500 kV超高壓輸電線路附近工頻電場(chǎng)分析

王凱奇，趙亞韋，陳承偉，王 涵，鄧傳海

(1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林 132012;2.國網(wǎng)山西省電力公司，山西太原 030001)

0 引言

近年來，我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展推動(dòng)了對(duì)電力的極大需求，但我國能源分布和用電負(fù)荷的區(qū)域不對(duì)稱性要求電力傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)大容量遠(yuǎn)距離的輸送。為了降低電力在輸送過程中的損失和提高輸電容量，相應(yīng)線路的電壓等級(jí)逐漸升高，500kV超高壓輸電線路已逐漸成為我國電力系統(tǒng)的主干網(wǎng)絡(luò)，而電壓等級(jí)更高的特高壓輸電工程在“十二五”期間也將得到較快的發(fā)展［1］。

隨著輸變電工程運(yùn)行電壓等級(jí)的升高，電磁環(huán)境干擾問題已逐漸暴露，高壓輸變電設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾對(duì)長期居住在輸電線路附近居民的影響已引起了社會(huì)各界的關(guān)注。在這樣的背景下，為了充分掌握高壓輸變電設(shè)備的電磁干擾情況，合理評(píng)估電磁干擾影響，降低人們對(duì)電磁干擾產(chǎn)生的不必要恐慌，筆者認(rèn)為對(duì)輸變電設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾的影響因素進(jìn)行分析，提出一些降低電磁干擾水平的具體措施很有必要。

本文運(yùn)用工頻電磁場(chǎng)理論研究高壓輸電線路下方的電磁環(huán)境問題，對(duì)500kV超高架空線路附近的工頻電場(chǎng)進(jìn)行了仿真研究。

1 計(jì)算方法和相關(guān)參數(shù)的選取

1.1 計(jì)算方法

對(duì)工頻電場(chǎng)的計(jì)算主要采用有限差分法、有限元法、邊界元法、矩量法和模擬電荷法［2－8］。在能滿足實(shí)際工程精度要求的情況下，模擬電荷法由于其易于實(shí)現(xiàn)和對(duì)計(jì)算軟件的配置要求較低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。本文根據(jù)《500kV超高壓輸變電工程電磁輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 24－1998)附錄A中的計(jì)算方法，應(yīng)用MATLAB軟件平臺(tái)編制程序計(jì)算500kV超高壓輸電線路下方工頻電場(chǎng)強(qiáng)度的分布。

1.2 500kV輸電線路參數(shù)

本文以500kV超高壓輸電線路為例，將架空輸電線路看成平直導(dǎo)線，以弧垂最低點(diǎn)為架空線離地高度。選取弧垂最低點(diǎn)下方向外延生50m范圍內(nèi)離地高度為1.5m處作為觀測(cè)點(diǎn)。表1列出了500kV輸電線路導(dǎo)線及避雷線的計(jì)算參數(shù)。

表1 線路計(jì)算參數(shù)

圖1所示為500kV導(dǎo)線及地線布置圖。導(dǎo)線水平排列時(shí)兩邊相導(dǎo)線相距22m，地線相距18m;三角形排列時(shí)兩邊相導(dǎo)線相距13m，地線相距10m;豎直排列時(shí)相間距離為7m，導(dǎo)線弧垂最低點(diǎn)離地高度20m。

