500kV同走廊并行交流輸電線路工頻電場的仿真計算研究

通訊作者：鄒岸新(1985—)男，碩士，研究方向為電網電磁環境及噪聲控制技術等，E-mail：331501253@qq.com

500 kV同走廊并行交流輸電線路工頻電場的仿真計算研究

徐祿文1，鄒岸新1，陳建明2

(1.國家電網重慶市電力公司電力科學研究院， 重慶401123； 2.國家電網重慶市電力公司信息通信分公司， 重慶401128)

摘要：為掌握同走廊并行交流輸電線路工頻電場分布狀況，建立了基于模擬電荷法的工頻電場仿真計算模型，并利用實測數據進行了校驗。結合重慶地區擬建的某500 kV同走廊并行交流輸電線路，開展了兩并行線路間距和相序對線下工頻電場影響的仿真分析：ABC/CBA//ABC/CBA相序排列時，并行線路走廊中間兩回的電場強度較邊上兩回有一定程度的降低，降低程度隨著間距的增大而減小，當間距增大到一定程度時其影響可以忽略；不同相序對并行線路走廊中間的電場強度影響較為明顯，在實際工程中，可以根據線下敏感點的位置選擇CBA/ABC//ABC/CBA或ABC/ ABC// CBA/ CBA相序排列，從而確保其更好地滿足環保要求。

關鍵詞：同走廊并行；交流；工頻電場；計算

作者簡介：徐祿文(1968—)，男，高級工程師，本科，研究方向為電網電磁環境和噪聲工程控制等，E-mail：326810270@qq.com

中圖分類號：X837

DOI: 10.14068/j.ceia.2015.04.020

隨著我國經濟的快速發展，以及用電負荷的持續增長，原有的輸電線路無法滿足日益增長的電力輸送需求，今后一段時間需要建成更多的輸電線路[1-2]。與此同時，土地資源有限，使得輸電走廊的獲得越來越困難，將會出現更多交流輸電線路同走廊并行的情況。由于并行線路的走廊更寬，避開居民區或敏感點的能力更差，甚至會出現將居民區或敏感點夾在兩并行線路的中間的現象[3-5]。因此，同走廊并行線路由此所引起關注度及牽涉的環保問題可能更多，人們擔憂會出現因疊加而工頻場強的出現嚴重超標，影響周邊環境[6-10]。本文旨在通過仿真建模計算，分析探討同走廊并行交流輸電線路工頻電場(因輸電線路不存在工頻磁場超標問題)分布規律與影響因素，為工程規劃、設計與建設提供技術參考，確保電網更加綠色環保，促進經濟健康高效發展與社會的和諧穩定。

1計算與校驗

1.1　計算方法

輸電線路工頻電場的計算采用基于線電荷的模擬電荷法[1-2]。將空間中的導線分為若干個有限長線段，每一線段用線性模擬電荷等效，如圖1所示。這些線性模擬電荷參數通過以下公式給定：

(1)

式中，L為線性模擬電荷長度；u的取值范圍是[0，L]；l=x2-x1；m=y2-y1；n=z2-z1。將其進行坐標轉換，使u成為線性電荷的局部坐標。則線性電荷密度σ可以表示為：

τ(u)=au+b

(2)

圖1　線性模擬電荷的計算示意 Fig.1　The schematic diagram of liner charge simulation

式中，a、b為待定常數。經推導，可得此線性電荷在P點產生的電場強度為：

式(3)、(4)、(5)中，τ1、τ2分別為P1和P2點的電荷密度，本文假設將線性電荷視為常線電荷，則τ1=τ2=b；A=aL；B=b；E=l2+m2+n2；F=-2[l(x-x1)+m(y-y1)+n(z-z1)]；G=(x2-x1)2+(y2-y1)2+(z2-z1)2。計算時，先將線路和等效模型劃分為多個線段，并對大地作鏡像，求出每段線性電荷在各匹配點產生的電位系數，再根據已知的邊界條件建立如下矩陣方程：

[P][Q]=[φ]

(6)

式中，P為電位系數矩陣；Q為待求電荷列向量；φ為匹配點電位列向量。解式(6)就可求得各段常線性電荷的模擬電荷量，再根據疊加原理，計算出空間任意一點3個方向上的電場強度Ex、Ey和Ez，進而可求出該點的總工頻電場幅值。

