110 kV高壓輸電線路空間電磁場分布研究

張啟，陳自然，何寧

（航天科工通信技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，四川成都 610051）

引言

關(guān)于公眾被暴露于低頻電磁環(huán)境的研究最早可以追溯到20世紀(jì)。20世紀(jì)70年代，科學(xué)家Korobsova提出，低頻電磁場有可能對變電站職工的身體健康產(chǎn)生影響[1-2]。此后，電磁場分布對公眾身體健康的影響引起了國內(nèi)外專家學(xué)者的廣泛關(guān)注[3-5]。2014年，王青于等[6]對特高壓變電站的人體工頻電場暴露水平進(jìn)行了評估，為判定特高壓變電站內(nèi)的工頻電場對人體是否安全提供了參考；2015年，陳琛等[7]對電動汽車無線充電時的電磁環(huán)境進(jìn)行了研究，為無線充電電動汽車的優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

現(xiàn)今，公眾對高壓等輸電線路電磁輻射風(fēng)險的擔(dān)憂，導(dǎo)致在居民區(qū)周圍建設(shè)輸電線路及變電站往往受到強烈反對，不僅影響到居民的正常用電，也給地區(qū)電網(wǎng)建設(shè)以及當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展帶來了困難。因此，高壓（包括特高壓）輸電線路周圍的電磁場分布成為電力建設(shè)和運行管理部門關(guān)注的重要方面，其中工頻交流電磁場尤其是當(dāng)前研究的重點[8]。

本文對110 kV同塔雙回高壓交流輸電線路周圍的空間電磁場分布進(jìn)行研究。由于110 kV高壓輸電線路距離居民區(qū)較近，因此，首先對110 kV高壓輸電線路電磁環(huán)境進(jìn)行模擬仿真，其次根據(jù)仿真結(jié)果量化分析1 1 0 k V 高壓輸電線路電磁環(huán)境下的電場強度和磁感應(yīng)強度，以明確110 kV高壓輸電線路周圍電磁環(huán)境的安全性，提高電網(wǎng)建設(shè)單位、電力運行管理單位和公眾對電磁輻射的認(rèn)識，消弭居住在高壓輸電線路周圍的居民的恐慌。

1 參數(shù)與方法

對高壓輸電線路的構(gòu)成進(jìn)行模擬，具體參數(shù)為：塔型為同塔雙回，檔距為200 m，導(dǎo)線對地高度為24 m，導(dǎo)線半徑為0.010 8 m，相間距為3.5 m。模擬塔型示意圖如圖1所示，模擬點示意圖如圖2所示，其中“回路1向外2 m”、“回路2向外2 m”分別指回路1的B相向外2 m、回路2的B相向外2 m。

模擬方法：在高壓輸電線路底部分別模擬“回路1 向外2 m”、“回路1”、“兩回路中心”、“回路2”和“回路2向外2 m”這5個位置從距地面75 cm高處以25 cm為幅度變化到距地面150 cm高度時的電場強度、磁感應(yīng)強度。

2 模擬仿真

2.1 仿真軟件選用

COMSOL Multiphysics仿真軟件（以下簡稱“COMSOL”）可以對高壓輸電線路產(chǎn)生的電磁場進(jìn)行分析。COMSOL基于有限元法，通過對電磁場滿足的微分方程進(jìn)行求解來實現(xiàn)物理現(xiàn)象。

圖1 110 kV高壓輸電線路模擬塔型示意圖

圖2 模擬點示意圖

COMSOL內(nèi)置的AC/DC模塊中有mf（磁場）以及Ec（靜電場）物理場，可以滿足所有維度的，穩(wěn)態(tài)和頻域等各種類型的研究。mf物理場可以解決磁場問題，而Ec物理場可以解決電場問題，通過它們就可以得到所有本研究需要的磁場以及電場的數(shù)值。因此，選用COMSOL解決110 kV高壓輸電線路下的電磁場問題是可行的。

2.2 磁感應(yīng)強度的計算

對高壓輸電線路產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度進(jìn)行計算。對于同塔雙回高壓輸電線路，在COMSOL中根據(jù)同塔雙回標(biāo)準(zhǔn)桿塔模型構(gòu)建如圖1所示的模擬塔型，進(jìn)而建立輸電線路模型。然后，在COMSOL中設(shè)定參數(shù)，給不同的區(qū)域施加不同的材料屬性，對模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分。最后，在mf物理場中進(jìn)行激勵條件以及邊界條件的設(shè)定，設(shè)定求解頻率為工頻50 Hz，求解器選擇迭代求解器。仿真結(jié)果如表1所示。

圖3 為由表1 整理得到的，在不同地面高度下，磁感應(yīng)強度隨著位置的變化曲線。可以看出，隨著高度的上升，磁感應(yīng)強度呈略微上升趨勢，且在每個高度下，磁感應(yīng)強度最大值都出現(xiàn)在回路1處，磁感應(yīng)強度最大值為0.355 34 μT。

2.3 電場強度的計算

對高壓輸電線路產(chǎn)生的電場強度進(jìn)行計算。與章節(jié)2.2同理，在COMSOL中根據(jù)同塔雙回標(biāo)準(zhǔn)桿塔模型建立輸電線路模型。與磁感應(yīng)強度計算不同的是，電場強度計算是在Ec物理場中進(jìn)行激勵條件以及邊界條件的設(shè)定，設(shè)定求解頻率為工頻50 Hz，求解器選擇直接求解器。仿真結(jié)果如表2所示。

表1 各位置磁感應(yīng)強度仿真結(jié)果 單位：μT

圖3 不同地面高度下磁感應(yīng)強度隨位置變化圖

表2 各位置電場強度仿真結(jié)果 單位：V/m

圖4 為由表2 整理得到的，在不同地面高度下，電場強度隨著位置的變化曲線。可以看出，隨著高度的上升，電場強度呈顯著上升趨勢，電場強度最大值為423.11 V/m。

3 仿真結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)對比

2010 年，國際非電離輻射防護(hù)委員會（International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection, ICNIRP）對1 Hz～100 kHz頻率下時變電場和磁場的暴露限值作出了規(guī)定[9-12]。暴露限值分為職業(yè)暴露限值和公眾暴露限值。在工頻50 Hz下，電場強度公眾暴露限值和職業(yè)暴露限值分別為5 000 V/m和10 000 V/m，磁感應(yīng)強度公眾暴露限值和職業(yè)暴露限值分別為200 μT和1 000 μT。

圖4 不同地面高度下電場強度隨位置變化圖

將仿真磁感應(yīng)強度、電場強度最大值與ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)對比，結(jié)果如表5所示。可以看出，仿真得到的電場強度最大值僅為ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)電場強度公眾暴露限值的8.46%，仿真得到的磁感應(yīng)強度最大值僅為ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)磁感應(yīng)強度公眾暴露限值的0.17%。

表3 仿真結(jié)果與ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)對比表

3 結(jié)論

（1）110 kV同塔雙回高壓輸電線路下電場強度與磁感應(yīng)強度均在回路1處取得最大值，且隨著地面高度的增加呈上升趨勢。

（2）將仿真結(jié)果與ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)公眾暴露限值對比，在150 cm以下地面高度，電場強度仿真最大值僅為ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)公眾暴露限值的8.46%，磁感應(yīng)強度仿真最大值僅為ICNIRP標(biāo)準(zhǔn)公眾暴露限值的0.17%。

（3）110 kV高壓輸電線路周圍的電磁環(huán)境是安全的，不會對公眾身體健康產(chǎn)生較大影響。