500 kV同塔三回交流輸電線路電磁環(huán)境研究

溫作銘 吳建生 董 鵬

(1．中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200001； 2．上海環(huán)境能源交易所，上海 200083)

500 kV同塔三回交流輸電線路電磁環(huán)境研究

溫作銘1吳建生1董 鵬2

(1．中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200001； 2．上海環(huán)境能源交易所，上海 200083)

隨著我國經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，許多地區(qū)城鎮(zhèn)村莊密集，規(guī)劃設(shè)施眾多，線路走廊資源緊張．當常規(guī)的一條單回路與一條同塔雙回路平行架設(shè)時，可采用同塔三回路，以縮小線路走廊、降低工程造價、減小對環(huán)境的影響．為合理選擇500 kV同塔三回交流輸電線路的桿塔結(jié)構(gòu)及導線布置，從相序排列、塔頭布置、導線高度三方面對電磁環(huán)境進行分析，結(jié)果表明：相鄰回路逆相序排列時工頻電磁場小于同相序排列時，三回路均同相序排列時則最大，無線電干擾和可聽噪聲反之，工頻電場是控制性因素，推薦相鄰回路采用逆相序排列；門型塔的電磁環(huán)境指標較差且走廊寬度較大，貓型塔和酒杯型塔的電磁環(huán)境指標接近，推薦走廊寬度較小的貓型塔布置；無線電干擾隨導線高度的增大呈先升后降的趨勢，其它指標均隨導線高度的增大而減少，選擇相序排列Ⅰ回ABC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CBA的貓型塔布置后，導線最小對地高度不受電磁環(huán)境的制約，按規(guī)范執(zhí)行即可．

同塔三回路； 線路走廊； 500 kV； 電磁環(huán)境

0 引 言

目前，我國輸電線路走廊資源十分緊張，采用同塔三回路，相比于一條單回路與一條同塔雙回路平行架設(shè)，雖然不利于運行檢修，但在相同輸送容量下，可降低工程造價，節(jié)約線路走廊、減少房屋拆遷與塔基占地，實現(xiàn)與地方規(guī)劃的互利共贏，具有很好的社會效益．隨著電壓等級的提高，輸電線路電磁環(huán)境的影響更加突出[1-4]，在輸電線路的設(shè)計過程中，選擇合理的桿塔結(jié)構(gòu)及導線布置，對保證輸電線路良好的環(huán)境行為至關(guān)重要．500 kV同塔三回線路由于導線根數(shù)增加，線間電磁耦合緊密，電暈特性和電磁環(huán)境問題相對于單、雙回線路更加復雜．

本文從相序排列、塔頭布置、導線高度三方面對同塔三回路輸電線路的電磁環(huán)境進行分析，其結(jié)果為同塔三回路設(shè)計提供技術(shù)參考．

1 計算方法

1.1 工頻電場

輸電線下工頻電場的計算采用國際大電網(wǎng)會議第36.01工作組推薦的等效電荷法[5]．計算由兩部分組成：(1)計算單位長度導線上的等效電荷；(2)計算由這些電荷產(chǎn)生的電場．

等效電荷由矩陣方程[U]=[P][Q]求得，式中[U]為各導線對地電壓的列矩陣，是由輸電線路的電壓和相位確定，一般取額定電壓的1.05倍；[P]為由各導線的自電位系數(shù)和互電位系數(shù)組成的n階方陣，n為導線數(shù)；[Q]為各導線上等效電荷的列矩陣．

空間任意一點的電場強度可根據(jù)疊加原理計算得出．在P(x，y)點的電場強度水平分量Ex、垂直分量Ey分別為：

1.2 工頻磁場

輸電線下工頻磁場的計算采用國際大電網(wǎng)會議第36.01工作組推薦的方法[6]，使用安培定律計算高壓線路的空間工頻磁場．由于工頻情況下電磁性能的準靜態(tài)性質(zhì)，線路的磁場僅由電流產(chǎn)生．把安培定律應(yīng)用于載流導線，將單根導線的磁場計算結(jié)果疊加，得到地面1.5m處的磁場強度．

式中，p為鏡象導線距地表距離；ρ為地電阻率；f為頻率．

在P(x，y)點的磁感應(yīng)強度水平分量Bx、垂直分量By分別為：

式中，xi，yi為導線i的坐標；μ0為真空磁導率，μ0=4π×10-7H/m；I為導線i中的電流(A)；dip為導線i與P點的距離(m)．

1.3 導線表面電場

輸電線路的電暈特性主要取決于導線表面電場的大小，導線表面電場是計算輸電線路無線電干擾和可聽噪聲的重要參數(shù)．導線表面電場計算采用逐步鏡像法[7-9]．

式中，Ek為導線表面某點k的場強；Ekx，Eky為在x和y方向上的分量；Pki為第i個電荷在導線表面某點k的電位系數(shù)；s為每根子導線中的鏡像電荷數(shù)；m為交流相數(shù)；n為每相子導線根數(shù)；n0為地線根數(shù)．

