1 000 kV特高壓交流輸電線路設計中的電磁環境問題

李如振，郎需軍，姚元璽

（山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013）

0 引言

隨著特高壓電網的建設上升到國家戰略層面，到2015年將建成華北、華東、華中（“三華”）特高壓電網，形成“三縱三橫一環網”。

在1 000 kV特高壓交流工程方面，錫盟、蒙西、張北、陜北能源基地通過3個縱向特高壓交流通道向“三華”送電，北部煤電、西南水電通過3個橫向特高壓交流通道向華北、華中和長三角特高壓環網送電。其中，三縱是：錫盟—南京、張北—南昌、陜北—長沙。 三橫是：蒙西—濰坊、晉中—徐州、雅安—皖南3個橫向輸電通道。此外，還建設淮南—南京—泰州—蘇州—上海—浙北—皖南—淮南長三角特高壓雙環網。

其中三縱中的錫盟—南京、三橫中的蒙西—濰坊兩條1 000 kV交流特高壓輸電線路，將途徑山東，分別在1 000 kV濟南站和濰坊站落點。而錫盟—南京線路，設計階段準備工作已基本完畢，一經核準即可具備開工建設條件。

1 000 kV錫盟—南京特高壓交流線路，自冀魯省界樂陵市漳衛新河進入山東省境內，自棗莊市臺兒莊區張山子鎮蘇魯省界出山東，途徑德州市的樂陵市、慶云縣；濱州市的陽信縣、惠民縣、鄒平市；濟南市的商河縣、濟陽縣、章丘市；萊蕪市的萊城區；泰安市的岱岳區、新泰市；濟寧市的泗水縣、鄒城市、微山縣；臨沂市的平邑縣，棗莊市山亭區、滕州市、薛城區、嶧城區、臺兒莊區，山東境內線路全長432.6 km。

針對即將實施的途經山東境內的第一條1 000 kV錫盟—南京特高壓交流線路的電磁環境問題進行分析，在國家對環境保護日益重視和建設和諧社會的要求下，從前期設計角度，對特高壓輸電線路中的電磁環境要求及其控制下房屋拆遷范圍、對地距離等問題進行論證，并給出參考限值，以供施工、運行等部門參考。

1 概述

特高壓在采用長距離、大容量輸電時，能有效地節省線路走廊、改善網絡結構、減少輸電瓶頸和實現大范圍的資源優化配置，經濟和社會效益十分明顯。

與500 kV線路相比，1 000 kV特高壓輸電線路具有電壓等級高、導線大（截面大、多分裂）、鐵塔高、線路走廊寬等特點，其電磁環境與500 kV線路的情況有較大差別，由此帶來的生態環境影響將受到各方關注。因此必須對電磁環境進行研究，并采取措施加以限制，以使特高壓輸電線路的電磁環境水平滿足環保要求。

發展特高壓輸電以提高經濟效益與保護生態環境是一對矛盾的統一體。研究社會公眾所能接受而經濟上又合理的輸電線路，對發展特高壓輸電至關重要。

綜上所述，有必要結合山東境內即將實施的交流特高壓工程，結合《1 000 kV架空輸電線路設計規范》國標送審稿的要求，明確給出特高壓輸電線路鄰近居民房屋時的距離要求，以消除居民的心理疑慮，使線路路徑選擇努力做到安全可靠、環境友好，經濟合理。

2 電磁環境簡單介紹

交流輸電線路的電磁環境主要涉及工頻電場、工頻磁場、無線（電視）電干擾和可聽噪聲等問題。其中工頻電場由導線電壓產生；工頻磁場由流過導體的電流產生；無線電干擾和可聽噪聲均源于導線、金具設備的電暈放電和火花放電。

2.1 工頻電場

輸電線路的導線存在電壓，使導線與大地之間形成電場，距輸電線路導線越近電場強度越強，隨著與導線間距的增加，電場強度降低很快，在距地面2M以內的空間，電場分布基本均勻。

位于工頻電場中的人體可能會受到以下影響：1）直接作用。通過線路與人體之間的電容耦合，在人體內流過位移電流，其影響程度取決于位移電流的大小、人在電場停留的時間及頻度。2）沖擊電荷。積累在其他物體上的感應電荷通過人體瞬間或間斷放電（暫態點擊），其影響程度取決于因放電而流經人體的電荷。如，人體與地面接觸，同時觸摸與大地絕緣的其它大型物體；或者人體與地面絕緣，同時接觸接地金屬體、金屬結構、建筑物或與大地絕緣的物體。3）穩態電流。人接觸對地絕緣的大型物體時，線路與物體間的電容耦合電流通過人體入地，其影響程度取決于流經人體的持續電流大小。

