750 kV輸電線路下電磁屏蔽措施分析

謝延凱，湯一堯，何 巍，祁偉健

（國家電網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730070）

1 引言

隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)和對環(huán)保的日益重視，輸電線路特別是超高壓輸電線路的電磁環(huán)境問題已經(jīng)成為制約輸電線路工程建設(shè)的重要因素，直接影響電力行業(yè)的發(fā)展[1-2]。交流輸電線路的電磁環(huán)境主要包括工頻電磁場和可聽噪聲。對于超高壓輸電線路，其工頻電場的增加幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工頻磁場和可聽噪聲，是對輸電線路可行性產(chǎn)生影響的關(guān)鍵因素[3]。輸電線路的布線型式、線路的對地距離、導(dǎo)線的分裂根數(shù)及分裂間距、子導(dǎo)線半徑等均影響輸電線路的工頻電場強(qiáng)度[4-6]。對于已建成或投入運(yùn)營的超高壓輸電線路，對線路本身進(jìn)行調(diào)整以使其電工頻電場達(dá)到相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)比較困難，只能通過其他方式進(jìn)行控制[7-9]。根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究成果，在超高壓輸電線路下方架設(shè)屏蔽線可以有效減小工頻電場，其主要原理是通過電場疊加來減弱保護(hù)區(qū)域的電場強(qiáng)度[10-13]。

文章以某在用750 kV輸電線路為例，通過建立仿真計(jì)算模型，進(jìn)行屏蔽線架設(shè)模擬計(jì)算，研究降低線路工頻電場強(qiáng)度的策略，確定屏蔽效果最佳的屏蔽線架設(shè)模式，為超高壓線路電磁環(huán)境問題的解決提供可行的依據(jù)。

2 電場強(qiáng)度計(jì)算理論

根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究成果[14-22]，電場強(qiáng)度數(shù)值計(jì)算方法主要有有限差分法、有限元法、模擬電荷法和矩量法等，均為相對比較成熟的計(jì)算方法。其中，羅日成等在模擬電荷法的基礎(chǔ)上結(jié)合矩量法，完成了湖南某500 kV工頻電場的數(shù)值計(jì)算；劉大平等利用模擬電荷法建立輸電線路模型，對1 000 kV皖電東送特高壓雙回輸電線路工頻電場進(jìn)行了計(jì)算分析。通過梳理已有的研究，確定采用模擬電荷法對750 kV輸電線路進(jìn)行研究。此方法的理論基礎(chǔ)是電磁場的唯一性定理，主要用于靜電場的計(jì)算問題。用一定數(shù)量的離散模擬電荷來等效替代電極表面連續(xù)分布的自由電荷或者分界面連續(xù)分布的束縛電荷，同時(shí)保證滿足原來的邊界條件，然后運(yùn)用疊加原理將離散電荷產(chǎn)生的場強(qiáng)疊加，得出原來電極表面連續(xù)電荷在空間產(chǎn)生的電場分布。其數(shù)學(xué)模型為：求解以電位函數(shù)[φ]為未知量的泊松方程或者拉普拉斯方程的定解問題。

在計(jì)算實(shí)際工程問題時(shí)，采用模擬電荷法，在電極表面、計(jì)算場域外部設(shè)置一定數(shù)量的離散電荷來等效原來分布的未知連續(xù)電荷，保證邊界條件不變。離散模擬電荷的位置和個(gè)數(shù)是確定的，電位系數(shù)[P]可以由解析公式計(jì)算得出，建立線性方程組[P]·[Q]=[φ]，求解模擬電荷[Q]。根據(jù)靜電場中計(jì)算電場的解析公式，由模擬電荷[Q]計(jì)算出場域中任意一點(diǎn)的電位和電場強(qiáng)度。

3 線路模型參數(shù)

屏蔽線距地面的高度、水平位置、屏蔽線的根數(shù)以及屏蔽線半徑都對屏蔽效果有不同程度的影響。對于倒三角形的輸電線路，將屏蔽線放置于B相下方時(shí)，對工頻電場的削弱作用強(qiáng)于邊相下方[23-25]。案例中的750 kV輸電線路塔形眾多，本研究選取單塔單回ZB125型直線塔進(jìn)行仿真模型計(jì)算，相關(guān)參數(shù)如圖1所示。

圖1 線路參數(shù)

該線路運(yùn)行電壓為750 kV，線路布設(shè)方式為倒三角形，采用6分裂鋼芯鋁絞線，分裂間距為400 mm，子導(dǎo)線直徑50 mm，弧垂最低點(diǎn)為A相（-18 m，50 m）、B相（0 m，40 m）、C相（18 m，50 m），架空地線（±16 m，55 m）一根采用JLB20A-100（19/2.60）鋁包鋼絞線，另一根采用TXJ750-80型光纜。屏蔽線選用鍍鋅鋼絞線，具體參數(shù)見表1。

