同塔多回輸電線路的工頻電場

楊秀，王瑞霄，齊琳，孟璐，安軍利

（1.上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海200090;2.天津市城南供電分公司，天津300201; 3.河南省鄭州市供電局，河南鄭州450000;4.山西魯能河曲發(fā)電有限公司，山西河曲 036500）

隨著我國電力工業(yè)的發(fā)展及城市電網(wǎng)的改建，220 kV和110 kV變電站（所）由城市郊區(qū)逐漸遷建到市區(qū)，超高壓輸電線路不可避免地進(jìn)入了城鎮(zhèn)，同時(shí)人們對自身所處環(huán)境質(zhì)量的保護(hù)意識(shí)不斷增強(qiáng)，導(dǎo)致輸電線路引起的環(huán)境投訴與糾紛越來越多.輸電線路下的地面電場是電磁環(huán)境測評的重要參數(shù).因此，仿真分析輸電線路下的場強(qiáng)分布，研究降低線路下場強(qiáng)的方法對輸電線路的正常架設(shè)運(yùn)行非常重要.

同塔多回輸電線路占地少、輸送容量大，有助于緩解輸電走廊緊張的現(xiàn)狀.但相對于常規(guī)的單回輸電線路，同塔多回線路的導(dǎo)線布置更復(fù)雜、電場畸變更嚴(yán)重［1-5］.筆者以上海市南電力公司正在建設(shè)中的長興-步?jīng)茏冸娬鹃g的輸電線路作為研究對象，對同塔多回線路檢修作業(yè)時(shí)的電場強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析，并對工作人員的防護(hù)措施提出了切實(shí)可行的建議.

1 輸電線路下工頻電場的研究現(xiàn)狀

目前，輸電線下工頻電場的計(jì)算方法主要有等效電荷法、模擬電荷法、矩量法、有限元法等.等效電荷法是最基本的計(jì)算方法，適用于未畸變的輸電線路工頻電場的計(jì)算，尤其是靠近地面的電場強(qiáng)度的計(jì)算.模擬電荷法可計(jì)算輸電線附近有避雷線或建筑物時(shí)的電場分布情況，以及輸電線路鐵塔附近的電場分布，但對復(fù)雜地面邊界條件下，模擬電荷的個(gè)數(shù)和位置較難確定.通過矩量法求解電位積分方程，可以計(jì)算考慮導(dǎo)線弧垂時(shí)的電場分布，并提高計(jì)算精度.有限元法適用于各種含有復(fù)雜媒質(zhì)和不同幾何邊界條件問題的數(shù)值分析，考慮了輸電線路中的任意塔型和導(dǎo)線布置，并可以得到空間中任一點(diǎn)的電場強(qiáng)度數(shù)值解.

國內(nèi)外的科研工作者對輸電線路周圍的工頻電場進(jìn)行了大量的研究.文獻(xiàn)［1］基于等效電荷法對不同條件220 kV架空線下的電場強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，評估了現(xiàn)有220 kV架空線對環(huán)境的影響，但沒有考慮同塔多回線路橫擔(dān)附近的電場強(qiáng)度，即沒有考慮檢修人員作業(yè)時(shí)所處的電磁環(huán)境.文獻(xiàn)［2］對500 kV同塔四回線路3種典型塔型的電位，以及進(jìn)入過程中人員體表的電場強(qiáng)度進(jìn)行了測量，并分析了電場強(qiáng)度的分布規(guī)律.

2 同塔多回線路的塔型和線路參數(shù)

上海市南供電公司將在長興至步?jīng)茏冸娬鹃g架設(shè)2條架空線：220/110 kV四回路和110/35 kV四回路.該工程使用了12種桿塔，包括11種四回路桿塔，1種雙回路桿塔.由于桿塔類型對工頻電場的影響不大，因此選取兩種典型的桿塔作為研究對象，分別為：110/35 kV四回路轉(zhuǎn)角終端鋼管桿110JG4sbdg，110 kV雙回路轉(zhuǎn)角終端鋼管桿110JG2sdg-18.

圖1給出了同塔雙回路、四回路輸電線路的塔型及導(dǎo)地線空間位置.兩種塔型最上方的兩根導(dǎo)線均為避雷線.同塔四回桿塔的110 kV線路在上方，35 kV線路在下方.由于桿塔左右兩側(cè)的導(dǎo)線是對稱分布的，圖1中只給出了左側(cè)導(dǎo)地線的空間位置，右側(cè)導(dǎo)地線的位置與之對稱.110 kV和35 kV導(dǎo)線分別采用LGJ-400/35型和LGJ-150/25型.110 kV和35 kV輸電線路的導(dǎo)線等效半徑分別為0.013 4 m和0.003 5 m.

圖1 同塔雙回路、四回路輸電線路的塔型示意

3 同塔多回輸電線路建模

如果忽略弧垂的影響，計(jì)算輸電線路附近的電場強(qiáng)度就可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)二維電場的計(jì)算問題，只需要研究輸電線路橫截面所在平面上的電場強(qiáng)度分布情況，其仿真模型如圖2所示.