2.2 工頻磁場

輸電線路運行時，導線中的電流在周圍空間產生磁場。

位于工頻磁場中的人體會受到以下影響：1）磁場作用于人體而在其內感應電場和電流。2）人觸摸由于感性耦合造成的與人體存在電位差的金屬體，造成電擊等。

2.3 無線電干擾

由于高壓架空送電線的導線上沿線“均勻地”出現電暈放電和電流注入點，導線中形成一種脈沖重復率很高的“穩態”電流，即無線電干擾場。

無線電（電視）干擾對環境的影響因素，主要考慮對線路附近居民無線電和電視接收質量的影響，其量值水平還不至于產生生態影響。

2.4 可聽噪聲

可聽噪聲是指導線周圍空氣電暈放電時所產生的一種人耳能夠直接聽到的噪聲，它是一種聲頻干擾。隨著輸電電壓等級的不斷提高，特別是對于特高壓輸電線路，電暈放電產生的可聽噪聲，通常更令人煩躁和不安，嚴重時可使人們難以忍受。

可聽噪聲主要通過聽覺對人的生理和心理造成影響。

3 《1 000 kV架空輸電線路設計規范》國標送審稿對電磁環境和輸電線路鄰近居民房屋時的要求

3.1 無線電干擾要求

海拔500M及以下地區，1 000 kV架空輸電線路的無線電干擾限值，在距離邊相導線地面投影外側20M、對地2M高處，好天氣下頻率為0.5MHz時無線電干擾限值不大于55 dB（μV/m）。

對海拔超過500M的線路，其無線電干擾限值應進行修正，修正因數為：以500M為基準，海拔每增加300M，無線電干擾限值增加1 dB。

3.2 可聽噪聲要求

海拔500M及以下地區，距線路邊相導線投影外20M處，濕導線的可聽噪聲限值為55 dB（A），并滿足按照環保部門批復的聲環境標準。

3.3 鄰近或跨越房屋時的要求

1 000 kV線路不應跨越屋頂為可燃材料的建筑物。對耐火屋頂的建筑物，對人員不長居住的耐火屋頂，原則上也不宜跨越，如必須跨越時應與有關方面協商同意，導線與建筑物之間的最小距離，應符合表1規定。

最大計算弧垂情況下，導線與建筑物之間的最小垂直距離見表1規定。

表1 導線與建筑物之間的最小垂直距離（跨越房屋時）

最大計算風偏情況下，邊導線與建筑物之間的最小凈空距離，應符合表2的規定。

表2 邊導線與建筑物之間的最小凈空距離（鄰近房屋時）

無風情況下，邊導線與建筑物之間的水平距離，應符合表3規定。

表3 邊導線與建筑物之間的水平距離（無風時）

3.4 地面電場強度的要求

線路鄰近民房時，房屋所在位置離地面1.5M高處的最大未畸變場強不應超過4 kV/m。

由上述可以明確：1 000 kV及以上輸電線路，不允許跨越長期住人房屋。對非長期住人的房屋，如果必須跨越，除應與相關方協商同意外，還需同時滿足跨越距離和地面電場強度的要求。

同時存在的問題有：

1）輸電線路鄰近民房時，如果滿足表2和表3的要求時，是否滿足房屋所在位置離地面1.5M處的未畸變電場不超過4 kV/m的要求。

2）輸電線路鄰近民房時，同時滿足表2和表3的要求和房屋所在位置離地面1.5M處的未畸變電場不超過4 kV/m的要求時，其對地距離和走廊寬度如何確定。

解決上述兩個問題可應對下列問題：

1）設計階段確定線路鄰近居民房屋時的對地距離，避免對地距離不足引起房屋附近電場強度超過限值，對地距離過大造成資源的浪費；

2）建設或運行階段，判斷線路附近新出現的障礙物是否滿足規程的要求，從而制定處理障礙物的措施。

4 電磁環境控制下的走廊范圍和對地距離確定

雖然國家標準中針對設計階段，給出了跨越或鄰近民房時的要求，但由于輸電線路從可研設計至施工建設完成，往往跨度時間較長，如何處理工程建設完畢后新出現的房屋，尤其是滿足表1-3的距離要求而在線路保護區范圍內，電場強度是否滿足要求，為運行單位尤為關心的問題，因此有必要給出電磁環境控制下的走廊范圍。

由于地面電場強度隨著線路對地距離增加而明顯衰減，因此電磁環境控制下的走廊范圍和對地距離密切相關。

文獻［1］針對山東境內的電壓等級，給出了220 kV和500 kV輸電線路，以無線電干擾限值、可聽噪聲限值、地面電場強度限值為控制條件，滿足電磁環境控制條件下的走廊寬度范圍和對地距離要求，本文針對1 000 kV錫盟—南京特高壓輸電線路，對滿足電磁環境條件下的走廊寬度和對地距離分別描述如下。