表1 屏蔽線參數(shù)表

4 屏蔽線抑制效果仿真分析

4.1 線路電場強(qiáng)度分布

用德國納達(dá)NBM-550電磁輻射測試儀對該750 kV輸電線路某斷面的工頻電場進(jìn)行實(shí)測，測得的工頻電場強(qiáng)度最大值Emax沿中心線對稱分布，距中心線距離為±10 m的區(qū)域工頻電場強(qiáng)度Emax超過4 kV/m的國家電磁環(huán)境控制限值，Emax的最大值為6.09 kV/m。用已知的線路參數(shù)建立仿真計(jì)算模型，計(jì)算得工頻電場強(qiáng)度的Emax最大值為6.16 kV/m。線路實(shí)測值和模擬計(jì)算值對比結(jié)果如圖2所示，二者的相關(guān)性如圖3所示。

圖2 工頻電場強(qiáng)度分布圖

圖3 模擬值與實(shí)測值的相關(guān)關(guān)系圖

通過圖2可以看出，線路工頻電場強(qiáng)度實(shí)測值和模擬值的變化趨勢相近。進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)性分析，分析結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明，線路工頻電場強(qiáng)度實(shí)測值和模擬計(jì)算值呈現(xiàn)出線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.9 792。因此，可以用計(jì)算機(jī)仿真模型計(jì)算的方法對架設(shè)屏蔽線后的線路進(jìn)行分析，分析結(jié)果與實(shí)際線路的影響具有很好的相關(guān)性。

4.2 屏蔽線垂直高度分析

已有的研究表明，在B相下架設(shè)屏蔽線的效果優(yōu)于邊相，故將一根屏蔽線架設(shè)于B相下方，即Dp=0，改變屏蔽線與B相間的垂直距離hp進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4所示，其中圖4（b）為圖4（a）的橫坐標(biāo)hp為4-32處的放大圖。

圖4 （a）屏蔽線不同高度屏蔽效果圖

圖4 （b）屏蔽線不同高度屏蔽效果圖（局部放大）

從圖4（a）中可知，當(dāng)hp在1～4 m時(shí)，隨著屏蔽線與B相間垂直距離hp的增大，工頻電場強(qiáng)度最大值Emax由5.06 kV/m減小到4.29 kV/m，降幅超過15%；當(dāng)hp在4～8 m時(shí)，隨著hp的增大，Emax由4.29 kV/m減小為4.23 kV/m，減小幅度很小，約為1.4%；當(dāng)hp超過8 m時(shí)，隨著hp的增大，Emax小幅增大，由4.23 kV/m增大到4.32 kV/m，增長幅度約為2.1%。由計(jì)算結(jié)果可知，本線路hp=8 m（即屏蔽線距離地面高度32 m）時(shí)，屏蔽效果最佳，此時(shí)的工頻電場強(qiáng)度為4.23 kV/m。架設(shè)一根屏蔽線時(shí)，屏蔽效果最佳的斷面處工頻電場強(qiáng)度最大值Emax仍超過4 kV/m的國家標(biāo)準(zhǔn)控制限值，需要進(jìn)一步采取措施，以降低工頻電場強(qiáng)度。

4.3 屏蔽線根數(shù)分析

將1、3、5、7根屏蔽線水平對稱架設(shè)于線路B相下方，進(jìn)行仿真計(jì)算，取屏蔽線與B相間的垂直距離hp=8 m（即屏蔽線距離地面高度為32 m），兩根屏蔽線間距dp=2 m，計(jì)算結(jié)果見圖5。

圖5 （a）不同數(shù)量屏蔽線屏蔽效果圖

圖5 （b）屏蔽線根數(shù)與電場強(qiáng)度相關(guān)關(guān)系圖

由圖5（a）可知，架設(shè)1根、3根、5根、7根屏蔽線后，工頻電場強(qiáng)度最大值Emax與未采用屏蔽線相比，分別下降了1.93、3.14、4.02、4.28 kV/m，降幅分別為31.3%、50.9%、65.3%、69.5%。由圖5（b）可知，與未采用屏蔽線相比，架設(shè)1根、3根、5根、7根屏蔽線后，工頻電場強(qiáng)度最大值Emax的減小幅度大幅增加之后趨于平緩。即屏蔽效果隨屏蔽線數(shù)目的增多而增強(qiáng)，但并不是一直大幅增加；屏蔽線達(dá)到一定數(shù)量后，屏蔽效果的增加趨于平緩。由于屏蔽線數(shù)量的增加會提高工程造價(jià)，要根據(jù)線路的具體情況來決定屏蔽線的架設(shè)根數(shù)。本線路在架設(shè)3根屏蔽線時(shí)，可使工頻電場強(qiáng)度最大值Emax下降至3.02 kV/m，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值的要求，故綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和屏蔽效果，可選擇架設(shè)3根屏蔽線。

