110 kV高壓輸電線路空間電磁場(chǎng)分布研究

張啟，陳自然，何寧

（航天科工通信技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，四川成都 610051）

引言

關(guān)于公眾被暴露于低頻電磁環(huán)境的研究最早可以追溯到20世紀(jì)。20世紀(jì)70年代，科學(xué)家Korobsova提出，低頻電磁場(chǎng)有可能對(duì)變電站職工的身體健康產(chǎn)生影響[1-2]。此后，電磁場(chǎng)分布對(duì)公眾身體健康的影響引起了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注[3-5]。2014年，王青于等[6]對(duì)特高壓變電站的人體工頻電場(chǎng)暴露水平進(jìn)行了評(píng)估，為判定特高壓變電站內(nèi)的工頻電場(chǎng)對(duì)人體是否安全提供了參考；2015年，陳琛等[7]對(duì)電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線充電時(shí)的電磁環(huán)境進(jìn)行了研究，為無(wú)線充電電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

現(xiàn)今，公眾對(duì)高壓等輸電線路電磁輻射風(fēng)險(xiǎn)的擔(dān)憂，導(dǎo)致在居民區(qū)周?chē)ㄔO(shè)輸電線路及變電站往往受到強(qiáng)烈反對(duì)，不僅影響到居民的正常用電，也給地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)以及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了困難。因此，高壓（包括特高壓）輸電線路周?chē)碾姶艌?chǎng)分布成為電力建設(shè)和運(yùn)行管理部門(mén)關(guān)注的重要方面，其中工頻交流電磁場(chǎng)尤其是當(dāng)前研究的重點(diǎn)[8]。

本文對(duì)110 kV同塔雙回高壓交流輸電線路周?chē)目臻g電磁場(chǎng)分布進(jìn)行研究。由于110 kV高壓輸電線路距離居民區(qū)較近，因此，首先對(duì)110 kV高壓輸電線路電磁環(huán)境進(jìn)行模擬仿真，其次根據(jù)仿真結(jié)果量化分析1 1 0 k V 高壓輸電線路電磁環(huán)境下的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度，以明確110 kV高壓輸電線路周?chē)姶怒h(huán)境的安全性，提高電網(wǎng)建設(shè)單位、電力運(yùn)行管理單位和公眾對(duì)電磁輻射的認(rèn)識(shí)，消弭居住在高壓輸電線路周?chē)木用竦目只拧?/p>

1 參數(shù)與方法

對(duì)高壓輸電線路的構(gòu)成進(jìn)行模擬，具體參數(shù)為：塔型為同塔雙回，檔距為200 m，導(dǎo)線對(duì)地高度為24 m，導(dǎo)線半徑為0.010 8 m，相間距為3.5 m。模擬塔型示意圖如圖1所示，模擬點(diǎn)示意圖如圖2所示，其中“回路1向外2 m”、“回路2向外2 m”分別指回路1的B相向外2 m、回路2的B相向外2 m。

模擬方法：在高壓輸電線路底部分別模擬“回路1 向外2 m”、“回路1”、“兩回路中心”、“回路2”和“回路2向外2 m”這5個(gè)位置從距地面75 cm高處以25 cm為幅度變化到距地面150 cm高度時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度。

2 模擬仿真

2.1 仿真軟件選用

COMSOL Multiphysics仿真軟件（以下簡(jiǎn)稱“COMSOL”）可以對(duì)高壓輸電線路產(chǎn)生的電磁場(chǎng)進(jìn)行分析。COMSOL基于有限元法，通過(guò)對(duì)電磁場(chǎng)滿足的微分方程進(jìn)行求解來(lái)實(shí)現(xiàn)物理現(xiàn)象。

圖1 110 kV高壓輸電線路模擬塔型示意圖

圖2 模擬點(diǎn)示意圖

COMSOL內(nèi)置的AC/DC模塊中有mf（磁場(chǎng)）以及Ec（靜電場(chǎng)）物理場(chǎng)，可以滿足所有維度的，穩(wěn)態(tài)和頻域等各種類型的研究。mf物理場(chǎng)可以解決磁場(chǎng)問(wèn)題，而Ec物理場(chǎng)可以解決電場(chǎng)問(wèn)題，通過(guò)它們就可以得到所有本研究需要的磁場(chǎng)以及電場(chǎng)的數(shù)值。因此，選用COMSOL解決110 kV高壓輸電線路下的電磁場(chǎng)問(wèn)題是可行的。

