輸電線路設計中的電磁環境要求

姚元璽,張 慧，竇婷婷

（1.山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013；2.濟南鐵道職業技術學院，山東 濟南250013）

0 引言

GB 50545-2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》國家標準14條強制性條文中，4條涉及電磁環境和房屋問題。隨著山東電網的完善，已建高壓輸電線路遍布山東各地，新辟高壓輸電線路走廊難度日益增加，個別新建線路走廊涉及搬遷大量居民房屋，民事工作困難。因此，在國家對環境保護日益重視和建設和諧社會的要求下，有必要明確高壓輸電線路設計中的電磁環境要求及其控制下的鄰近或跨越房屋時的對地距離要求。

1 新建高壓送電線路路徑選擇困難性分析

1.1 地方規劃部門的制約

隨著經濟的發展，地方規劃部門對輸電線路的路徑審批非常嚴格，逐漸成為路徑選擇的決定性因素。規劃部門指定的路徑，多犧牲了線路長度、地形地貌、地質、冰區等因素，折衷協調的過程比較漫長，對線路建設前期的審批周期影響較大。同時隨著國家新農村建設的逐步推進，新農村社區規劃漸成規模，山東各地新型農村社區建設也在逐步開展。農村社區的建設，勢必帶來農村原來村莊的搬遷，往往規劃部門指定的線路走廊，需穿越擬拆遷村莊，由于村莊拆遷的時間往往不明確，如果高壓線路建設在前，又需協商拆遷費用的分攤問題，路徑選擇問題變得復雜化。

1.2 居民危險意識和法律意識的增強

雖然國家標準中對不同電壓等級的輸電線路與鄰近的居民房屋距離有明確的要求，但隨著居民法律意識的增強，以及對惡劣氣象條件下高壓線路的電暈放電等現象的心理疑慮和困惑，鄰近村莊的高壓線路建設遇到很大的困難。政府部門也開始明確要求高壓線路需遠離村莊和居民房屋，但往往路徑受其他因素的限制，相關部門或居民要求的距離和規程要求的距離相差很大，給設計階段中的路徑選擇造成很大的困難。

綜上所述，有必要結合2010年7月1日實施的GB 50545-2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》國家標準的要求，明確給出不同電壓等級的輸電線路與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

架空送電線路的電磁環境問題主要考慮工頻電場及靜電感應，工頻磁場及電磁感應、無線電（電視）干擾、可聽噪聲等因素。

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。

電場強度為衡量工頻電場的強弱，沒受人體和周圍影響稱為非畸變電場，當電場中有人或物體存在時使空間電場發生畸變，稱為畸變電場。

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，磁場一般不受周圍物體的影響，只有鐵磁性物體才會使磁場產生畸變。

2.3 電暈放電

架空輸電線路當導線表面電場強度超過一定限值時，導線表面對周圍空氣產生游離，使導線表面放電，陰雨天晚上可以看到導線表面有淡藍色亮度的低微的光，稱為電暈放電現象。

2.4 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。

2.5 可聽噪聲

導線周圍空氣電離放電時，產生的可能使線路附近居民和工作人員感到煩躁不安，嚴重時可使人難以忍受的噪聲。

3 國家標準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

GB 50545-2010中5.0.4要求：海拔不超過1 000m時，距輸電線路邊相導線投影外20m處且離地2m高且頻率為0.5MHz時的無線電干擾限值應符合表1規定。

表1 無線電干擾限值

3.2 可聽噪聲要求

GB 50545-2010中5.0.5要求：海拔不超過1 000m時，距輸電線路邊相導線投影外20m處，濕導線條件下的可聽噪聲限值應符合表2規定。

表2 可聽噪聲限值

3.3 鄰近或跨越房屋時的要求

GB 50545-2010強條13.0.4要求：輸電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，如需跨越時應與有關方面協商同意，500 kV及以上輸電線路不應跨越長期住人的建筑物。最大計算弧垂情況下，導線與建筑物之間的最小垂直距離，應符合表3規定。

表3 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4的規定。

表4 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5規定。

表5 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

GB 50545-2010中13.0.5要求：500 kV及以上輸電線路跨越非長期住人的建筑物或鄰近民房時，房屋所在位置離地面1.5 m處的未畸變電場不得超過4 kV/m。

由上述可以明確以下幾點：

1）500 kV以下輸電線路，一般不允許跨越住人房屋（不區分長期住人和非長期住人）。如果必須跨越，除與相關方協商同意后，還需滿足跨越距離的要求。

2）500 kV及以上輸電線路，不允許跨越長期住人房屋。

3）500 kV及以上輸電線路，允許跨越非長期住人房屋，如果跨越，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1～5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1～5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1～5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。

