短路故障下500kV變電站工頻磁場分析

羅鵬

【摘 要】為了深入研究變電站站內(nèi)工頻電磁場在正常運行狀態(tài)及故障狀態(tài)時的分布情況，提高變電站工頻電磁場仿真計算效率，以500kV變電站為例，采用CDEGS軟件對變電站進行模型建立與工頻電磁場分布的仿真計算。通過將仿真結(jié)果與實測結(jié)果的對比，驗證了該軟件的正確性。最后分析了變電站正常狀態(tài)與故障情況的工頻電磁場分布情況，優(yōu)化變電站工頻電場分布的各種情況，為其他電壓等級變電站的計算與分析提供了一種有效方法。

【關(guān)鍵詞】變電站;CDEGS;工頻磁場;仿真分析

0引言

電力在社會生產(chǎn)和人類生活中的廣泛應(yīng)用，工頻電磁場的分布已經(jīng)越來越受到關(guān)注。目前我國輸變電工頻電磁場的職業(yè)暴露[1]限值分別為10kV/m、500uT。根據(jù)《電力行業(yè)作業(yè)場所工頻電磁場安全防護規(guī)定（試行）》[2]將工頻電磁場安全防護等級分為三級：0級（工頻電場強度在5kV/m以下，或磁場強度在100μT以下）、Ⅰ級（工頻電場強度在5kV/m～10kV/m或磁場強度在100μT～500μT）、Ⅱ級（工頻電場強度在超過10kV/m或磁場強度超過500μT）。

目前，國內(nèi)關(guān)于變電站的研究，關(guān)于變電站工頻電磁場的測量分析較多[3～6]，而變電站工頻電磁場的計算分析還比較少[7、8]。模擬電荷法[7]等較傳統(tǒng)的電磁場計算方法分析電磁環(huán)境效率不高，還要有較強的編程能力。近年來，開始利用一些軟件仿真分析變電站電磁場分布[9、10]。以 500 kV 變電站為例采用了 IES-Coulomb 軟件進行了單個設(shè)備與單相設(shè)備仿真，并與文中方法計算結(jié)果對比，驗證了計算結(jié)果的正確性[9]。采用CDEGS對晉東南特高壓變電站進行了全局建模分析，預(yù)測了變電站線路下、保護小室與圍墻外等處電磁場強度[10]。相比較而言，軟件仿真分析靈活、可靠、簡捷、適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電磁環(huán)境計算。

1 矩量法及模型建立

1.1電站的數(shù)學計算模型

本文以某500kV變電站為例進行仿真計算。由于變電站內(nèi)大多高壓帶電設(shè)備多且形狀不規(guī)則，為了得到整個變電站內(nèi)工頻電場的總體分布情況，在建模過程中，對變電站進行如下簡化處理：將母線、進線、出線和設(shè)備間相連的導線視為圓柱形導體，導線電壓是已知的，導線為良導體，導線上的電壓幾乎不變，即不考慮線路損耗;不考慮變電站內(nèi)如斷路器、隔離開關(guān)等電氣設(shè)備對電磁場的影響。采用CDEGS軟件對500kV變電站進行建模，建模時設(shè)定地面為零電位且視為無限大平面，作為良導體考慮。導線各相施加電壓按正弦規(guī)律變化，500kV各相電壓幅值為500/√3kV，A、B、C三相電壓依次滯后120°。

2變電站正常及故障狀態(tài)下的工頻磁場計算與分析

2.1常狀態(tài)時的工頻磁場計算

采用CDEGS軟件，對500kV變電站站內(nèi)離地1.5m處工頻磁場分布進行計算分析。由于變電站內(nèi)導線電流值大小隨著負荷的大小而發(fā)生著變化。因此對工頻磁場進行仿真計算時，假定每回進線的電流值大小為140A，每回出線的電流值大小為70A。最終求出地面上方1.5m處的工頻電場分布三維圖及等值色塊圖，如圖1所示。

從圖1中可以看出，變電站工頻磁場強度值大多在1uT左右，工頻磁場幅值最大值為1.97uT，遠遠低于工頻電磁安全防護導則規(guī)定的職業(yè)暴露限值100uT（安全防護0級）。磁場強度較大值大多出現(xiàn)在每一回進出線的中間導線的下方，而隨著距中間導線距離的增大而逐漸減小。由于母線上的電流值較小，因此母線下方磁場相對較小。整個變電站內(nèi)的工頻磁場都遠遠低于100uT，站內(nèi)職員可安全持續(xù)的工作。

2.2故障狀態(tài)時的工頻磁場計算

圖1和圖2分別為進線發(fā)生單相、三相故障時變電站的工頻磁場分布三維圖。

從圖2和3中可以看出，第一回進線發(fā)生單相短路故障跟發(fā)生三相短路故障時，工頻磁場分布規(guī)律相似。單相短路故障時，工頻磁場大多為100uT，大多位于安全防護0級。三相短路故障時，工頻磁場大多為130uT，大多位于安全防護Ⅰ級。由于三相短路故障時各相工頻磁場的疊加，使得工頻磁場的幅值比單相短路故障的稍大。

由于變電站內(nèi)自動保護裝置如斷路器等作用時間約為1s，因此站內(nèi)磁場超過100uT的時間很短，且工頻磁場幅值都遠低于相關(guān)準則中職業(yè)暴露限值500uT。

3結(jié)論

（1）采用加拿大SES公司的CDEGS軟件對某500kV變電站工頻電磁場進行仿真分析，能在較短時間內(nèi)完成模型建立及有效地計算變電站站內(nèi)工頻電場分布，仿真結(jié)果與變電站的實際測量數(shù)據(jù)都能基本吻合，為計算其他電壓等級變電站的工頻電場提供了準確、快速的方法。

（2）通過對500kV 變電站的工頻電磁場進行仿真計算，分析了變電站的工頻電磁場分布規(guī)律：工頻電場強度較大值主要集中在導線交叉與每回導線外側(cè)區(qū)域;工頻磁場強度較大值主要位于每回導線的中間區(qū)域，工頻磁場幅值大多為1～1.5uT。故障情況時，磁場強度幅值也遠遠低于暴露限值500uT。

參考文獻：

[1]HJ/T 24-1998 500 kV超高壓送變電工程電磁輻射環(huán)境影響評價技術(shù)規(guī)范[S]，1998.

[2]徐祿文，李永明，劉昌盛，俞集輝，侯興哲.重慶500kV變電站內(nèi)工頻電磁場及安全性研究[A].中國電機工程學會電工數(shù)學專業(yè)委員會.第十一屆全國電工數(shù)學學術(shù)年會論文集[C].中國電機工程學會電工數(shù)學專業(yè)委員會：，2007：6.

（作者單位：國網(wǎng)重慶璧山供電公司）