李顯鑫，謝輝春

(1.國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 100052;2.中國電力科學(xué)研究院武漢分院，武漢市 430074)

0 引言

隨著特高壓電網(wǎng)的快速發(fā)展，高壓線路走廊資源日益緊張［1-2］，不同桿塔架設(shè)的交流線路在同一走廊走向平行或近似平行的情況越來越多。計(jì)算和實(shí)測結(jié)果表明，750 kV及以下電壓等級線路并行時，不同線路之間的電場雖然相互影響，但不會超出有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的環(huán)境限值;而1 000 kV交流線路自身的電場強(qiáng)度較高，當(dāng)與其他超/特高壓線路并行時，可能引起場強(qiáng)超過環(huán)境限值，進(jìn)而對并行線路之間的距離、線路走廊、拆遷范圍或障礙物處理等產(chǎn)生影響。因此，有必要對特高壓并行線路的電場強(qiáng)度進(jìn)行研究，為規(guī)范特高壓工程的建設(shè)和運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

本文將對1 000 kV交流并行線路在典型塔頭尺寸及標(biāo)準(zhǔn)對地距離條件下，線路的工頻電場特性、場強(qiáng)分布規(guī)律、相互影響進(jìn)行研究，并提出能夠降低場強(qiáng)的相序布置方式及相關(guān)數(shù)值。

1 計(jì)算條件及其簡化

1.1 導(dǎo)線、塔型等邊界條件的簡化

受地形、地質(zhì)、氣象、走廊、規(guī)劃、輸送容量、海拔高度要求等外界因素的制約，輸電線路的塔型、塔高、絕緣子串型、串長等參數(shù)差別較大。以塔型為例，文獻(xiàn)［3］中的750 kV線路共有177個塔型，目前在運(yùn)的特高壓交流單回線路塔型超過100個［4］。計(jì)算電磁環(huán)境需要確定塔頭尺寸、對地高度、絕緣子串型與長度、氣象條件、海拔高度等參數(shù)，因此，本研究結(jié)合工程實(shí)際情況，選取具有代表性的典型參數(shù)進(jìn)行計(jì)算研究。

根據(jù)文獻(xiàn)［5-6］中關(guān)于不同電壓等級線路對地距離的規(guī)定，本文均以非居民區(qū)對地最低高度為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究。采用的典型塔頭尺寸如圖1所示，典型塔頭尺寸對應(yīng)的邊導(dǎo)線到塔位中心的最大水平距離如表 1所示［3-4］。

1.2 交流輸電線路電場強(qiáng)度的限值標(biāo)準(zhǔn)

?

對于單條交流輸電線路，文獻(xiàn)［5-9］中規(guī)定:在居民區(qū)，線路臨近民房時，房屋所在位置離地1.5 m處的最大未畸變場強(qiáng)不超過4 kV/m;對于一般非居民區(qū)，電場控制值為10 kV/m;對于交通困難地區(qū)，電場控制值的參考值為20 kV/m。國際非電離輻射防護(hù)委員會對工頻電場的限值規(guī)定:職業(yè)環(huán)境為10 kV/m，公眾環(huán)境為 5 kV/m［10］。

本研究將交流線路工頻電場強(qiáng)度按2類進(jìn)行劃分，一類為居民點(diǎn)，其限值標(biāo)準(zhǔn)為4 kV/m(離地1.5 m處的最大未畸變場強(qiáng));另一類為非居民點(diǎn)，其限值標(biāo)準(zhǔn)為10 kV/m。綜合國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，這種分類建議偏差較大，但減少了不確定性，在實(shí)際工程建設(shè)中也能合理降低工程建設(shè)成本。

2 電場分布的計(jì)算

2.1 電場強(qiáng)度的計(jì)算模型

目前，工頻電場數(shù)值計(jì)算方法主要有以下4種，即作為邊界分割法的表面電荷密度法［11］、模擬電荷法［12-13］、作為場域分割法的有限差分法［14］、有限單元法［15-18］等。表面電荷密度法和模擬電荷法與有限差分法和有限單元法相比具有如下優(yōu)點(diǎn)［19］:

