500 kV 并行線路工頻電場空間分布及其影響因素分析

劉海豪 林懷德

（1 廣東核力工程勘察院 廣東廣州 510800 2 廣東電網有限責任公司佛山供電局 廣東佛山 528000）

0 引言

近年來，隨著超高壓、特高壓輸電線路不斷建設，尤其是向城市內部發展的趨勢日益顯著，由此引發的城市規劃、土地利用規劃和環保投訴等問題層出不窮［1-3］。為解決上述問題，各地供電部門紛紛采取同塔多回、并行架設等措施，以盡量節約線路走廊［4-5］。但與此同時，同塔多回線路并行架設帶來了更為嚴重的電磁環境影響，尤其是工頻電場可能會超標［6］，因此節約線路走廊與減小工頻電場影響之間需要找到平衡點。目前而言，2 條500 kV 同塔雙回線路并行架設是較為常見的，因此本文擬通過模式計算方式，分析2 條500 kV 同塔雙回并行線路工頻電場的空間分布特征和影響因素，為生態環境主管部門、供電部門和公眾提供一定的參考。

1 計算方法

架空線路導線表面的電荷分布、電場強度是按正弦規律變化的，但由于其變化頻率較低（50 Hz），其電荷及電場強度的分布可按準靜態場進行計算。當只需要近似計算時，架空線路周圍的電場強度也可按靜電場來計算。靜電場主要有2 類數值計算方法［7］：第1 類方法主要有有限差分法、有限元法，基本思想是從靜電場的微分方程出發，劃分網格將連續場域離散，求解得到該場域近似解；第2 類方法主要有模擬電荷法、矩量法和邊界元法，其基本思想是以邊界上的電荷分布或1 組虛設的模擬電荷為未知數，列出靜電場的積分方程，結合己知的邊界條件，求解電荷量及電荷分布，得到電場的近似解。上述數值計算方法在求解問題的場域范圍、邊界形狀、場域維數、介質種類和計算結果方面，各具優缺點，如邊界元法和有限元法一般用于復雜場域的求解，常用于分析輸電線路桿塔等接地構架對工頻電場的影響等［8-9］。

國際大電網會議第36.01 工作組推薦采用模擬電荷法對交流架空線路產生的工頻電場進行求解，并可用導線等效半徑代替分裂導線［10］，相關計算結果可滿足工程設計需求，是目前成熟且主流的工頻電場計算方法之一。

在環境影響評價領域，《環境影響評價技術導則 輸變電》（HJ 24—2020）沿用了國際大電網會議第36.01 工作組推薦的計算方法［11］，本文亦采用該方法。主要計算步驟包括：①計算分裂導線等效半徑；②計算單位長度導線下的等效電荷；③計算由等效電荷產生的電場。該方法認為高壓送電線上的等效電荷是線電荷，由于高壓送電線半徑遠小于架設高度，因此等效電荷的位置可以認為是送電導線的幾何中心。假設輸電線路為無限長并且平行于地面，輸電線路周圍大氣為均質介質，地面可視為良導體，并忽略桿塔、絕緣子等構架影響，利用鏡像法計算送電線上的等效電荷。根據所求得的實部電荷、虛部電荷，利用疊加原理可計算得到空間任意一點的工頻電場，在（x，y）點的電場強度的水平和垂直分量見式（1）～（2）。

式中：ExR、ExI分別為由各導線的實部電荷、虛部電荷在該點產生場強的水平分量；EyR、EyI分別由各導線的實部電荷、虛部電荷在該點產生場強的垂直分量；m 為導線數目；i、j 為相互平行的實際導線。

待求點的合成電場強度E 通過式（3）求得。

2 預測模型和主要參數

本文采用《環境影響評價技術導則 輸變電》（HJ 24—2020）推薦的計算方法，2 條500 kV 同塔雙回并行線路的計算參數見表1。在并行線路最低對地高度的橫截面上建立平面坐標系，以2 條線路鐵塔中心連線中點為原點，以垂直線路走線方向的地面為X 軸，代表計算點距離并行線路中心線的水平距離；以垂直地面方向為Y軸，代表計算點距離地面的垂直距離，建立預測模型坐標系如圖1 所示。