4.4 屏蔽線間距分析

多根屏蔽線水平架設(shè)時(shí)，屏蔽線的間距會影響屏蔽效果。將3根屏蔽線水平對稱架設(shè)于B相下方，距B相的垂直高度為hp=8 m，此時(shí)屏蔽線距地面高度為32 m。改變屏蔽線間距dp，進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖6。

圖6 不同間距屏蔽線屏蔽效果

由圖6可知，當(dāng)屏蔽線間距dp=0時(shí)，相當(dāng)于只在B相下方架設(shè)一根屏蔽線，工頻電場強(qiáng)度最大值Emax為5.06 kV/m；當(dāng)屏蔽線間距dp在0～3 m范圍內(nèi)時(shí)，隨著dp增大，工頻電場強(qiáng)度最大值Emax由4.32 kV/m迅速減小為2.72 kV/m，降幅達(dá)13.9%；當(dāng)dp大于3 m時(shí)，隨著dp的增大，Emax呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，架設(shè)3根屏蔽線的情況下，屏蔽線間距為3 m時(shí)，屏蔽效果最佳，此時(shí)的工頻電場強(qiáng)度Emax最大值為2.72 kV/m，滿足降低工頻電場強(qiáng)度的要求。

4.5 屏蔽網(wǎng)屏蔽效果分析

在B相下方8 m處水平架設(shè)3根屏蔽線，屏蔽線間距為3 m，以此為基礎(chǔ)搭建屏蔽網(wǎng)。屏蔽網(wǎng)寬度為6 m，長度為200 m（該輸電線路檔距），將此屏蔽網(wǎng)看作2×a的網(wǎng)格，其中a為長度方向的格子數(shù)，令a的個(gè)數(shù)為5、10、20、40，分別對其屏蔽效果進(jìn)行模擬。

由圖7可知，架設(shè)網(wǎng)格數(shù)為2×5、2×10、2×20、2×40的屏蔽網(wǎng)后，輸電線路下方工頻電場強(qiáng)度最大值Emax分別為2.64 kV/m、2.50 kV/m、2.30 kV/m、2.14 kV/m，Emax隨著屏蔽網(wǎng)網(wǎng)格數(shù)的增多而降低。與僅采用3根屏蔽線相比，架設(shè)網(wǎng)格數(shù)為2×5、2×10、2×20、2×40的屏蔽網(wǎng)后，Emax分別下降了0.08、0.22、0.42、0.58 kV/m，降幅分別為2.94%、8.09%、15.44%、21.32%，架設(shè)屏蔽網(wǎng)能夠在屏蔽線的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低輸電線路下方的工頻電場強(qiáng)度。

圖7 不同網(wǎng)格屏蔽網(wǎng)屏蔽效果

5 結(jié)語

案例750 kV輸電線路某斷面實(shí)測的工頻電場強(qiáng)度最大值為6.09 kV/m，文章模擬計(jì)算了對該線路架設(shè)屏蔽線（網(wǎng)）時(shí)，線路下方的工頻電場的變化規(guī)律，為降低該斷面處工頻電場強(qiáng)度提供了可行的方法。模擬計(jì)算結(jié)果表明，該750 kV輸電線路架設(shè)屏蔽線（網(wǎng)）后，線路下方工頻電場強(qiáng)度明顯降低。該線路屏蔽線的最佳架設(shè)方式是：在B相下方8 m處，水平架設(shè)3根屏蔽線，屏蔽線間距為3 m，此時(shí)的工頻電場強(qiáng)度最大值為2.76 kV/m。與未架設(shè)屏蔽線相比，工頻電場最大值降低了4.4 kV/m，降幅達(dá)到71%。選用屏蔽網(wǎng)，還可進(jìn)一步降低工頻電場強(qiáng)度，通過增加屏蔽網(wǎng)格數(shù)達(dá)到更好的屏蔽效果。因此，架設(shè)屏蔽線（網(wǎng)）能夠明顯改善輸電線路的電磁環(huán)境，可以作為750 kV輸電線路降低感應(yīng)電的一種有效措施進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。

文章僅對案例中的線路架設(shè)屏蔽線（網(wǎng)）的效果進(jìn)行了仿真模擬計(jì)算，還未在具體的工程實(shí)際中進(jìn)行佐證，后續(xù)應(yīng)針對架設(shè)屏蔽線（網(wǎng)）的實(shí)際工程案例進(jìn)行研究，將減輕電磁環(huán)境污染的有效手段廣泛應(yīng)用于實(shí)際中，以期降低線路走廊近區(qū)感應(yīng)電，進(jìn)而減少由此引起的電網(wǎng)環(huán)保糾紛。