屏蔽線（網(wǎng)）不同的架設(shè)方式改善架空輸電線路工頻電場分布研究

陳曦鳴，王炎煒

（1.安徽電力工程監(jiān)理有限公司，安徽 合肥 230022；2.華北電力大學 河北省輸變電設(shè)備安全防御重點實驗室，河北 保定 071003）

0 引 言

隨著輸電線路工程的建設(shè)，架空輸電線路將進入公共區(qū)甚至進入城市地區(qū)。輸電線路引起的電磁污染將影響線路附近的居民，這種影響引起了社會各界的廣泛關(guān)注，輸電線路引起的環(huán)境投訴和糾紛也有所增加[1-2]。因此，降低輸電線路電場強度的方法已成為環(huán)境保護和能源部門的一個重要問題。自1972年國際大電網(wǎng)會議召開以來，國內(nèi)外對高壓輸電線路引起的電磁環(huán)境污染的研究和電場相關(guān)的計算方法得到了廣泛研究[3-14]，多是研究如何計算和測量工頻電場強度，但是對于抑制電場強度的研究很少。

對于已建成和運行中的輸電線路，通常很難調(diào)整輸電線路參數(shù)。因此，有必要降低輸電線路下的電場強度，特別是有人員定期活動或有特殊需要時，必須將輸電線路下的電場控制在一定范圍。這種情況下，可以在相導體和地面之間安裝屏蔽線或屏蔽網(wǎng)，降低電場強度。本文基于CDEGS軟件建立高壓架空輸電線路工頻電場三維仿真計算模型，研究架設(shè)屏蔽線和屏蔽網(wǎng)改善高壓輸電線路下方工頻電場的效果，分析討論屏蔽線架設(shè)高度、橫向位置、根數(shù)以及屏蔽網(wǎng)網(wǎng)格數(shù)等對線路下方及表面工頻電場影響的規(guī)律和特征。

1 CDEGS理論基礎(chǔ)

CDEGS軟件是以電磁理論為基礎(chǔ)的工程商業(yè)軟件，廣泛應用于電磁干擾研究和接地系統(tǒng)設(shè)計分析。此外，CDEGS可計算輸電線路的電磁場環(huán)境并可進行實驗驗證，因此該軟件既能結(jié)合實驗反映線路間的電磁耦合，又能反映線路接地體的狀態(tài)。CDEGS軟件應用的理論基礎(chǔ)為矩量法。矩量法是一種將連續(xù)方程離散化為代數(shù)方程組的方法，對求解微分方程和積分方程均適用。

已知邊界條件為：

設(shè)在給定邊界條件的場方程統(tǒng)一表達式為：

式（2）為算子方程，L為線性算子。設(shè)待求函數(shù)u的近似解為，則誤差（又稱余量）為：

取一組權(quán)函數(shù)集合{W}，令：

按式（4）所構(gòu)成的求解積分或微分方程近似解的方法統(tǒng)稱為加權(quán)余量法。式（4）中按給定權(quán)函數(shù)展開，意味著余量對Wj取矩的一組平衡式，故,也被稱為矩量法。

2 屏蔽線對線下場強的改善

架設(shè)屏蔽線的根數(shù)、高度、距線路中心的水平距離等，都對改善效果都很大影響。因此，本節(jié)基于CDEGS軟件建立如圖1所示的線路，分析架設(shè)屏蔽線后對線下場強的改善作用，并實施各種不同屏蔽線架設(shè)方案的情況進行仿真計算，以分析比較屏蔽線架設(shè)的最優(yōu)方案。屏蔽線（網(wǎng)）的架設(shè)方法如圖1所示。

圖1 屏蔽線（網(wǎng)）架設(shè)位置示意圖

2.1 屏蔽線水平距離的影響

圖2為在水平位置-10 m、-12 m、-14 m、-16 m、-18 m處分別架設(shè)一根屏蔽線（高20 m）后，輸電線下方電場強度的水平分布。由圖2可見，當在水平位置-18～-10 m之間架設(shè)屏蔽線后，在架設(shè)屏蔽線的一側(cè)，線下電場強度改善明顯，且電場強度隨水平位置的增大而減小。