1.2　結果驗證

選擇某一實際的500 kV同塔雙回輸電線路，導線為4×LGJ-400/35 型鋼芯鋁絞線，子導線按方形四角布置，分裂間距450 mm，相序排列方式為ABC/CBA。以導線最低點為參考高度(離地14 m)，在垂直于導線走向的方向上建立計算模型，仿真計算該路徑的工頻電場，并與實際測量數據進行對比，測試結果和計算結對比情況如圖2所示。從圖中可以看出，除個別測點外，測試值和計算值吻合較好，考慮到測試過程中的環境條件、測試儀器自身誤差等影響，可以認為該計算模型和計算方法是有效的，可以應用于實際線路的計算分析。

圖2　測試值與計算值對比 Fig.2　The comparison between measured value and calculated value

2仿真分析

為仿真分析同走廊并行交流輸電線路工頻電場，結合某擬建500 kV線路建立了仿真分析模型，如圖3所示，兩并行線路的塔型均為5E3-SJC1，如圖4所示。按照《110～500 kV架空送電線路設計技術規程》(DL/T 5092—1999)的要求，導線經過居民區時，對地最小距離為14 m。本文計算中B相對地高度H取25 m，上、下兩相的垂直距離分別為H+11.5 m和H-11 m。上、中、下三相及避雷線距塔中心線的水平距離分別為8.2 m、11.5 m、9.7 m、11.985 m；導線為6分裂，半徑為0.013 4 m， 分裂導線間距為0.45 m。

論文計算的電場分布均為離地1.5 m高，仿真時取檔距的中間部分，忽略了鐵塔的影響。

圖3　仿真計算建模圖 Fig.3　The modeling of simulation calculation

2.1　兩并行線路間距的影響分析

首先仿真分析兩并行線路間距(塔間距)變化時工頻電場的分布規律。兩并行線路相序排列從左至右為ABC/CBA//ABC/CBA。兩并行線路中間相鄰兩回的最近水平距離L(如圖4所示)分別為23 m、33 m、43 m、48 m時離地1.5 m的水平面電場分布如圖5～圖12所示，其中圖5、圖7、圖9、圖11為不同水平距離L時的電場分布俯視圖，圖6、圖8、圖10、圖12為對應的路徑(接收點1—2連線)的電場分布圖。

從圖5～圖12中可以看出：兩并行線路走廊中間的電場強度由于受到彼此的影響而有一定程度的降低，降低程度隨著間距的增大而減小。通過圖5、圖7、圖9、圖11的對比，明顯地看出間距L為23 m時，邊上兩回下方顏色呈紅色，電場較大，而中間兩回路下方顏色呈黃色，電場相對較小；隨著間距L逐漸增大，中間兩回路下方顏色由黃色逐漸變成紅色，電場逐漸增大，當間距L為48 m時，中間兩回路與邊上兩回路下方電場分布基本上接近。通過圖6、圖8、圖10、圖12的對比，也能充分反映電場分布的這一變化規律。

2.2　兩并行線路相序排列的影響分析

相序對輸電線路地面的電場分布影響較大。對于同走廊并行的交流輸電線路而言，相序排列方式有多種。相關研究資料表明:正相序下方電場最大，而逆相序電場最小，其他排列方式電場分布介于二者之間[13-17]，因此，本文對三種典型相序排列方式進行仿真分析，以便為實際線路途徑敏感點時的設計提供參考。

相序排列方式按照圖4所示的鐵塔，四回線路從左到右進行標示，仿真分析時固定距離L為23 m。

2.2.1　CBA/ABC//ABC/CBA排列

通過仿真計算，CBA/ABC//ABC/CBA排列時電場分布如圖13、圖14所示，圖13是電場分布俯視圖，

圖4　鐵塔示意圖 Fig.4　The iron tower

圖5　塔距L=23 m電場分布俯視圖 Fig.5　The top view of electric field distribution when L=23 m

圖6　間距L=23 m某路徑上的電場分布圖 Fig.6　The electric field distribution in a path when L=23 m

圖7　間距L=33 m電場分布俯視圖 Fig.7　The top view of electric field distribution when L=33 m

圖8　間距L=33 m某路徑上的電場分布圖 Fig.8　The electric field distribution in a path when L=33 m

圖9　間距L=43 m電場分布俯視圖 Fig.9　The top view of electric field distribution when L=43 m

圖10　間距L=43 m某路徑上的電場分布圖 Fig.10　The electric field distribution in a path when L=43 m

圖11　間距L=48 m電場分布俯視圖 Fig.11　The top view of electric field distribution when L=48 m