圖2 同塔四回輸電線路仿真模型

為了計(jì)算場域，對輸電線路及其周圍的空氣模型采用四邊形單元進(jìn)行剖分，剖分示意如圖3所示.設(shè)半圓的邊界為無窮遠(yuǎn)處，即電壓為零.單元類型選二維8節(jié)點(diǎn)四邊形單元PLANE121;空氣的相對介電常數(shù)取1，電阻率取1.015×105Ω· m;輸電線路的電阻率取2.84×10－8Ω·m.

圖3 輸電線路及其周圍空氣剖分示意

4 同塔多回線路工頻電場仿真分析

4.1 同塔多回線路線下的電場強(qiáng)度

針對圖1所示的兩種典型桿塔，研究同塔雙回、四回線路在不同排列方式下線下電場強(qiáng)度的分布.其中，同塔雙回線路的逆序方式為ABCCBA，同塔四回線路的逆序方式為ABCABCabccba，同序和逆序排列方式下距地面1.5 m處的電場強(qiáng)度分布分別如圖4和圖5所示.

圖4 同塔多回線路同序排列時(shí)的電場強(qiáng)度分布

由圖4可以看出，同塔雙回、四回線路同序排列時(shí)距線下地面1.5 m處的電場強(qiáng)度分布規(guī)律一致，均為對稱分布，電場強(qiáng)度隨著仿真點(diǎn)與線路間距離的增大而衰減，且距離線路越近衰減幅度越大，同塔雙回、四回線路的電場強(qiáng)度最大值分別為675.034 V/m和274.191 V/m.

圖5 同塔多回線路逆序排列時(shí)的電場強(qiáng)度分布

由圖5可以看出，同塔雙回、四回線路逆序排列時(shí)電場強(qiáng)度的分布不對稱，其電場強(qiáng)度最大值分別為408.63 V/m和118.177 V/m，降低了39.5%和56.8%，可見逆序排列可以明顯減小輸電線路的電場強(qiáng)度.這是由于同序排列時(shí)同一層橫擔(dān)的兩相導(dǎo)線電位相同，它們與地面電場強(qiáng)度起到了互相增強(qiáng)的作用;逆序排列時(shí)有兩層橫擔(dān)的導(dǎo)線相位不同，它們與地面電場強(qiáng)度起到了互相削弱的作用.因此，采用逆序排列方式是降低線下場強(qiáng)的一種有效措施.

4.2 同塔多回線路橫擔(dān)附近的電場強(qiáng)度

針對110 kV同塔雙回路塔型，當(dāng)右回路停電、左回路運(yùn)行時(shí)，桿塔橫擔(dān)水平面上的電場強(qiáng)度分布如圖6所示.

由圖6可知，停電線路橫擔(dān)附近的電場強(qiáng)度遠(yuǎn)小于運(yùn)行線路橫擔(dān)附近的電場強(qiáng)度，距地面25.8 m，21.9 m，18 m的橫擔(dān)附近最大電場強(qiáng)度分別為14 730 V/m，2 111 V/m，2 921.4 V/m.

文獻(xiàn)［2］提出，在實(shí)際測量中，在下、中相橫擔(dān)端部作業(yè)的人員體表電場強(qiáng)度較大，頭部會(huì)形成尖端畸變點(diǎn)，該點(diǎn)的電場強(qiáng)度比其他部位高出數(shù)倍.其原因是中、下相橫擔(dān)端部與兩相帶電導(dǎo)線的垂直距離較近，同時(shí)人體尖端部位使該處的空間電場發(fā)生了嚴(yán)重畸變.通過仿真分析在下、中相橫擔(dān)作業(yè)的工作人員頭部近似位置19.76 m處和23.66 m處的電場強(qiáng)度（人體身高取1.76 m），得出運(yùn)行線路側(cè)在下、中相橫擔(dān)端部可以取得最大電場強(qiáng)度分別為3 961 V/m和12 276 V/m，這與實(shí)際測量結(jié)果一致.而停電線路側(cè)在距離運(yùn)行線路最近處可以取得的最大電場強(qiáng)度分別為2 052.4 V/m和4 434.2 V/m.

圖6 右回路停電左回路運(yùn)行時(shí)桿塔橫擔(dān)水平面上的電場強(qiáng)度

由上述分布規(guī)律可知，工作人員在停電線路上作業(yè)比帶電檢修時(shí)感受到的電場強(qiáng)度小，但在頭頂或者水平、垂直伸出手臂時(shí)的指尖等尖端處容易發(fā)生畸變，因此要根據(jù)實(shí)際情況采取防護(hù)措施;在同塔多回線路帶電檢修作業(yè)時(shí)，若作業(yè)人員處于下、中相橫擔(dān)端部處，其體表容易形成較強(qiáng)的畸變電場，應(yīng)注意進(jìn)行電場防護(hù)，如穿著靜電防護(hù)服（包括導(dǎo)電鞋）或屏蔽服進(jìn)行作業(yè).

