500kV超高壓變電站整體工頻電場仿真計算與測量分析

羅 鵬， 楊 峰， 周君杰, 蔡明月

(1. 國網(wǎng)重慶市電力公司璧山供電分公司， 重慶 402760； 2. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室， 重慶大學, 重慶 400044)

500kV超高壓變電站整體工頻電場仿真計算與測量分析

羅 鵬1， 楊 峰2， 周君杰1, 蔡明月1

(1. 國網(wǎng)重慶市電力公司璧山供電分公司， 重慶 402760； 2. 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室， 重慶大學, 重慶 400044)

首先介紹了改進的模擬電荷法，通過對重慶市陳家橋500kV變電站模型的建立，計算分析了整個變電站內離地1.5m處的工頻電場，同時對站內500kV開關場區(qū)域、220kV開關場區(qū)域和其他站內重要區(qū)域的路徑、設備等進行了仿真計算分析。結果表明，本文算法與變電站實際測量值吻合良好，校驗了算法的正確性。變電站內絕大部分工頻電場都位于工頻電磁場安全防護等級Ⅰ。本文算法為快速分析超高壓變電站站內工頻電場分布情況提供了有效方法，同時能夠預測其他變電站內的工頻電場強度及避免站內職員暴露在電場強度超標區(qū)域。

模擬電荷法; 測量; 變電站; 工頻電場; 安全防護等級

1 引言

隨著我國電力系統(tǒng)容量的不斷增大，超特高壓變電站內復雜的電磁環(huán)境已引起人們越來越多的關注，從業(yè)人員對精確了解工作環(huán)境的工頻電場分布要求也越來越高[1]。對于變電站站內人員而言，不可避免地會經(jīng)常出現(xiàn)在變電站內電場強度較大區(qū)域。同時，變電站內帶電設備眾多，且超高壓變電站的電壓等級較高，會在變電站站內產(chǎn)生較大的工頻電場。目前有關變電站工頻電場分布的問題，世界各國已經(jīng)進行了大量的研究，制定出相應暴露限值標準。根據(jù)我國《電力行業(yè)作業(yè)場所工頻電磁場安全防護規(guī)定(試行)》將工頻電場安全防護等級分為三級[2]：0級(工頻電場強度在5kV/m以下)、Ⅰ級(工頻電場強度在5 ～10kV/m)、Ⅱ級(工頻電場強度超過10kV/m)，工頻電場的職業(yè)曝露限值為10kV/m(50 Hz)。同時規(guī)定0、Ⅰ、Ⅱ三個安全防護等級對應的站內職員暴露時間分別為：0級可24h安全持續(xù)工作；Ⅰ級必須控制每次接觸時間不超過2h；Ⅱ級每次接觸作業(yè)時間不得超過30min。

目前，國內關于變電站工頻電場研究的方法主要是測量分析[3-6]，而采用對變電站整體建模的分析相對較少[7-10]。文獻[7]重點推導了模擬電荷法與邊界元法相結合的算法，以500kV變電站為例采用IES-Coulomb軟件進行了開關場設備對站內工頻電場分布的仿真分析，并與數(shù)值算法的計算結果進行比較，驗證了仿真結果的正確性；計算了變電站內單個設備與單相設備附近的工頻電場分布，但沒有對整個變電站內工頻電場的分布進行分析。文獻[8]對重慶某500kV變電站進行了簡化建模，仿真計算了站內工頻電場的整體分布，但缺少對站內巡視路徑、設備的分析。文獻[9]利用電磁場分析軟件Ansoft進行變電站的電磁場數(shù)值計算，但需要高性能的計算機，且計算時間長、效率低。文獻[10]采用CDEGS(Current Distribution, Electromagnetic Field, Grounding and Soil Structure Analysis) 軟件對晉東南特高壓變電站進行建模分析，預測了變電站線路下、保護小室與圍墻外等處工頻電磁場強度，但是所建模型沒有考慮變電站內部設備的影響。隨著對變電站站內工頻電場分布情況研究的不斷深入，尋找一種快捷高效的計算方法來計算及預測整個變電站工頻電場分布有著重要的意義。

基于模擬電荷法，本文提出了一種計算變電站工頻電場的改進算法，首先對重慶市陳家橋500kV變電站進行建模，然后編程計算整個變電站站內工頻電場的分布。為了驗證有效性，將計算結果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比分析，兩者能夠良好吻合。最后將實測數(shù)據(jù)與本文計算結果進行整理歸納，根據(jù)相關標準及安全防護等級對500kV開關場區(qū)域、220kV區(qū)內路徑、設備等計算結果進行了分析。