圖1 導(dǎo)線排列示意

2 工頻電場(chǎng)的影響因素分析

2.1 導(dǎo)線布置形式對(duì)輸電線路附近工頻電場(chǎng)影響

以圖1為例，研究不帶避雷線時(shí)輸電線路附近工頻電場(chǎng)的分布與導(dǎo)線不同排列方式的關(guān)系，仿真結(jié)果見圖2。

圖2 四種排列方式時(shí)的地面電場(chǎng)分布圖

從圖2可知，導(dǎo)線的不同布置方式對(duì)地面電場(chǎng)有較大影響。水平、正三角型排列時(shí)地面電場(chǎng)分布出現(xiàn)雙峰值，分別發(fā)生在兩邊相導(dǎo)線正下方，且水平排列時(shí)的電場(chǎng)峰值較其他排列方式時(shí)相同觀測(cè)點(diǎn)處的電場(chǎng)峰值都大，垂直排列時(shí)峰值發(fā)生在線路中心正下方且電場(chǎng)集中分布在線路中心20m范圍內(nèi)，隨著向線路外側(cè)延伸電場(chǎng)值較小。綜上所述，倒三角型排列時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度較相同觀測(cè)點(diǎn)處其他排列方式下的都相對(duì)較小，且分布曲線下降較緩。

2.2 避雷線的影響

對(duì)比有無避雷線對(duì)地面場(chǎng)強(qiáng)的影響，仿真結(jié)果見圖3～圖6。從圖中可知，帶避雷線與不帶避雷線相比，水平排列帶避雷線時(shí)觀測(cè)點(diǎn)處地面電場(chǎng)強(qiáng)度有所降低，其他三種排列方式帶避雷線時(shí)觀測(cè)點(diǎn)處電場(chǎng)強(qiáng)度有所上升，但總體上帶避雷線與不帶避雷線時(shí)相比地面電場(chǎng)的變化很小。由此可知，避雷線對(duì)地面電場(chǎng)的影響較小。

圖3 水平排列方式下地面電場(chǎng)有無避雷線時(shí)的比較

圖4 正三角排列方式下地面電場(chǎng)有無避雷線時(shí)的比較

圖5 倒三角排列方式下地面電場(chǎng)有無避雷線時(shí)的比較

圖6 垂直排列方式下地面電場(chǎng)有無避雷線時(shí)的比較

2.3 不平衡負(fù)荷的影響

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在過負(fù)荷、短路、斷線等異常情況下時(shí)系統(tǒng)的電壓、電流必然會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而會(huì)影響輸電線路附近的工頻電磁場(chǎng)變化。對(duì)于三相不平衡系統(tǒng)可以應(yīng)用對(duì)稱分量法將電壓、電流分為正序分量、負(fù)序分量和零序分量，再將正序、負(fù)序、零序分量產(chǎn)生的電磁場(chǎng)疊加［9－10］即可求出不平衡負(fù)荷對(duì)輸電線路附近電磁場(chǎng)的影響。

本文以圖1所示的四種排列方式為例，研究A相發(fā)生故障使負(fù)荷不平衡時(shí)對(duì)線路附近工頻電場(chǎng)的影響。其中A相線電壓降低為25kV，電流為3kA，其他參數(shù)仍如表1，仿真結(jié)果如圖7。

圖7 不平衡負(fù)荷時(shí)的地面電場(chǎng)分布

從圖7可知，四種排列方式下當(dāng)A相發(fā)生故障時(shí)地面電場(chǎng)強(qiáng)度分布與正常情況下相比有顯著差異，A相故障時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度主要集中在輸電線路走廊－20m到20m寬度范圍內(nèi)，水平排列和倒三角形排列時(shí)觀測(cè)點(diǎn)處電場(chǎng)峰值較正常負(fù)荷時(shí)有顯著上升，而正三角形排列和垂直排列時(shí)觀測(cè)點(diǎn)處的電場(chǎng)峰值下降了30%左右。

3 降低工頻電場(chǎng)的措施

對(duì)于降低輸電線路下方工頻電場(chǎng)的方法在很多文獻(xiàn)中已經(jīng)提出［11－13］，這些方法主要有:增加導(dǎo)線對(duì)地高度;改變導(dǎo)線間距;合理選擇導(dǎo)線布置方式;同塔多回路時(shí)優(yōu)化相序排列;線路下方架設(shè)屏蔽線等。本文主要對(duì)線路下方架設(shè)屏蔽線時(shí)對(duì)地面電場(chǎng)的屏蔽效果進(jìn)行了仿真分析。