4.3 采用屏蔽線的輸電線路線下的電場強(qiáng)度

在110 kV同塔四回塔型的下相導(dǎo)線下對稱架設(shè)兩根屏蔽地線，位置在相導(dǎo)線下方3 m處，對同序、逆序排列時(shí)的電場強(qiáng)度分別進(jìn)行計(jì)算，無屏蔽線和有屏蔽線時(shí)輸電線路線下1.5 m處的電場強(qiáng)度分布如圖7和圖8所示.

可以看出，同塔四回線路同序排列時(shí)電場強(qiáng)度對稱分布，未采用屏蔽線時(shí)最大電場強(qiáng)度為274.191 V/m，采用屏蔽線后最大電場強(qiáng)度為182.883 V/m，降低了33.3%.同塔四回線路逆序排列時(shí)最大電場強(qiáng)度由118.177 V/m降低至93.315 V/m，降低了21%.

另外，屏蔽線的數(shù)量和排列方式對屏蔽線的效果會(huì)產(chǎn)生較明顯的影響，因此工程中需要根據(jù)實(shí)際條件進(jìn)行計(jì)算優(yōu)化以確定架設(shè)方式［6］.例如，福建某500 kV架空線工程中，采用了線下架設(shè)屏蔽線的方案，使線下電場強(qiáng)度降低了約35%，與仿真計(jì)算情況基本吻合［7］.

圖7 同塔四回線路同序排列時(shí)的電場強(qiáng)度分布

圖8 同塔四回線路逆序排列時(shí)的電場強(qiáng)度分布

5 同塔多回輸電線路仿真結(jié)果評價(jià)

依據(jù)HJ/T24－1998《500kV超高壓送變電工程電磁輻射環(huán)境影響評價(jià)技術(shù)規(guī)范》，國內(nèi)的公眾工頻電場曝露限值為4 kV/m.根據(jù)國內(nèi)對工頻電場曝露限值標(biāo)準(zhǔn)，評估輸電線路對電磁環(huán)境的影響，并分析同塔多回輸電線路塔上作業(yè)時(shí)防護(hù)方法，可以得出以下結(jié)論.

（1）110 kV同塔雙回線路同序排列時(shí)距地面1.5 m處的電場強(qiáng)度大于逆序排列，同序排列時(shí)的最大電場強(qiáng)度為675.034 V/m，遠(yuǎn)小于工頻電場曝露限值，且隨距離衰減的趨勢很明顯.

（2）110/35 kV同塔四回線路同序排列時(shí)距地面1.5 m處的電場強(qiáng)度大于逆序排列，同序排列時(shí)的最大電場強(qiáng)度為274.191 V/m，遠(yuǎn)小于工頻電場曝露限值，且采用懸掛屏蔽線的方式可以明顯降低線下電場強(qiáng)度，對電磁環(huán)境的影響更小.

（3）110 kV同塔雙回線路右側(cè)線路停電，左側(cè)線路正常運(yùn)行時(shí)，在停電線路距地面25.8 m的橫擔(dān)上作業(yè)的工作人員感受到的最大電場強(qiáng)度為14 730 V/m，超過了曝露限值，因此需要穿屏蔽服或者采取其他防護(hù)措施.而在停電線路中、下相橫擔(dān)上作業(yè)的工作人員感應(yīng)的電場強(qiáng)度在曝露限值內(nèi).在運(yùn)行線路中相橫擔(dān)上作業(yè)的工作人員需要采取防護(hù)措施，否則強(qiáng)電場會(huì)使人體產(chǎn)生不適感，引發(fā)二次事故從而造成人員傷亡.由于人體的尖端部位會(huì)引起電場畸變，因此更詳細(xì)的仿真結(jié)果需要考慮人體模型.

6 結(jié)論

（1）110 kV同塔雙回輸電線路及110/35 kV同塔四回輸電線路線下工頻電場強(qiáng)度沒有超過有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)限值;

（2）不同相序排列方式對電場強(qiáng)度有較大影響，應(yīng)盡可能采用逆相序排列方式;

（3）工作人員在橫擔(dān)上作業(yè)時(shí)，需根據(jù)具體情況采取防護(hù)措施，在中、下相橫擔(dān)端部作業(yè)時(shí)要加強(qiáng)電場防護(hù);

（4）可采用屏蔽線來降低線下電場強(qiáng)度，在工程實(shí)際中必須通過計(jì)算來選擇屏蔽線的懸掛位置及數(shù)量.

［1］孟毓，張永隆，肖鑫鑫.上海地區(qū)典型220 kV架空線線下場強(qiáng)的研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（6）：38-43.

［2］陸景德，劉凱，周騰，等.500 kV同塔四回線路檢修作業(yè)電場強(qiáng)度水平與防護(hù)的研究［J］.華東電力，2010，38（1）：101-105.

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［6］孟毓.采用屏蔽線降低線下場強(qiáng)的研究［J］.電力建設(shè)，2008，29（5）：30-33.

［7］蔣虹，焦景慧，林志和，等.超高壓線路工頻電場超限值對策的研究［J］.高電壓技術(shù)，2006，32（8）：56-58.

（編輯白林雪）