4.1 計算輸入參數

雙回路計算輸入參數見表4。

表4 雙回路計算輸入參數

4.2 計算方法

4.2.1 地面場強計算

輸電線路下的電場計算，主要分兩個步驟：首先采用逐次鏡像法計算單位長度導線上的電荷Q，其次計算由這些電荷產生的地面合成場強。

計算多導線線路中單位導線上的等效電荷Q，通過電壓U和麥克斯韋電位系數矩陣P用以下方程求解

式中：P、Q、U分別為各導線電位系數、各導線等效電荷、各導線對地電壓矩陣，當各導線單位長度的等效電荷求出后，空間任一點的電場強度可根據疊加原理計算得出，在（x，y）點的電場強度分量Ex和Ey可表示為

式中：Xi，Yi為導線 i的坐標；Li，L′i為分別為導線 i及其鏡像到計算點P的距離。

4.2.2 無線電干擾計算

無線電干擾水平的預估，采用1986年版的CISPR18-3推薦的經驗法，公式如下：

式中：E為距導線直接距離20M并離地2M處的無線電干擾場強；gmax為導線表面最大場強電位梯度有效值，范圍為12～20 kV/cm；r為子導線半徑。

式（4）的計算結果代表了好天氣下0.5MHz的無線電干擾平均值。

4.2.3 可聽噪聲計算

采用美國BPA推薦的預測公式。美國BPA推薦的特高壓輸電線路的可聽噪聲的預估公式如下：其中：Z 為相數；SLA 為 A 計權聲級；PWL（i）為 i相導線的聲功率級；Ri為測點至被測i相導線的距離。式（5）中的 PWL按式（6）計算，

式中：E為導線的表面梯度，kV/cm；deq為等效直徑。

式中：n為分裂根數；d為次導線直徑，mm。

這個預測公式對于分裂間距為30～50 cm，導線表面梯度為10～25 kV/cm的常規對稱分裂導線均是有效的。

4.3 計算結果

根據4.2節計算方法的描述，利用山東電力工程咨詢院編制的電磁環境計算程序，對1000kV雙回路進行了計算，計算塔型采用工程上常用的塔型，計算結果如表5。

表5 1 000 kV同塔雙回路電磁計算結果

（2）兩最長橫擔之間的寬度為28.6M。

（3）可聽噪聲為根據《特高壓交流線路絕緣子串長優化總體論證暨工程應用方案審查會議紀要》的要求，根據BPA公式計算值降低2 db值。

由表5可以得出以下結論：

1）1 000 kV雙回輸電線路，在對地距離18～27M之間，無線電干擾最大值為54.18 μV/m，可聽噪聲值最大值為55dB，小于規程要求的55μV/m和55 dB，線路走廊寬度由地面電場強度控制。其地面電場強度和對地距離的關系曲線見圖1。

圖1 地面電場強度和對地距離的關系曲線

2）當線路跨越房屋時，同相序排列對地距離分別不小于54M，逆相序不小于33M時，可以控制地面電場強度小于4 kV/m，此值可做跨越房屋時的距離參考值。

3）當線路鄰近房屋時，規程要求邊導線距房屋最近點為7M，此時走廊寬度為42.6M，要求同相序對地距離不小于47M、逆相序不小于32.5M，可以控制走廊寬度范圍內地面電場強度小于4 kV/m，此值可做鄰近房屋時的距離參考值。

4）由表5可以看出，同塔雙回路同相序和逆相序排列時，對地面電場強度影響比較大，尤其是跨越房屋時，對地距離最大差值達22m。相關計算表明，逆相序排列方式在地面工頻電場強度、線路不平衡度、過電壓水平、潛供電流、恢復電壓、線路走廊寬度等方面占優。同相序排列方式在導線表面電場強度、無線電干擾、可聽噪聲和電暈損失等方面占優。

5）由于地面電場強度衰減的較慢，同相序和逆相序排列對地距離在18～27M變化時，走廊寬度變化不大。對地距離為18M時，走廊寬度分別為67.4m和66.9m，按兩最長橫擔之間的寬度為28.6m，兩側邊線外走廊跨度分別為19.4M和19.2M，因此，可以按邊線外20M控制新建線路房屋的拆遷范圍。

5 結論

針對即將實施的途經山東境內第一條1000 kV錫盟—南京特高壓交流線路電磁環境問題進行分析，從前期設計角度，對特高壓輸電線路中的電磁環境要求及其控制下房屋拆遷范圍、對地距離等問題進行論證，并給出電磁環境要求下的線路走廊寬度及鄰近或跨越房屋時的對地距離。

1）1 000 kV特高壓輸電線路，不允許跨越長期住人房屋。

2）1 000 kV特高壓輸電線路，對非長期住人的房屋，原則上也不宜跨越，如必須跨越時應與有關方面協商同意，同時滿足跨越距離和地面電場強度的要求。

3）根據地面電場強度的計算結果，可以按邊線外20M控制新建線路房屋的拆遷范圍。

4）線路跨越或鄰近民房時的對地距離參考值見表 6。

表6 線路跨越或鄰近民房時的參考對地距離