2 改進模擬電荷的計算方法

變電站內帶電設備繁多，導線密集，結構復雜，不能用二維的電場方法分析此類開域場電場問題，故采用改進的模擬電荷法計算空間電場[11-17]。

圖1為單元線電荷計算示意圖。將導線分為若干個有限長線段，每一線段用線性模擬電荷等效，設空間中有一直線段，如圖1所示。這些線性模擬電荷參數(shù)通過式(1)給定：

(1)

式中，L為線性模擬電荷長度；u的取值范圍為[0，L]；l=x2-x1；m=y2-y1；n=z2-z1。

將其進行坐標轉換，使u成為線性電荷的局部坐標，則線性電荷密度τ可以表示為：

(2)

式中,a、b為待定常數(shù)；電位φ由線電荷產(chǎn)生，可表示為：

(3)

式中

A=aL；B=b；E=l2+m2+n2；

F=-2[l(x-x1)+m(y-y1)+n(z-z1)]；

G=(x2-x1)2+(y2-y1)2+(z2-z1)2。

ε0為真空介電常數(shù)。

圖1 單元線電荷計算示意圖Fig.1 Model of linear charge element for calculation

考慮到變電站整體建模規(guī)模大，為節(jié)省計算機存儲空間，縮減計算時間，本文提出一種改進模擬電荷算法，將線性電荷視為常線性電荷，即直線段兩端P1和P2點的電荷密度τ(0)、τ(L)相等，即τ(0)=τ(L)=b，a=0。采用改進后的算法進行建模仿真計算，同一變電站整體工頻電場計算的時間將比未采用改進算法的建模仿真時間減少一半。

計算時，先將線路和等效模型劃分為多個線段，并對大地作鏡像處理。為了方便求解，將式(3)數(shù)值離散化，求出每個線性單元在各匹配點產(chǎn)生的電位系數(shù)P，再根據(jù)已知的邊界條件建立如下矩陣方程：

(4)

式中,P為電位系數(shù)矩陣;τ為待求電荷列向量;φ為匹配點電位列向量。采用改進算法進行推導，可得線性電荷在P點產(chǎn)生的電場強度：

(5)

(6)

(7)

式中,系數(shù)b為常線性電荷密度; M=l2+m2+n2。

最后根據(jù)計算出的空間任意一點的X、Y、Z方向的電場強度，進而可求出該點總的電場強度幅值E：

(8)

3D模擬電荷法計算過程如圖2所示。

圖2 三維空間模擬電荷法計算流程圖Fig.2 Calculation flowchart of charge simulation method

3 變電站的模型建立與測量

3.1 變電站的平面配置

現(xiàn)以陳家橋500kV變電站為例，將該變電站劃分為500kV開關場區(qū)域、220kV開關場區(qū)域和其他典型區(qū)域。變電站的平面配置如圖3所示。

圖3 500kV變電站配電裝置平面圖Fig.3 General view of distribution equipment of 500kV substation

3.2 模型的建立

本文以陳家橋500kV變電站為例進行計算分析。由于變電站內高壓帶電設備多且形狀不規(guī)則，為了得到整個變電站內工頻電場的整體分布情況，在建模過程中，對變電站進行如下簡化處理：模型中將母線、進出線，隔離開關及斷路器等看成直線型導線，母線上的電位等于導線對地電壓，忽略絕緣子瓷套、鋼筋混凝土支柱等一些絕緣介質對電場分布的影響。為提高效率，節(jié)約計算時間，不對變壓器、避雷器和電流互感器等復雜設備建模分析。簡化后的模型如圖4所示。

圖4 500kV變電站透視圖Fig.4 Perspective of 500kV substation

變電站模型建立的相關參數(shù)設為：500kV進出線導線類型為4×LJG500/35,等效半徑為0.204m。線路進線高度為33m，相間距8m，出線高度為26m，相間距7.5m，1M、2M母線建模高度為16.2m，間距64m，正常運行時相電壓為288.68kV；220kV進出線類型為2×LJG500/35,等效半徑為0.073m，兩回母線高度分別為11m、13.5m，進出線平均高度約為6m，回路間隔為13m，正常運行時相電壓為127.02kV。