2.2 磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算

對(duì)高壓輸電線路產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于同塔雙回高壓輸電線路，在COMSOL中根據(jù)同塔雙回標(biāo)準(zhǔn)桿塔模型構(gòu)建如圖1所示的模擬塔型，進(jìn)而建立輸電線路模型。然后，在COMSOL中設(shè)定參數(shù)，給不同的區(qū)域施加不同的材料屬性，對(duì)模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分。最后，在mf物理場(chǎng)中進(jìn)行激勵(lì)條件以及邊界條件的設(shè)定，設(shè)定求解頻率為工頻50 Hz，求解器選擇迭代求解器。仿真結(jié)果如表1所示。

圖3 為由表1 整理得到的，在不同地面高度下，磁感應(yīng)強(qiáng)度隨著位置的變化曲線。可以看出，隨著高度的上升，磁感應(yīng)強(qiáng)度呈略微上升趨勢(shì)，且在每個(gè)高度下，磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值都出現(xiàn)在回路1處，磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值為0.355 34 μT。

2.3 電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算

對(duì)高壓輸電線路產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。與章節(jié)2.2同理，在COMSOL中根據(jù)同塔雙回標(biāo)準(zhǔn)桿塔模型建立輸電線路模型。與磁感應(yīng)強(qiáng)度計(jì)算不同的是，電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算是在Ec物理場(chǎng)中進(jìn)行激勵(lì)條件以及邊界條件的設(shè)定，設(shè)定求解頻率為工頻50 Hz，求解器選擇直接求解器。仿真結(jié)果如表2所示。

表1 各位置磁感應(yīng)強(qiáng)度仿真結(jié)果 單位：μT

圖3 不同地面高度下磁感應(yīng)強(qiáng)度隨位置變化圖

表2 各位置電場(chǎng)強(qiáng)度仿真結(jié)果 單位：V/m

圖4 為由表2 整理得到的，在不同地面高度下，電場(chǎng)強(qiáng)度隨著位置的變化曲線?？梢钥闯?，隨著高度的上升，電場(chǎng)強(qiáng)度呈顯著上升趨勢(shì)，電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為423.11 V/m。

3 仿真結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

2010 年，國(guó)際非電離輻射防護(hù)委員會(huì)（International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, ICNIRP）對(duì)1 Hz～100 kHz頻率下時(shí)變電場(chǎng)和磁場(chǎng)的暴露限值作出了規(guī)定[9-12]。暴露限值分為職業(yè)暴露限值和公眾暴露限值。在工頻50 Hz下，電場(chǎng)強(qiáng)度公眾暴露限值和職業(yè)暴露限值分別為5 000 V/m和10 000 V/m，磁感應(yīng)強(qiáng)度公眾暴露限值和職業(yè)暴露限值分別為200 μT和1 000 μT。

圖4 不同地面高度下電場(chǎng)強(qiáng)度隨位置變化圖

將仿真磁感應(yīng)強(qiáng)度、電場(chǎng)強(qiáng)度最大值與ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，結(jié)果如表5所示?？梢钥闯?，仿真得到的電場(chǎng)強(qiáng)度最大值僅為ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)電場(chǎng)強(qiáng)度公眾暴露限值的8.46%，仿真得到的磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值僅為ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)磁感應(yīng)強(qiáng)度公眾暴露限值的0.17%。

表3 仿真結(jié)果與ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比表

3 結(jié)論

（1）110 kV同塔雙回高壓輸電線路下電場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度均在回路1處取得最大值，且隨著地面高度的增加呈上升趨勢(shì)。

（2）將仿真結(jié)果與ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)公眾暴露限值對(duì)比，在150 cm以下地面高度，電場(chǎng)強(qiáng)度仿真最大值僅為ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)公眾暴露限值的8.46%，磁感應(yīng)強(qiáng)度仿真最大值僅為ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)公眾暴露限值的0.17%。

（3）110 kV高壓輸電線路周?chē)碾姶怒h(huán)境是安全的，不會(huì)對(duì)公眾身體健康產(chǎn)生較大影響。