逐步鏡像法可以計算每根子導線所帶電荷及其表面電場，對于多分裂導線計算更為精確．

1.4 無線電干擾

多分裂導線的無線電干擾計算采用1998年CISPR補充版中推薦的激發(fā)函數(shù)法[10-11]．該方法是基于試驗線路或電暈籠測量得到的大雨條件下的激發(fā)函數(shù)，通過一定的模量變換，得到各相導線的脈沖電流，再計算這些電流產(chǎn)生的場，即無線電干擾．

大雨條件下的激發(fā)函數(shù)采用式(9)計算．

式中，d為子導線直徑(cm)；n為導線分裂數(shù)．

1.5 可聽噪聲

可聽噪聲采用美國BPA在實際線路上通過長期實測數(shù)據(jù)推導得出的預(yù)測公式[12-13]．

式中，AN為可聽噪聲(dB)；v為相數(shù)；Di為測量點至i相導線的距離(m)；PWL(i)為i相導線的聲功率級．

式中，Emax為導線表面最大電場強度(kV/cm)；deq為導線等效直徑(mm)．

式中，d為子導線直徑(mm)；n為導線分裂數(shù)．

2 計算條件

2.1 同塔三回路的塔型

參考單回線路貓型塔、酒杯型塔和門型塔的命名習慣，設(shè)計了3種塔型分別進行電磁環(huán)境影響評價，塔型示意如圖1所示．為分析塔頭布置的影響，根據(jù)導線絕緣子串型的不同，設(shè)計貓型塔4個布置，酒杯型塔和門型塔各3個．當取500kV線路常用的36m呼高時，各種塔型的導地線位置坐標見表1～表3(坐標原點位于鐵塔底面中心，位置坐標以分裂中心計)．

圖1 塔型示意圖

2.2 計算參數(shù)

導線采用JL/G1A-630/45，4分裂，分裂間距450mm；地線采用JL/G1A-95/55；導線弧垂取11.8m，地線弧垂取10.8m；土壤電阻率取100Ω·m；計算中，工頻電磁場均為距離地面1.5m，無線電干擾及可聽噪聲均為距離邊導線外20m．

表1 貓型塔(36 m呼高時)

表2 酒杯型塔(36 m呼高時)

表3 門型塔(36 m呼高時)

3 計算結(jié)果及分析

3.1 相序排列對電磁環(huán)境的影響

團結(jié)友愛精神和協(xié)作能力是凝聚力的根本體現(xiàn)，團隊凝聚力的培養(yǎng)一定要高度重視團結(jié)互助精神的堅守。團隊中隊員之間關(guān)系融洽、團結(jié)友愛，運動隊整體實力、運動員個人能力就能得以正常甚至超水平的發(fā)揮，凝聚力就會更強?；茧y見真情，平時力量訓練的幫助與保護；訓練后相互按摩放松；訓練前后跨欄架、跳高墊的借還；訓練、比賽中隊員受傷的幫助與協(xié)助、比賽前協(xié)作檢錄、收納衣服、鞋子；比賽中的鼓勵、加油；比賽后的關(guān)切等都能體現(xiàn)隊員之間的團結(jié)友愛之情。年輕教師要善于在訓練、比賽的小細節(jié)處注重培養(yǎng)隊員團結(jié)友愛的精神，促進團隊凝聚力的培養(yǎng)和增強。

選取塔型差異較大的貓型塔和門型塔進行分析，分別選2#、1#以及42 m呼高，計算不同相序排列下的電磁環(huán)境．相序說明均從左至右、從下至上．貓型塔采用6種相序排列方式，Ⅰ回-Ⅱ回-Ⅲ回為：(a)ABC-ABC-CBA；(b)ABC-ABC-ABC；(c)BAC-ABC-CBA；(d)BAC-ABC-ABC；(e)CBA-ABC-CBA；(f)CBA-ABC-ABC．門型塔也采用6種相序排列方式，Ⅰ回-Ⅱ回-Ⅲ回為：(a)ABC-ABC-ABC；(b)CAB-BAC-BAC；(c)CAB-BAC-CAB；(d)BCA-ABC-ABC；(e)BCA-ABC-BCA；(f)BCA-ABC-CAB．

結(jié)果及分析如下．

圖2及表4表明，貓型塔相鄰回路逆相序排列時的工頻電場小于同相序排列時；工頻電場在桿塔中心兩側(cè)分布不對稱，同相序排列時，最大值出現(xiàn)在桿塔中心附近，逆相序排列時，最大值出現(xiàn)在邊相導線附近；工頻電場最小時的相序排列為Ⅰ回ABC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CBA，排列示意如圖3所示；相鄰回路同相序排列時，最大工頻電場3.61 kV/m，實際當導線對地高度逐漸降低后，工頻電場將很快超過線路經(jīng)過居民區(qū)時的限值4 kV/m，采用同相序排列不利于降低塔高．