圖1 預測模式坐標系示意圖

表1 并行線路電場強度預測計算參數

研究表明，在單一同塔雙回線路中，導線的相序排列對線下的電場強度影響顯著，正相序排列對地產生的電場強度顯著大于逆相序排列［12-13］。本文為2 條同塔雙回線路，計算參數中除考慮Ⅰ線、Ⅱ線自身相序排列外，同時考慮Ⅰ線、Ⅱ線線間導線構成的“相序排列”，見表2 所示。

表2 并行線路相序排列

3 影響因素分析

3.1 對地高度

假設2 條500 kV 同塔雙回線路接近距離為60 m、導線垂直間隔為12 m、相序排列為1，當對地高度在10～30 m 變化時，并行線路對地產生的電場強度如圖2所示。可以看出：①整體上看，隨著對地高度增大，并行線路對地產生的電場強度降低，降幅最大的位于I 線、II線各自的鐵塔中心附近；②并行線路包夾區間的電場強度隨對地高度增大而降低，但當對地高度增大至20 m后變化不大；③對地高度增大時，并行線路下方高電場覆蓋區域略有減少，但不顯著。

圖2 不同對地高度時電場分布

3.2 接近距離

假設2 條500 kV 同塔雙回線路導線對地高度為30 m、導線垂直間隔為12 m、相序排列為1，當接近距離在40～120 m 變化時，并行線路對地產生的電場強度如圖3 所示。可以看出：①并行線路包夾區間的電場強度隨著接近距離減小而增加，曲線呈“上凸”趨勢，說明受2 條線路疊加影響顯著；包夾區間外的電場強度曲線形狀基本不變，說明基本不受疊加影響。②當接近距離由120 m 減小至80 m，電場強度極大值幾乎不變，直到接近距離減小至60 m 才顯著增大，說明2 條線路互相影響的距離是有限的。③當接近距離達到100 m 時，并行線路包夾區間的極小值與計算范圍邊緣處差別不大，說明在此接近距離下，并行線路對包夾區間的電場強度疊加影響極小，與單一線路無異，這與《環境影響評價技術導則 輸變電》（HJ 24—2020）要求“并行線路中心線間距＜100 m 時，應重點分析其對電磁環境敏感目標的綜合影響”是一致的。

圖3 不同接近距離時電場分布

3.3 導線垂直間距

假設2 條500 kV 同塔雙回線路導線對地高度為30 m、接近距離為60 m、相序排列為1，當導線垂直間距在10～14 m 變化時，并行線路對地產生的電場強度如圖4所示。可以看出：隨著導線垂直間距減小，電場強度曲線形狀基本不變，電場強度和高電場范圍隨之降低。

圖4 不同垂直間距時電場分布

3.4 相序排列

假設2 條500 kV 同塔雙回線路導線對地高度為30 m、接近距離為40 m、導線垂直間隔為12 m，當相序排列變化時，并行線路對地產生的電場強度如圖5 所示。可以看出：①相序排列對并行線路包夾區間的電場強度影響顯著，全正（包括Ⅰ、Ⅱ線間相序）相序排列下電場強度最大，全逆（包括Ⅰ、Ⅱ線間相序）相序排列最小；對計算范圍邊緣區域的電場強度幾乎沒有影響。②單一線路或Ⅰ、Ⅱ線線間采用逆相序均可顯著降低電場強度及高電場覆蓋范圍。

圖5 不同相序時電場分布

4 結論

本文以《環境影響評價技術導則 輸變電》（HJ 24—2020）推薦的計算方法，對2 條500 kV 同塔雙回線路并行架設的工頻電場空間分布及其影響因素進行分析，得出4 個結論。

（1）適當提高并行線路導線對地高度，可減小電場強度影響，但對于節約線路走廊意義不大。

（2）可通過適當減小接近距離節約走廊，但要著重分析并行線路包夾區間的電場強度是否滿足相關標準限值要求。

（3）降低導線垂直間距有利于節約線路走廊，減小電場強度影響。

（4）并行線路設計時，應盡量采取逆相序排列，并使2 條線路線間導線盡可能構成逆相序，有利于減小電場強度影響，節約線路走廊。