3種典型220 kV GIS變電站進(jìn)線方式的電磁場分析

牟秋谷，周 凱，2，肖先勇，2

(1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065;2.智能電網(wǎng)四川省重點實驗室，四川 成都 610065)

0 引言

隨著城市電網(wǎng)的負(fù)荷越來越大，10 kV系統(tǒng)已遠(yuǎn)不能滿足城市電網(wǎng)需要，城市中心區(qū)域需修建大容量變電站才能滿足日益增長的負(fù)荷需要。GIS變電站由于其具有節(jié)約占地、安裝方便以及不受惡劣環(huán)境影響等優(yōu)點成為城市變電站的首選。然而由于中國電磁場環(huán)境健康公共信息長期不對稱，部分公眾對GIS變電站的電磁場環(huán)境影響充滿擔(dān)憂和誤解，“輸變電電磁輻射嚴(yán)重危害健康”等言論流傳更增加了公眾的誤解與不滿。居民過度維權(quán)造成電網(wǎng)建設(shè)受阻，不僅影響了中國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，更嚴(yán)重影響了城市居民用電的保障。GIS變電站采用了較好的電磁屏蔽措施，其對電磁環(huán)境的影響主要來源于高壓端進(jìn)線部分。因此，對220 kV GIS變電站進(jìn)線產(chǎn)生的電磁場分布的研究和評估，對認(rèn)識輸變電系統(tǒng)的環(huán)境影響和未來發(fā)展趨勢有著重要意義。

目前對于輸電線路電磁場的研究主要集中于架空輸電線［1，3］和 XLPE(交聯(lián)聚乙烯)電纜［2］。但多是單獨研究某一類型輸電線路的電磁場分布，缺少將不同輸電線路產(chǎn)生的電磁場進(jìn)行比較的研究。同時，國內(nèi)對于GIC(氣體絕緣電纜)的電磁場研究也較少。

這里利用COMSOL Multiphysics軟件建立架空輸電線、XLPE單芯電纜和GIC 3種典型變電站進(jìn)線模型，計算其在相同電壓等級下輸送相同電力容量時工頻電磁場的分布，并對結(jié)果進(jìn)行評估和比較。

1 研究方法

1.1 原 理

1.1.1 麥克斯韋方程組

麥克斯韋方程組利用一組偏微分方程(PDEs)概括了電磁場的規(guī)律。為了說明其物理意義，這里采用其積分形式。

式(1)是全電流定律，它說明不僅傳導(dǎo)電流產(chǎn)生磁場而且變化的電場也會產(chǎn)生電場;式(2)是推廣的電磁感應(yīng)定律，它說明變化的磁場可以產(chǎn)生電場。式(3)是磁通連續(xù)性原理，說明磁力線是閉合曲線;式(4)是高斯定理，反映了電荷以發(fā)散的方式產(chǎn)生電場。這組方程表明變化的電場和磁場相互聯(lián)系、相互激發(fā)形成統(tǒng)一的電磁場。

1.1.2 數(shù)值分析方法

COMSOL Multiphysics采用有限元法進(jìn)行求解計算。其基本思想是把連續(xù)的求解域劃分為有限個網(wǎng)格單元，在每個單元內(nèi)選取一些合適的點作為求解函數(shù)的插值點，將微分方程(組)改寫成由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點值與所選的插值函數(shù)組成的線性方程(組)，求解線性方程(組)獲得近似解來代替求解域內(nèi)的真值。COMSOL Multiphysics通過3步來完成對物理場的仿真計算。①前處理:建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分;②處理:將微分方程(組)轉(zhuǎn)化為線性方程(組)并進(jìn)行求解;③后處理:采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡便提取信息。

1.2 模型構(gòu)建

1.2.1 模型參數(shù)

模型參數(shù)均依據(jù)國標(biāo)采用較為典型的輸電線路模型。電壓等級采用220 kV，輸送容量為180 MVA，電流按照負(fù)載達(dá)到額定功率時每相平均分配。線路參數(shù)如下表 1［4－5］。