圖2 工頻電場隨相序的變化(貓型塔) 圖3 工頻電場最小的相序排列示意圖

相序工頻電場最大值/(kV·m-1)Ⅰ回ABC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CBA1.34Ⅰ回ABC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回ABC3.60Ⅰ回BAC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CBA1.37Ⅰ回BAC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回ABC3.61Ⅰ回CBA-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CBA1.50Ⅰ回CBA-Ⅱ回ABC-Ⅲ回ABC3.60

圖4及表5表明，門型塔相鄰回路出現(xiàn)同相序排列時，工頻電場較大，當三回路均同相序排列時，工頻電場最大，最大值為4.2 kV/m；當Ⅰ回與Ⅲ回相序不同且其中一回與Ⅱ回相序相同時，工頻電場沿桿塔中心的不對稱度較高．

圖4 工頻電場隨相序的變化(門型塔)

相序工頻電場最大值/(kV·m-1)Ⅰ回ABC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回ABC4.20Ⅰ回CAB-Ⅱ回BAC-Ⅲ回BAC3.08Ⅰ回CAB-Ⅱ回BAC-Ⅲ回CAB1.62Ⅰ回BCA-Ⅱ回ABC-Ⅲ回ABC3.23Ⅰ回BCA-Ⅱ回ABC-Ⅲ回BCA2.16Ⅰ回BCA-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CAB1.64

圖5～6、表6～7表明，與工頻電場相同，貓型塔相鄰回路逆相序排列時的工頻磁場小于同相序排列時，相序排列Ⅰ回ABC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CBA時工頻磁場最大值最小，最大值出現(xiàn)在桿塔中心附近；門型塔相鄰回路出現(xiàn)同相序排列時，工頻磁場較大，當三回路均同相序排列時，工頻磁場最大，最大值為6.75 μT，但遠小于100 μT的限值．

圖6 工頻磁場隨相序的變化(門型塔)

相序工頻磁場最大值/μTⅠ回ABC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CBA2.18Ⅰ回ABC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回ABC6.07Ⅰ回BAC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CBA2.75Ⅰ回BAC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回ABC6.34Ⅰ回CBA-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CBA3.82Ⅰ回CBA-Ⅱ回ABC-Ⅲ回ABC6.07

表7 工頻磁場最大值隨相序的變化(門型塔)

表8～11表明，貓型塔相鄰回路同相序排列時的無線電干擾和可聽噪聲小于逆相序排列時．門型塔相鄰回路出現(xiàn)同相序排列時，無線電干擾和可聽噪聲較小，當三回路均同相序排列時則最?。疅o線電干擾小于55 dB(μV/m)限值，可聽噪聲小于55 dB(A)限值．

表8 無線電干擾隨相序的變化(貓型塔)

表9 無線電干擾隨相序的變化(門型塔)

表10 可聽噪聲隨相序的變化(貓型塔)

表11 可聽噪聲隨相序的變化(門型塔)

綜上，相鄰回路采用逆相序排列對控制工頻電場及工頻磁場有利；相反，采用同相序排列對控制無線電干擾和可聽噪聲有利；對500 kV同塔三回路，工頻電場是決定相序排列的關(guān)鍵因素，推薦相鄰回路采用逆相序排列以控制工頻電場．

3.2 塔頭布置對電磁環(huán)境的影響

結(jié)果及分析如下．

圖7～8、表12表明，10種塔頭的工頻電磁場基本對稱分布；工頻電場最大值出現(xiàn)在邊相導線附近；工頻電場最大值貓型塔與酒杯型塔接近，且較門型塔??；工頻磁場最大值3種塔頭均接近．

圖7 不同塔頭布置的工頻電場

圖8 不同塔頭布置的工頻磁場

表13表明，門型塔的無線電干擾與可聽噪聲較貓型塔與酒杯型塔大．

表12 不同塔頭布置的工頻電磁場最大值

表13 不同塔頭布置的無線電干擾和可聽噪聲

綜上，在選擇合理的相序排列后，3種塔頭布置中，貓型塔和酒杯型塔的電磁環(huán)境指標較好且差異不明顯，門型塔指標較差；綜合考慮采取同塔三回路最重要的減小線路走廊寬度的目的，不選擇走廊寬度最大且電磁環(huán)境指標最差的門型塔布置，而貓型塔與酒杯型塔中優(yōu)選走廊寬度較小的貓型塔布置．