圖3為在水平位置-18 m、-20 m、-22 m、-24 m、-26 m處分別架設(shè)一根屏蔽線（高20 m）后，輸電線下方電場強度的水平分布。由圖3可見，當在水平位置-26～-18 m之間架設(shè)屏蔽線后，在架設(shè)屏蔽線的一側(cè)線下電場強度較另一側(cè)有明顯改善，但此時電場強度隨水平位置的增大而呈增大趨勢。當屏蔽線水平位置較遠時，圖4為水平距離為40 m、50 m時，線下的電場強度分布曲線趨近于原始未架設(shè)屏蔽線時的電場強度分布。

表1 屏蔽線不同對地高度時線下的最大場強值

2.2 屏蔽線高度的影響

考慮在雙回特高壓交流輸電線路外側(cè)屏蔽線處于不同高度對地面電場強的影響，建立屏蔽線距雙回特高壓交流輸電線路中心30 m處不同高度的電場強度，最大值見表1。屏蔽線在14 m增高至22 m時，線下場強的最大值在下降，而當屏蔽線在22 m增高至26 m時，線下場強的最大值卻呈上升趨勢。因此，對于臨近雙回特高壓交流輸電線路時，為有效降低地面電場強度分布，屏蔽線的高度不可過高，應找到屏蔽效果最優(yōu)的高度為宜。

圖2 架設(shè)屏蔽線水平位置不同時的電場強度橫向分布

圖3 架設(shè)屏蔽線水平位置不同時的電場強度橫向分布

圖4 架設(shè)屏蔽線水平位置不同時的電場強度橫向分布

2.3 屏蔽線根數(shù)的影響

圖5為分別架設(shè)1、2、3、4、5、6、7、8根屏蔽線（高20 m，水平位置在-18 m左邊每隔1 m處）后，輸電線下方電場強度的水平分布。由圖5可見，架設(shè)了屏蔽線一側(cè)的電場強度大幅減小，而未架設(shè)屏蔽線一側(cè)基本沒有改變；電場強度的減小程度隨著屏蔽線的根數(shù)的增加而增加，但并不成正比，在一定范圍內(nèi)減小的程度顯著，后減小程度逐漸緩慢。當架設(shè)1根屏蔽線時，最大場強減小了0.83 kV/m；分別架設(shè)2根、3根屏蔽線后，最大場強依次減小0.37 kV/m、0.25 kV/m，而后屏蔽線數(shù)目依次增大場強仍有減小，但減小速度依次降低。因此，考慮到經(jīng)濟因素，對于一般需要降低場強的區(qū)域只需架設(shè)4根屏蔽線即可將最大場強降低到50%。若對場強要求更嚴格，可再增加適當數(shù)量的屏蔽線。

圖5 架設(shè)屏蔽線不同數(shù)目時的電場強度橫向分布

3 屏蔽網(wǎng)對線下場強的改善

為研究屏蔽網(wǎng)的屏蔽效果，對架設(shè)屏蔽網(wǎng)和屏蔽線的計算結(jié)果進行分析和比較。以圖6所示導體搭建的簡易屏蔽網(wǎng)為例，在水平位置-18 m、高20 m時架設(shè)一根屏蔽線和架設(shè)不同寬度的簡易屏蔽網(wǎng)的線下電場分布如圖7示。

圖6 簡易屏蔽網(wǎng)示意圖

圖7 簡易屏蔽網(wǎng)不同寬度的電場強度橫向分布

圖7中，曲線1為在水平位置-18 m、高20 m時，架設(shè)一根屏蔽線時的線下電場強度分布，最大電場強度為2.50 kV/m，而架設(shè)寬為2 m的簡易屏蔽網(wǎng)后，線下最大電場強度為2.07 kV/m，場強橫向分布如曲線2所示，場強分布改善良多。增大簡易屏蔽網(wǎng)的寬度后，雖然線下的最大電場強度依次降為2.03 kV/m、2.01 kV/m，但是場強分布改善較小。由圖7可見，對于線下場強分布較為強烈的地區(qū)，可選用簡易屏蔽網(wǎng)達到較好的屏蔽效果，但寬度不宜過寬，否則將帶來過大的經(jīng)濟損耗和技術(shù)難度。