3.3 變電站的測量

本研究測量所用的儀器為PMM8053A便攜式電磁場測量儀，按照國家標準中變電站工頻電場測量方法進行測量[18-20]。

考慮到工作人員在變電站內設備區(qū)的活動范圍，工頻電場測點大多數(shù)分布在巡視走道和較低帶電構架(主要是帶電導線)下方，同時在變電站的主變壓器和主控樓周圍設定觀測點，所有觀測點都距地面1.5m處。測量位置如圖3中虛線所示。

4 結果與分析

4.1 整體變電站工頻電場計算分析

通過本文3D模擬電荷法，將所建模型信息輸入計算機進行變電站三維工頻電場求解，最終求出地面上方1.5m處的工頻電場分布圖，如圖5所示。

圖5 500kV變電站空間電場等值線色塊圖Fig.5 Electric fields distribution in 500kV substation

從圖5可以看出，電場強度大都處在 5～10kV/m 之間，電場強度較大的區(qū)域主要分布在帶電設備(斷路器、CT、隔離開關)附近，而母線下方電場強度較小，這是由于在變電站中帶電構架，如斷路器、隔離開關等設備連線相對離地面較低；三條進出線回路下方的電場強度分布趨勢是相似的，其局部極值大都出現(xiàn)在邊相附近。

4.2 500kV開關場區(qū)域的工頻電場分析

為驗證變電站整體工頻電場計算結果是否正確，現(xiàn)將變電站內500kV區(qū)域所測數(shù)據(jù)進行整理(實測位置如圖3中500kV開關場區(qū)域內虛線所示)，重點分析500kV開關場區(qū)域出線下方路徑、C相母線設備下方路徑、靠近圖3左側出線的巡視走道和主要變壓器與設備區(qū)之間的巡視走道的工頻電場分布情況，路徑與巡視走道的工頻電場強度均為在地面上方1.5m處的計算結果。計算與實測結果如圖6～圖9所示。

圖6 A、B、C三相出線下方工頻電場分布計算值與測量值Fig.6 Calculated and measured values of power frequency electric field distribution below three-phase outgoing lines

圖7 C相母線下方工頻電場分布計算值與測量值Fig.7 Calculated and measured values of power frequency electric field distribution below phase C bus bar

圖8 500kV開關場圍墻西側電場分布計算值與測量值Fig.8 Calculated and measured values of power frequency electric field distribution near west of 500kV switch yard wall

圖9 主變壓器與500kV設備區(qū)之間巡視走道電場分布計算值與測量值Fig.9 Calculated and measured values of power frequency electric field distribution between main transformer and 500kV equipment area

結果表明，本文算法仿真結果與變電站實測數(shù)據(jù)吻合良好。500kV區(qū)域電場強度值整體較大，主要設備下方路徑甚至有電場強度大小超過10kV/m的點出現(xiàn)(如圖8所示)，這是由于電氣設備離地高度較低，且設備密集，各種帶電裝置產(chǎn)生的電場疊加使電場變得較大。

從圖6可以看出，A相下方電場強度明顯大于B相和C相，且C相下方電場強度也比B相大。這是因為A相處于500kV開關場外側，受到其他出線及設備的影響相對較少。由于設備的影響，導致圖9中顯示的電場強度出現(xiàn)了明顯波動。從圖8和圖9可以看出，500kV區(qū)域的兩條典型巡視走道的電場強度均小于10kV/m(安全防護Ⅰ級)，絕大多數(shù)測點都在5kV/m以下(安全防護0級)。

4.3 220kV開關場區(qū)域的工頻電場分析

參考現(xiàn)場對陳家橋變電站內220kV開關場區(qū)域的工頻電場測量數(shù)據(jù)(實測位置如圖3中220kV開關場區(qū)域內虛線所示)，將其進行計算整理。圖10和圖11分別為220kV開關場區(qū)域的兩回母線的端部、配電區(qū)設備下方的路徑和主要變壓器與設備區(qū)之間的巡視走道的工頻電場分布情況。

圖10 220kV母線端部區(qū)域電場分布計算值與測量值Fig.10 Calculated and measured values of power frequency electric field distribution below end of 220kV bus bar

圖11 主變壓器與220kV設備區(qū)之間巡視走道電場分布計算值與測量值Fig.11 Calculated and measured values of power frequency electric field distribution between main transformer and 220kV equipment area

