3種典型220 kV GIS變電站進線方式的電磁場分析

牟秋谷，周 凱，2，肖先勇，2

(1.四川大學電氣信息學院，四川成都 610065;2.智能電網四川省重點實驗室，四川 成都 610065)

0 引言

隨著城市電網的負荷越來越大，10 kV系統(tǒng)已遠不能滿足城市電網需要，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)境影響充滿擔憂和誤解，“輸變電電磁輻射嚴重危害健康”等言論流傳更增加了公眾的誤解與不滿。居民過度維權造成電網建設受阻，不僅影響了中國國民經濟的發(fā)展，更嚴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線部分。因此，對220 kV GIS變電站進線產生的電磁場分布的研究和評估，對認識輸變電系統(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生的電磁場進行比較的研究。同時，國內對于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，并對結果進行評估和比較。

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，它說明不僅傳導電流產生磁場而且變化的電場也會產生電場;式(2)是推廣的電磁感應定律，它說明變化的磁場可以產生電場。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格單元，在每個單元內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，完成單元網格劃分;②處理:將微分方程(組)轉化為線性方程(組)并進行求解;③后處理:采集處理分析結果，使用戶能簡便提取信息。

1.2 模型構建

1.2.1 模型參數(shù)

模型參數(shù)均依據(jù)國標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，電流按照負載達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單芯電纜的敷設方式

圖3 GIC的敷設方式

1.2.2 模型構建

模型構建如圖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，并將材料設為空氣。對于入地敷設的XLPE電纜和GIC，則將求解空間擴大到地面以下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處電場和磁場強度為零。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 評估標準

對計算結果采用國際非電離輻射防護委員會(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)導則》(下稱《導則》)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)境影響評價技術規(guī)范》(下稱《規(guī)范》)。

《導則》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線弛垂最大處線路中心為原點，沿垂直于線路方向進行，測點間距為5 m，順序測至邊相導線地面投影點外50 m處止。分別測量離地1.5 m處電場強度垂直分量、磁場強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以內的空間作為計算空間，計算電磁場分布以及磁感強度和電場強度最大值從而評定其是否符合公眾暴露限制標準。再選取離地高度15 m，水平據(jù)輸電線路50 m以內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生的工頻電磁場對周圍高樓居民的影響。

2 結果和討論

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的最大磁感強度分別為 1.11 μT、0.30 μT、0.04 μT，遠小于ICNRIP規(guī)定的公眾暴露限制100 μT。

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

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，其磁感強度小于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線最近，因而其場強最高，為1.154 μT，仍遠小于 100 μT。當水平距離大于 10 m時，磁感強度隨著水平距離的增大而降低。距離場源越近，磁感強度的變化越劇烈。

當水平距離大于35 m時，兩個高度的磁場強度都小于0.2 μT。可認為當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電纜的皺紋鋁護套和GIC金屬外殼接地，將電場屏蔽在電纜和GIC內部，故其外部電場強度為零。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，靠近導線的區(qū)域等位線較密，場強較高。在距地15 m處，位于最低導線下方等位線最密，說明此處電場最強。在距地1.5 m處，位于水平中點等位線最密，說明此處電場強度最強。

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線最近，因而其場強最高，這與電場等位圖相符合。當水平距離大于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。

當水平距離大于50 m時，兩個高度的電場強度均小于50 V/m，可以認為當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 結論

1)在1.5 m高度向線路兩側延伸50 m空間內，3種220 kV GIS變電站進線方式在輸送180 MVA容量時產生的工頻電磁場最大磁感強度分別為1.11 μT、0.30 μT、0.04 μT，架空輸電線在此空間內最大電場強度為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由于其皺紋鋁護套和金屬外殼接地將電場屏蔽在電纜和GIC內部，故其外部電場強度為零。

2)輸送相同容量時，XLPE電纜和GIC產生的工頻磁場強度遠小于架空輸電線。

3)在輸電線路周圍空間中，距離場源越近，電磁場強度越強，其變化也越劇烈。

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