3.3 導線最小對地高度對電磁環(huán)境的影響

導線最小對地高度是線路設(shè)計最重要的參數(shù)之一．根據(jù)前文的分析結(jié)果，優(yōu)選相序排列Ⅰ回ABC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CBA的貓型塔布置．以2#為例，分析導線高度對電磁環(huán)境的影響．

結(jié)果及分析如下．

圖9～10、表14表明，工頻電磁場隨導線對地高度的增加而減小，且減小的幅度逐漸變??；工頻電場最大值出現(xiàn)在邊相導線附近，工頻磁場最大值出現(xiàn)在桿塔中心附近，此后電磁場沿著遠離桿塔的方向逐漸衰減；規(guī)范[14]中500 kV線路要求在非居民區(qū)導線對地最小距離11 m、邊相外5 m處工頻電場10 kV/m，在居民區(qū)則為14 m和4 kV/m，與計算結(jié)果比較可知，優(yōu)選相序后同塔三回路貓型塔的導線最小高度按規(guī)范執(zhí)行即可；邊相外5 m處的工頻磁場最大值為7.55 μT，遠小于100 μT．

圖9 工頻電場隨導線最小高度的變化 圖10 工頻磁場隨導線最小高度的變化

導線最小高度/m邊相外5m處工頻電場/(kV·m-1)邊相外5m處工頻磁場/μT114.317.55143.245.52172.474.13201.933.15231.532.45261.241.94291.021.56320.861.28350.731.07380.620.92410.540.80440.480.70470.420.62500.380.56530.340.51560.310.46

圖11～12表明，無線電干擾隨導線對地高度的增大呈先升后降的趨勢；可聽噪聲則隨導線對地高度的增大而減?。畬Ь€最小高度在11 m至56 m時，無線電干擾最大值為47.04 dB(μV/m)，小于55 dB(μV/m)；可聽噪聲最大值為38.11 dB(A)，小于55 dB(A)．

圖11 無線電干擾隨導線最小高度的變化 圖12 可聽噪聲隨導線最小高度的變化

4 結(jié) 論

1)對500 kV同塔三回路，推薦相鄰回路采用逆相序排列．

2)門型塔的電磁環(huán)境指標較差且走廊寬度較大，不推薦采用門型塔布置；貓型塔和酒杯型塔的電磁環(huán)境指標接近，推薦走廊寬度較小的貓型塔布置．

3)選擇相序排列Ⅰ回ABC-Ⅱ回ABC-Ⅲ回CBA的貓型塔布置后，導線對地最小高度不受電磁環(huán)境的制約，按規(guī)范執(zhí)行即可．

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[責任編輯 張 莉]

Research on Electromagnetic Environment of 500 kV One-tower-three-circuit AC Transmission Line

Wen Zuoming1Wu Jiansheng1Dong Peng2

(1. East China Electric Power Design Institute Co., Ltd., China Power Engineering Consulting Group, Shanghai 200001， China;2. Shanghai Environment & Energy Exchange Co., Ltd. Shanghai 200083, China)

With the supercharged growth of economic society in China, there are some problems arose in many areas, such as, the towns and villages distributed densely, the numerous facilities are planning and the transmission line corridor resources are getting scarce. When a conventional one-tower-one-circuit line and a traditional one-tower-two-circuit line erected in parallel, one-tower-three-circuit transmission line could be used to narrow the line corridor, decrease the project cost and reduce the impact on the environment. In order to optimize the tower structure and conductor arrangement of 500 kV one-tower-three-circuit AC transmission line, we analyze the electromagnetic environment from the aspects of phase sequence, tower head arrangement and wire height, respectively. The results show that when inverse phase sequence arrangement in the adjacent loop, the frequency electromagnetic field was smaller than same phase sequence arrangement. If three loops are arranged in the same phase sequence, frequency electromagnetic field will be maximized. The law of radio interference (RI) and audible noise (AN) are opposite of frequency electromagnetic field. The frequency electric field is the controlling factor that is recommended to use the inverse phase sequence in adjacent loop. The quota of electromagnetic environment of portal tower indicate negative, moreover, the corridor width shows larger, the quota of electromagnetic environment of cat tower and cup-type tower are close, cat-tower is recommended because its smaller corridor width. The RI rose first and then decreased with the change of wire height; other indexes are decreased with the wire height going high; after we arranged the cat type tower with phase sequence of Ⅰ loop ABC- II loop ABC- III loop CBA, the wire minimum height is not restricted by the electromagnetic environment; it can be executed as long as follow the specification.

one-tower-three-circuit; transmission line corridor; 500 kV; electromagnetic environment

2016-12-10

溫作銘(1983-)，男，碩士，高級工程師，主要從事輸電線路設(shè)計工作．E-mail： wzm@ecepdi.com

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.04.014

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1672-948X(2017)04-0065-06