(1)無需封邊，可以避免因封邊引入的誤差;

(2)使計(jì)算問題的維數(shù)降低1維，可以用直接法求解方程組;

(3)能直接求解出場域內(nèi)任意點(diǎn)的場強(qiáng)，無需用電位的數(shù)值微分求解，場強(qiáng)的計(jì)算精度較高。

模擬電荷法與表面電荷密度法相比具有如下優(yōu)點(diǎn):

(1)計(jì)算公式和程序簡單;

(2)不存在奇點(diǎn)處理問題;

(3)電極表面附近的電場計(jì)算精度較高。

基于上述分析，本文采用模擬電荷法計(jì)算線路場強(qiáng)。模擬電荷法是在計(jì)算場域之外，設(shè)置n個稱為模擬電荷的離散電荷來替代計(jì)算場域內(nèi)待求的連續(xù)分布電荷，以等值替代前后的邊界條件不變?yōu)榍疤釛l件，構(gòu)建模擬電荷方程組，再利用疊加原理獲得場域內(nèi)任意一點(diǎn)的電位與場強(qiáng)。采用模擬電荷法時，將輸電線路視為無限長并行于地面，并把地面視為良導(dǎo)體，用單根導(dǎo)線等效替代分裂導(dǎo)線。

2.2 工頻電場的實(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算值

對我國1 000 kV晉東南—南陽—荊門特高壓交流線路進(jìn)行了工頻電場強(qiáng)度實(shí)測，監(jiān)測地點(diǎn)位于南陽—荊門段Ⅰ回線路的502～503號桿塔檔距中央。

將工頻電場計(jì)算值與測試結(jié)果對比，其分布曲線如圖2所示。由圖2可知，采用模擬電荷法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果擬合較好，雖然在距線路中央20 m處計(jì)算結(jié)果偏于保留，但是對環(huán)境保護(hù)有利。

圖2 1 000 kV南荊Ⅰ線貓頭塔電場強(qiáng)度實(shí)測值與理論值Fig.2 Measured value and theoretical value of electric field strength of 1 000 kV Nanjing No.I cat head tower

2.3 交流線路并行時的線下電場分布

并行線路的相序排列如圖3所示。

本文以2條單回500 kV并行線路為例，布置方式為abc—abc，分析不同高度和線路間距對電場強(qiáng)度的影響。

(1)2條線路高度均較低時(36 m)，地面橫向電場強(qiáng)度分布如圖4所示。

地面橫向電場強(qiáng)度分布隨線路間距的變化如圖5所示。

2條線路間的電場強(qiáng)度最小值隨間距的變化如圖6所示。

由圖5～6可見，當(dāng)2條線路高度均較低時，即使2塔的間距較小(如30 m)，線路對地面1.5 m處的場強(qiáng)影響仍然較小，設(shè)計(jì)時可忽略此影響。一般情況下，在2條線路間位于線路橫斷面和地面附近的電場強(qiáng)度分布呈“U”型曲線，并且隨間距的增加而衰減較快;2條線路間距越小，電場強(qiáng)度的相互影響越明顯。

圖6 線下最小電場與分布間距的關(guān)系Fig.6 Relationship between the minimum electric field and distribution space

(2)當(dāng)2條線路高度均較高時(54 m)，如果2塔間距較小(如30 m)，則線路對地面電場有略微影響，在2條線路間位于線路橫斷面和地面附近的電場強(qiáng)度分布呈“^”型曲線;間距增大后，在2條線路間位于線路橫斷面和地面附近的電場強(qiáng)度分布呈“U”型曲線;2條線路間距越小，電場強(qiáng)度的相互影響越明顯。

(3)當(dāng)2條線路高度相差較大時，即使2塔的間距較小，線路對地面1.5 m處的電場影響仍然較小，可以不用考慮;一般間距下，2條線路間的電場強(qiáng)度橫向分布呈“√”型曲線;高線路對矮線路側(cè)的地面電場強(qiáng)度影響不明顯。