表1 輸電線路模型主要參數(shù)

圖1 架空輸電線鐵塔主要參數(shù)

圖2 XLPE單芯電纜的敷設(shè)方式

圖3 GIC的敷設(shè)方式

1.2.2 模型構(gòu)建

模型構(gòu)建如圖4所示，以輸電線路為水平中心，建立一個120 m×60 m的電磁場求解空間，并將材料設(shè)為空氣。對于入地敷設(shè)的XLPE電纜和GIC，則將求解空間擴(kuò)大到地面以下10 m。為了較好地模擬真實情況，在求解空間外加入了一層無限元區(qū)域，使模擬的工頻電磁場在無限遠(yuǎn)處電場和磁場強(qiáng)度為零。在計算工頻電場時，把大地作為電位為零的等位體，因此不需要地面以下的一層無限元區(qū)域。

圖4 輸電線路空間建模圖

1.3 評估標(biāo)準(zhǔn)

對計算結(jié)果采用國際非電離輻射防護(hù)委員會(ICNRIP)1998年發(fā)布的《限制時變電場、磁場和電場磁暴露(300 Hz以下)導(dǎo)則》(下稱《導(dǎo)則》)以及中國國家環(huán)保總局制定的《500 kV超高壓送變電工程電磁輻射環(huán)境影響評價技術(shù)規(guī)范》(下稱《規(guī)范》)。

《導(dǎo)則》規(guī)定50 Hz工頻磁場的公眾暴露限制為100 μT，電場的公眾暴露限制為 5 kV/m［7］。《規(guī)范》規(guī)定“送電線路的測量是以檔距中央導(dǎo)線弛垂最大處線路中心為原點，沿垂直于線路方向進(jìn)行，測點間距為5 m，順序測至邊相導(dǎo)線地面投影點外50 m處止。分別測量離地1.5 m處電場強(qiáng)度垂直分量、磁場強(qiáng)度垂直分量和水平分量”［8］。

研究選取離地高度1.5 m，水平據(jù)輸電線路50 m以內(nèi)的空間作為計算空間，計算電磁場分布以及磁感強(qiáng)度和電場強(qiáng)度最大值從而評定其是否符合公眾暴露限制標(biāo)準(zhǔn)。再選取離地高度15 m，水平據(jù)輸電線路50 m以內(nèi)的空間作為計算空間，計算電磁場分布，用于判斷輸電線路產(chǎn)生的工頻電磁場對周圍高樓居民的影響。

2 結(jié)果和討論

2.1 磁場分布

以輸電線路幾何中心為中點，計算在離地1.5 m和15 m高度處其磁場的水平分布，結(jié)果如圖5、圖6。

圖5 離地1.5 m高處3種輸電線路工頻磁場的水平分布

由圖5可知，磁感強(qiáng)度隨著水平距離的增加而減小。曲線下降速度隨水平距離的增加而趨于平緩。距地1.5 m高處架空輸電線、XLPE電纜和GIC的最大磁感強(qiáng)度分別為 1.11 μT、0.30 μT、0.04 μT，遠(yuǎn)小于ICNRIP規(guī)定的公眾暴露限制100 μT。

XLPE電纜和GIC的磁感強(qiáng)度遠(yuǎn)小于架空輸電線的磁感強(qiáng)度。GIC由于其金屬外殼對磁場有較強(qiáng)的屏蔽作用，故其磁場強(qiáng)度最低。XLPE電纜采用了正三角形敷設(shè)方式，其三相產(chǎn)生的磁場互相抵消，故其磁感強(qiáng)度也較低。距離電纜越遠(yuǎn)，這種抵消作用越明顯。這種現(xiàn)象在圖5表現(xiàn)為其磁感強(qiáng)度曲線從0到10 m處急劇下降，當(dāng)水平距離大于10 m后，磁感強(qiáng)度小于最大值的1/10。架空輸電線由于沒有電磁屏蔽措施，其三相導(dǎo)線采用縱向排列，故其磁場最強(qiáng)。