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，分別描述如下。

4.1 計算輸入參數

表6 雙回路計算輸入參數

表7 單回路計算輸入參數

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

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按下式計算

式（6）中 E 為導線的表面梯度（kV/cm），deq 為等效直徑， dep=0.58×n0.58×d（n＞4）

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，利用我院編制的電磁環境計算程序，分別對500 kV和220 kV單雙回路進行了計算，計算塔型采用工程上常用的塔型，計算結果如表8～11。

表8 220 kV同塔雙回路電磁計算結果

表9 220 kV單回路電磁計算結果

表10 500 kV同塔雙回路電磁計算結果

表11 500 kV單回路電磁計算結果

由表8～11可以得出以下結論：

1）220 kV雙回輸電線路無線電干擾最大值為37.5μV/m，可聽噪聲值最大值為28 dB，遠小于規程要求的53μV/m和55 dB，線路走廊寬度由地面電場強度控制。

由表8可知：

當線路跨越房屋時，同相序排列對地距離分別不小于12.5m，逆相序不小于9.5m時，可以控制地面電場強度小于4 kV/m，此值可做為跨越房屋時的距離參考值。

當線路鄰近房屋時，規程要求邊導線距房屋最小距離為2.5m，此時走廊寬度為17m，要求同相序對地距離不小于8.5m、逆相序不小于7.5m，可以控制走廊寬度范圍內地面電場強度小于4 kV/m，此值可做為鄰近房屋時的距離參考值。

2）220 kV單回輸電線路無線電干擾最大值為34.7μV/m，可聽噪聲值最大值為23.7 dB，小于規程要求的53μV/m和55 dB，線路走廊寬度由地面電場強度控制。

由表9可知：

當線路跨越房屋時，對地距離不小于9.5m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。

當線路鄰近房屋時，規程要求邊導線距房屋最近點為2.5m，此時走廊寬度為15.2m，要求對地距離不小于9.5m時，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。

3）500 kV雙回輸電線路無線電干擾最大值為47.8μV/m，可聽噪聲值最大值為47.7 dB，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。

由表10可知：

當線路跨越房屋時，同相序排列對地距離分別不小于27m，逆相序不小于18m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。

當線路鄰近房屋時，規程要求邊導線距房屋最近點為5 m，此時走廊寬度為34 m，要求同相序對地距離分別不小于17m、逆相序不小于14m，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）500 kV單回輸電線路無線電干擾最大值為47.0μV/m，可聽噪聲值最大值為45.4 dB，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。

由表11可知：

當線路跨越房屋時，對地距離不小于18m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。

當線路鄰近房屋時，規程要求邊導線距房屋最近點為5m，此時走廊寬度為24.2m，要求對地距離不小于18m時，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。

5）由表8和表10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，對地距離最大差值達9m。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。因此，同塔雙回路，為減少地面電場強度和不平衡電流，推薦采用逆相序排列。

5 結論

本文針對新建線路路徑選擇日益困難的問題，結合GB 50545-2010《110 kV～750 kV架空輸電線路設計規范》國家標準的實施，重點討論了高壓架空輸電線路設計中電磁環境問題，同時給出了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，主要結論如下：

1）220 kV和500 kV輸電線路需同時滿足GB 50545-2010中13.0.4（導線與建筑物之間的距離）、5.0.4（無線電干擾）、5.0.5（可聽噪聲）的要求。

GB 50545-2010中13.0.5雖然只對500 kV及以上輸電線路跨越或鄰近民房時的未畸變場強做了規定，但根據條文說明，此限值是按330 kV跨越民房時的電場限值經驗選取，因此，建議對220 kV輸電線路，也按滿足GB 50545-2010中13.0.5的要求執行。

2）500 kV以下輸電線路，一般不允許跨越住人房屋 （不區分長期住人和非長期住人），如果跨越，除與相關方協商同意后，還需滿足跨越距離的要求。

3）500 kV及以上輸電線路，不允許跨越長期住人房屋。

4）500 kV及以上輸電線路，允許跨越非長期住人房屋，如果跨越，需同時滿足跨越距離和地面電場強度的要求。

5）滿足規程要求的線路走廊寬度見表8～11，可為運行單位處理線路附近新出現的建筑物提供參考依據。

6）同塔雙回路，為減少地面電場強度和不平衡電流，推薦采用逆相序排列。

7）線路跨越或鄰近民房時的對地距離參考值見表12。

表12 線路跨越或鄰近民房時的參考對地距離