將屏蔽網(wǎng)看做a×b網(wǎng)格，其中a為寬的格子數(shù)，b為長的格子數(shù)。為詳細研究屏蔽網(wǎng)網(wǎng)格數(shù)目的屏蔽效果，對架設(shè)屏蔽網(wǎng)的不同網(wǎng)格數(shù)目計算結(jié)果進行分析和比較。在水平位置-18 m、高20 m時，屏蔽網(wǎng)寬2 m，長300 m，架設(shè)屏蔽網(wǎng)的網(wǎng)格數(shù)目分別為1×1、2×10、4×10、40×40時的線下電場強度分布如圖8所示。線下的電場強度分布依次降低，最大電場強度依次為2.07 kV/m、1.74 kV/m、1.56 kV/m、1.37 kV/m，場強分布隨著屏蔽網(wǎng)的網(wǎng)格數(shù)目增多而降低。

圖8 屏蔽網(wǎng)不同網(wǎng)格數(shù)目的電場強度橫向分布

在水平位置-18 m、高20 m時，屏蔽網(wǎng)寬2 m，長300 m，架設(shè)屏蔽網(wǎng)的網(wǎng)格數(shù)目分別為2×10、4×10、2×40時的線下電場強度分布如圖9所示。由圖9可見，屏蔽網(wǎng)網(wǎng)格數(shù)目增多時，線下的電場強度均有所改善，但最大電場強度依次為1.74 kV/m、1.56 kV/m和1.69 kV/m，屏蔽網(wǎng)網(wǎng)格數(shù)目為2×40時，電場強度比屏蔽網(wǎng)網(wǎng)格4×10時的電場強度大，可見屏蔽網(wǎng)格a的網(wǎng)格數(shù)越多，越能有效降低線下的電場強度。

圖9 屏蔽網(wǎng)不同網(wǎng)格數(shù)目的電場強度橫向分布

在水平位置-18 m、高20 m時，屏蔽網(wǎng)為2 m×300 m，架設(shè)屏蔽網(wǎng)的網(wǎng)格數(shù)目分別為2×40、4×40、40×40時的線下電場強度分布如圖10所示。由圖10可見，僅增多a的網(wǎng)格數(shù)目時，線下的電場強度均有所改善，線下的最大電場強度依次為1.69 kV/m、1.55 kV/m、1.37 kV/m。電場強度隨著屏蔽網(wǎng)a的網(wǎng)格數(shù)目增多而下降，與上述分析結(jié)果一致。

圖10 屏蔽網(wǎng)寬度不同網(wǎng)格數(shù)目的電場強度橫向分布

4 結(jié) 論

本文建立高壓架空輸電線路工頻電場三維仿真計算模型，分析討論屏蔽線架設(shè)高度、橫向位置、根數(shù)以及屏蔽網(wǎng)網(wǎng)格數(shù)等對線路下方及表面工頻電場影響的規(guī)律和特征，得到如下結(jié)論：

（1）屏蔽線（網(wǎng)）的架設(shè)可以改善輸電線路下方的電場；

（2）增大屏蔽線水平距離，輸電線路下方的電場強度先減小后增大，橫向布置上存在最佳位置；

（3）屏蔽線的高度較低時，能夠有效降低局部區(qū)域電場強度，但范圍較小；增大屏蔽線的高度，輸電線路下方最大電場先減小后增大，縱向布置上存在最佳位置；

（4）工頻電場強度的減小程度隨著屏蔽線根數(shù)的增加而增加，但并不成正比，在一定范圍內(nèi)減小程度顯著，以后減小的程度逐漸緩慢；考慮到經(jīng)濟因素，一般以4根為宜；

（5）對于線下場強分布較為強烈的地區(qū)，選用屏蔽網(wǎng)可以達到較好的屏蔽效果，其中電場強度隨著屏蔽網(wǎng)的網(wǎng)格數(shù)目增多而下降。