圖6 離地15 m高處3種輸電線路工頻磁場的水平分布

在離地距離15 m高處，此時相距XLPE電纜和GIC都較遠(yuǎn)，其磁感強(qiáng)度小于15 nT，可以忽略。主要考慮架空輸電線的磁場分布:水平據(jù)中點10 m處離架空輸電線最下一根導(dǎo)線最近，因而其場強(qiáng)最高，為1.154 μT，仍遠(yuǎn)小于 100 μT。當(dāng)水平距離大于 10 m時，磁感強(qiáng)度隨著水平距離的增大而降低。距離場源越近，磁感強(qiáng)度的變化越劇烈。

當(dāng)水平距離大于35 m時，兩個高度的磁場強(qiáng)度都小于0.2 μT。可認(rèn)為當(dāng)居民樓建在距離架空線輸電線35 m以外的地方，住戶不會受到工頻磁場影響。

2.2 電場分布

XLPE電纜的皺紋鋁護(hù)套和GIC金屬外殼接地，將電場屏蔽在電纜和GIC內(nèi)部，故其外部電場強(qiáng)度為零。這里只討論架空輸電線的電場。

圖7為220 kV架空輸電線工頻電場的等位圖。由圖7可見，靠近導(dǎo)線的區(qū)域等位線較密，場強(qiáng)較高。在距地15 m處，位于最低導(dǎo)線下方等位線最密，說明此處電場最強(qiáng)。在距地1.5 m處，位于水平中點等位線最密，說明此處電場強(qiáng)度最強(qiáng)。

以架空輸電線幾何中心為中點，計算在離地1.5 m和15 m高度處其電場的水平分布，結(jié)果如圖7、圖8。

圖7 220 kV架空輸電線工頻電場等位圖

圖8 架空輸電線工頻電場的水平分布

架空輸電線產(chǎn)生的工頻電場在離地1.5 m高處和15 m高處電場最大值分別為1 535 V/m和2 468 V/m，均小于ICNRIP規(guī)定的公眾暴露限制5 000 V/m。

在15 m高度水平據(jù)中點10 m處離架空輸電線最下一根導(dǎo)線最近，因而其場強(qiáng)最高，這與電場等位圖相符合。當(dāng)水平距離大于10 m時，曲線開始下降，下降速度隨水平距離的增加而趨于平緩。

當(dāng)水平距離大于50 m時，兩個高度的電場強(qiáng)度均小于50 V/m，可以認(rèn)為當(dāng)5層居民樓建在距離架空線輸電線50 m以外的地方，住戶不會受到工頻電場影響。

3 結(jié)論

1)在1.5 m高度向線路兩側(cè)延伸50 m空間內(nèi)，3種220 kV GIS變電站進(jìn)線方式在輸送180 MVA容量時產(chǎn)生的工頻電磁場最大磁感強(qiáng)度分別為1.11 μT、0.30 μT、0.04 μT，架空輸電線在此空間內(nèi)最大電場強(qiáng)度為1.535 kV/m，均小于ICNRIP規(guī)定的公眾暴露限制100 μT和5 kV/m。XLPE電纜和GIC由于其皺紋鋁護(hù)套和金屬外殼接地將電場屏蔽在電纜和GIC內(nèi)部，故其外部電場強(qiáng)度為零。

2)輸送相同容量時，XLPE電纜和GIC產(chǎn)生的工頻磁場強(qiáng)度遠(yuǎn)小于架空輸電線。

3)在輸電線路周圍空間中，距離場源越近，電磁場強(qiáng)度越強(qiáng)，其變化也越劇烈。

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［7］International Commission on Non－Ionizing Radiation Protection(ICNRIP).Guidelines For Limiting Exposure To Time － varying Electric，Magnetic，And Electromagnetic Fields(up to 300 GHz)1998［S］.

［8］HJ/T 24－1998，500 kV超高壓送變電工程電磁輻射環(huán)境影響評價技術(shù)規(guī)范［S］.

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