圖12　間距L=48m某路徑上的電場分布圖 Fig.12　The electric field distribution in a path when L=48 m

圖13　電場分布俯視圖 Fig.13　The top view of electric field distribution

圖14　路徑上的電場分布圖 Fig.14　The electric field distribution in a path

圖15　電場分布俯視圖 Fig.15　The top view of electric field distribution

圖16　路徑上的電場分布圖 Fig.16　The electric field distribution in a path

圖14是接收點1到2連線路徑上的電場分布圖。從圖中可以看出：走廊中間的電場分布因為相互影響而增大，兩回路邊上的電場變化不大。

2.2.2　ABC/ ABC// CBA/ CBA排列

通過仿真計算，ABC/ ABC// CBA/ CBA相序排列時電場分布如圖15、圖16所示。其中，圖15是電場分布俯視圖，圖16是接收點1到2連線路徑上的電場分布圖。從圖中可以看出：走廊正中間的電場分布較小，超過4 kV/m的區域集中靠近外側兩邊的走廊范圍內。

2.2.3　ABC/ABC//ABC/ABC排列

通過仿真計算，ABC/ABC//ABC/ABC相序排列時時電場分布如圖17、圖18所示。圖17是電場分布俯視圖，圖18是接收點1到2連線路徑上的電場分布圖。從圖中可以看出：走廊中間及兩回路邊上的電場分布由于受到相互影響均增大，中間增大的幅度最大。

圖17　電場分布俯視圖 Fig.17　The top view of electric field distribution

圖18　某路徑上的電場分布圖 Fig.18　The electric field distribution in a path

通過對上述三種典型相序的對比分析，還可以看出：CBA/ABC//ABC/CBA線下電場超過4 kV/m的面積最小，電場最大值主要集中在中間較窄的區域；ABC/ABC//CBA/CBA線下電場超過4 kV/m的面積次之，電場最大值主要集中在兩邊較大的區域，而兩并行線路中間部分區域的電場分較小；ABC/ABC//ABC/ABC線下電場超過4 kV/m的面積最大，且分布在整個線路下方的區域。在實際工程中，可以根據線下敏感點的位置進行相序排列的選擇。當敏感點在兩并行線路外側時，可以采用CBA/ABC//ABC/CBA排列；當敏感點夾在兩并行線路中間時，可以采用ABC/ABC//CBA/CBA排列；盡量避免采用ABC/ABC//ABC/ABC排列。

3結論

本文基于模擬電荷法建立了同走廊并行交流輸電線路工頻電場仿真計算模型，通過仿真分析得出：

(1)ABC/CBA//ABC/CBA相序排列時，并行線路走廊中間的電場強度由于受到彼此的影響而有一定程度的降低，降低程度隨著間距的增大而減小，最大值降幅可達24%左右，當塔間距增大到45 m左右時其影響可以忽略。

(2)不同相序對并行線路走廊中間的電場強度影響較大。在實際工程中，可以根據線下敏感點的位置選擇CBA/ABC//ABC/CBA或者ABC/ABC//CBA/CBA相序排列。

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Simulation and Calculation of Frequency Electric Field for 500 kV Alternating

Current Parallel Transmission Lines in the Same Corridor

XU Lu-wen1， ZOU An-xin1, CHEN Jian-ming2

(1.Electric Power Research Institute, State Grid Chongqing Electric Power Co., Chongqing 401123, China;

2.Information Telecommunication Branch, State Grid Chongqing Electric Power Co., Chongqing 401128, China)

Abstract:To grasp the frequency electric field distribution characters of alternating current (AC) parallel transmission lines in the same corridor, a frequency electric field simulation and calculation model based on charge simulation is built and verified by the measured data. Simulated analysis is made about the effects of line distance and phase sequence on frequency electric field of a 500kv parallel transmission lines in the same corridor in Chongqing: in case of ABC/CBA//ABC/CBA phase sequence, the middle of the two circuits has a lower electric field intensity compared with that at the edge; the bigger the distance, the smaller the intensity change; when the spacing increases to a certain degree, its influence can be ignored; different phase sequences have obvious impact on the frequency electric field intensity for parallel transmission lines; in practical engineering, we can choose CBA/ABC//ABC/CBA or ABC/ABC//CBA/CBA phase sequence according to the location of the sensitive point , so as to meet environmental requirements.

Key words: parallel lines in the same corridor; alternating current; power frequency electric field; calculation