結果表明，陳家橋變電站內220kV區(qū)域的工頻電場強度都小于10kV/m，絕大部分區(qū)域位于安全防護0級。

從圖10可以看出，母線及設備區(qū)域的電場強度都較大，圖11中可以看出，工作人員經(jīng)常暴露的巡視走道其電場強度相對較小，局部極值都在2kV/m以下。

4.4 變電站工頻電場的測量分析

由于變電站內其他電氣設備(如主控樓、主變、電壓互感器、電流互感器、阻波器和避雷器等)附近電場不易計算，因此通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行分析。變電站內電壓互感器、電流互感器、阻波器和避雷器等電氣設備周圍的工頻電場強度如表1和表2所示，主控樓和變壓器周圍的工頻電場強度如圖12和圖13所示。

表1 500kV電氣設備區(qū)域電場強度測量值Tab.1 Measurement near electrical apparatus of 500kV

表2 220kV電氣設備區(qū)域電場強度測量值Tab.2 Measurement near electrical apparatus of 220kV

圖12 主控樓周圍東南北三面電場分布計算值與測量值Fig.12 Calculated and measured values of power frequency electric field distribution of east, south and north of central control building

圖13 變壓器四周電場分布計算值與測量值Fig.13 Calculated and measured values of power frequency electric field distribution of all sides around transformer

由于站內實際工作需求，工作人員也常會暴露于這些設備處，結果表明所有測點都符合職業(yè)暴露限制標準(<10kV/m)。

結果表明，主控樓南面一側電場強度較大，主要由于靠近500kV出線區(qū)域，而北面和東面都相對較小。主變壓器四周電場強度都小于4kV/m。

綜上，陳家橋變電站內絕大部分區(qū)域的工頻電場強度都滿足相關導則的標準限值，大多位于安全防護等級0級和Ⅰ級。

5 結論

(1)針對重慶市陳家橋500kV變電站建立模型，由于變電站內設備復雜，對模擬電荷法進行改進。采用改進的模擬電荷法能在較短時間內有效地計算整個超高壓變電站站內工頻電場分布，其結果與變電站的實際測量數(shù)據(jù)都吻合良好，為計算其他超高壓及特高壓變電站的工頻電場提供了準確、快速的方法。

(2)通過對500kV變電站的電場強度進行仿真計算，發(fā)現(xiàn)電場較大的區(qū)域主要集中在斷路器等設備處，電場強度大約為4～9kV/m之間。本文算法能用來預測變電站工頻電場的分布情況，對其他特高壓變電站具有通用性。

(3)通過對重慶市陳家橋500kV變電站工頻電場的測量與仿真計算，分析了整個變電站的電場分布規(guī)律。對于超過國家標準限值及電場強度較大的區(qū)域，可以限制職員的進入或減少在超標區(qū)域的暴露時間。根據(jù)變電站內工頻電場分布，可優(yōu)化變電站職員的工作巡視路徑。

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Analysis of power frequency electromagnetic field in 500kV substation during fault status

LUO Peng1, YANG Feng2, ZHOU Jun-jie1, CAI Ming-yue1

(1. Bishan State Grid Power Company, Chongqing 402760, China；2. State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology, Chongqing University,Chongqing 400044, China)

This paper presents an improved charge simulation method (CSM) to calculate and analyze the power frequency electric fields at 1.5m over the ground by modeling the 500kV substation in Chenjiaqiao, Chongqing. In addition, the paper also implements simulation of electric field in switchyard area in 500kV and 220kV substations, together with paths and equipment in critical areas within the substations. The simulation results are proved to be basically consistent with the measured results, which verifies the effectiveness of the improved CSM. The results also reveal that the majority values of power frequency electric-field intensity within the substation meet the standard limits. The proposed approach provides an effective way to calculate the distribution of power frequency electric field in EHV substation. Meanwhile, it is also able to predict electric field in other substations and consequently provide suggestions to let staffs to avoid exposing to those areas where the electric-field intensity exceeds standard limits.

charge simulation method; measurement; substation; power frequency electric field; security protection level

2015-10-12

羅 鵬(1988-)， 男， 重慶籍， 助理工程師， 碩士， 研究方向為電磁場數(shù)值計算及輸變電周圍電磁環(huán)境； 楊 峰(1990-), 男， 重慶籍， 博士研究生， 研究方向為電氣設備絕緣診斷及評估。

TM832

A

1003-3076(2016)09-0067-07