線路B的技術(shù)參數(shù)，對兩輸電線路下方空間的工頻電磁場進(jìn)行模擬計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，探討造成差異的原因。

500 kV單回線路A工頻電磁場理論計(jì)算值與實(shí)測值對比情況見圖5;500 kV雙回線路B工頻電磁場理論計(jì)算值與實(shí)測值對比情況見圖6。由圖5、圖6可知:

圖5 500 kV單回線路A工頻電磁場計(jì)算值與實(shí)測值對比

a.輸電線路下方空間的工頻電磁場實(shí)測值與理論計(jì)算值的變化趨勢相同;

b.無論工頻電場強(qiáng)度還是工頻磁場強(qiáng)度，理論計(jì)算值均大于實(shí)測值。這是因?yàn)槔碚撚?jì)算模型對輸電線路情況進(jìn)行了簡化處理:將工頻交變電磁場視為準(zhǔn)靜態(tài)場;將三維場簡化為二維場處理;將輸電線路簡化為無限長且平等于地面，導(dǎo)線半徑遠(yuǎn)小于架設(shè)高度，等效電荷的位置即是導(dǎo)線的幾何中心;將大地視為良導(dǎo)體;電荷沿線路未發(fā)生畸變;未考慮氣象條件的影響。而在實(shí)際測量過程中，輸電線路下方工頻電磁場并非準(zhǔn)靜態(tài)場，地面并非是完全平坦的良導(dǎo)體，地面植被對電磁能量有一定吸收［9］，溫度、濕度、覆冰、雨、雪和風(fēng)等氣象條件對測量結(jié)果均有一定影響［10－11］。

圖6 500 kV雙回線路B工頻電磁場計(jì)算值與實(shí)測值對比

雖然理論計(jì)算模型偏于保守，但理論計(jì)算值與實(shí)測結(jié)果的吻合性很好，用理論計(jì)算結(jié)果來預(yù)測和評估輸電線路電磁環(huán)境影響是安全可行的。

4 結(jié)論

通過選取典型的500kV單回路和同塔雙回輸電線路開展線下空間工頻電磁場的理論計(jì)算與實(shí)測，得出如下結(jié)論:

a.500 kV單回輸電線路導(dǎo)線水平排列、500 kV同塔雙回輸電線路導(dǎo)線逆相序垂直排列時(shí)，其下方空間工頻電磁場強(qiáng)度以線路中心為軸呈對稱分布，最大值出現(xiàn)在邊相導(dǎo)線附近，并隨著與線路距離的增加呈迅速降低趨勢，降低幅度隨導(dǎo)線架設(shè)高度的增加呈降低趨勢;

b.工頻電磁場強(qiáng)度理論計(jì)算值大于實(shí)測值，主要因?yàn)槔碚撚?jì)算模型對輸電線路情況做了簡化處理，且未考慮線路周圍環(huán)境情況和氣象條件的影響;

c.工頻電磁場強(qiáng)度理論計(jì)算值與實(shí)測值的變化規(guī)律相同，吻合性好，用理論計(jì)算結(jié)果來預(yù)測和評估輸電線路電磁環(huán)境影響是安全可行的。