3.1 屏蔽線對(duì)線路下方工頻電場(chǎng)的屏蔽作用

仿真分析改變屏蔽線架設(shè)高度和寬度時(shí)對(duì)線路下方工頻電場(chǎng)屏蔽作用，仿真模型見圖8。

圖8 500kV桿塔雙回路模型

3.1.1 架設(shè)寬度對(duì)線路下方工頻電場(chǎng)的屏蔽作用

圖8中當(dāng)兩根屏蔽線架設(shè)最低相下方3.5m處，改變架設(shè)寬度d(即屏蔽線到桿塔中心的距離)時(shí)，得到仿真結(jié)果見圖9。從圖9中可知，屏蔽線對(duì)地面電場(chǎng)有很好的屏蔽作用，隨著屏蔽線離桿塔中心的距離改變，地面觀測(cè)點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度也隨著改變，當(dāng)屏蔽線在最低相正下方附近(即離桿塔的距離d=7.2m)時(shí)地面電場(chǎng)最小。

圖9 寬度改變時(shí)地面電場(chǎng)分布

3.1.2 架設(shè)高度對(duì)線路下方工頻電場(chǎng)的屏蔽作用

圖8中當(dāng)d取7.2m改變屏蔽線離最低相的距離H時(shí)，仿真結(jié)果見圖10。從圖10可知，隨著屏蔽線高度的降低，地面場(chǎng)強(qiáng)有所降低，但屏蔽線高度降低到一定程度后地面場(chǎng)強(qiáng)又隨之上升，本例中屏蔽線離最低相3.5m時(shí)屏蔽效果最理想。

圖10 高度改變時(shí)地面電場(chǎng)分布

屏蔽線對(duì)輸電線路附近電場(chǎng)的影響和屏蔽線離桿塔中心的距離及離輸電導(dǎo)線的距離都有關(guān)系，只有合理選擇屏蔽線的位置才能達(dá)到理想效果。

3.2 不同電壓等級(jí)同塔多回時(shí)低壓輸電線路的屏蔽作用

同塔多回路時(shí)優(yōu)化線路的相序排列可以降低線路下方的電場(chǎng)強(qiáng)度，其中逆相序排列時(shí)線路下方的電場(chǎng)強(qiáng)度最低［14－15］。本文根據(jù)這一特性仿真研究了500kV和220kV輸電線路同塔并架時(shí)220kV輸電線路對(duì)500kV線路產(chǎn)生電場(chǎng)的屏蔽作用。仿真模型見圖11，ABC為500kV線路abc為220kV線路，采用逆相序排列。

圖11 仿真模型

圖12 高低壓同塔并架時(shí)地面電場(chǎng)分布

圖12為仿真結(jié)果，其中曲線1為只架設(shè)500kV時(shí)的仿真曲線，曲線2為只架設(shè)220kV時(shí)的仿真曲線，曲線3為500kV和220kV同塔并架時(shí)的仿真曲線。從仿真結(jié)果可知，同塔并架時(shí)下層電壓等級(jí)較低的輸電線路對(duì)電壓等級(jí)較高的輸電線路產(chǎn)生的電場(chǎng)有很好的屏蔽作用，且屏蔽效果比較理想。

4 結(jié)語

對(duì)500kV超高壓架空線路附近工頻電場(chǎng)的仿真與分析結(jié)果表明，導(dǎo)線布置形式、避雷線、不平衡負(fù)載等都對(duì)輸電線路附近的電磁場(chǎng)有一定影響。通過改變屏蔽線的架設(shè)寬度和高度能夠最優(yōu)化地屏蔽電場(chǎng)強(qiáng)度，另外同塔多回路時(shí)較低電壓輸電線路對(duì)較高電壓輸電線路產(chǎn)生的電場(chǎng)有很好的屏蔽作用。

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