對不同電壓等級的單、雙回線路并行工況計(jì)算后，得到如下結(jié)論:

(1)2塔間距越小，線路對塔間電場強(qiáng)度的影響越明顯。

(2)即使2塔間距很小(如500 kV線路取30 m，1 000 kV線路取60 m)，線路對地面1.5 m處的場強(qiáng)影響也非常小，工程設(shè)計(jì)時可以忽略。

(3)當(dāng)2條線路高度相差較小時，在2條線路間的帶狀區(qū)域內(nèi)，線路橫斷面、地面附近的電場強(qiáng)度分布呈“U”型曲線，或隨線路間距的加大由“^”型曲線變化至“U”型曲線。

(4)當(dāng)2條并行架設(shè)線路高度相差較大時，2塔間的電場強(qiáng)度橫向分布呈“√”型曲線。

(5)與單條線路相比，2條線路并行時線路間的電場強(qiáng)度可能受到削弱或加強(qiáng)，這與另一條線路的高度有關(guān)，在適當(dāng)?shù)南嘈蚺帕蟹绞较?，可以使該區(qū)域的電場強(qiáng)度比單條線路時更小。

2.4 交流特/超高壓線路并行時的電場強(qiáng)度

以各塔對應(yīng)于非居民區(qū)的最低高度進(jìn)行，1 000 kV線路與其他線路的間距最小為12 m。

(1)交流1 000 kV單回線路—交流1 000 kV單回線路，此時地面橫向電場分布如圖7、8所示。

由圖7可知，2條線路的相序排列方式為abc-abc時，線下場強(qiáng)不超過10 kV/m的最小間距為44 m;當(dāng)線路間距不小于65 m時，2條線路間的場強(qiáng)才出現(xiàn)小于4 kV/m的點(diǎn)。

由圖8可知，2條線路的相序排列方式為abc-cba時，線下場強(qiáng)不超過10 kV/m的最小間距為78 m;當(dāng)線路間距不小于105 m時，2條線路間的場強(qiáng)才出現(xiàn)小于4 kV/m的點(diǎn)。

(2)交流1 000 kV單回線路—交流1 000 kV雙回線路。

當(dāng)相序排列為cba-abc和cba時，線下場強(qiáng)不超過10 kV/m的最小間距為44 m;當(dāng)線路間距不小于62 m時，2條線路間的場強(qiáng)才出現(xiàn)小于4 kV/m的點(diǎn)。

(3)交流1 000 kV單回線路—交流500 kV單回線路，此時地面橫向電場分布如圖9所示。

由圖9可知，當(dāng)相序排列為abc-abc時，線下場強(qiáng)不超過10 kV/m的最小間距為39 m;當(dāng)線路間距不小于52 m時，2條線路間的場強(qiáng)才出現(xiàn)小于4 kV/m的點(diǎn)。

當(dāng)相序排列為 abc-cba時，線下場強(qiáng)不超過10 kV/m的最小間距為77 m;當(dāng)線路間距不小于81 m時，2條線路間的場強(qiáng)才出現(xiàn)小于4 kV/m的點(diǎn)。

圖9 相序排列方式為abc-abc和cba時的地面橫向電場分布Fig.9 Ground transverse distribution of electric field when phase arrangement is abc-abc＆cba

(4)交流1 000 kV單回線路—交流500 kV雙回線路。

當(dāng)相序排列為abc-abc和cba時，線下場強(qiáng)不超過10 kV/m的最小間距為54 m;當(dāng)線路間距不小于69 m時，2條線路間的場強(qiáng)才出現(xiàn)小于 4 kV/m的點(diǎn)。

當(dāng)相序排列為cba-abc和cba時，線下場強(qiáng)不超過10 kV/m的最小間距為39 m;當(dāng)線路間距不小于40 m時，2條線路間的場強(qiáng)才出現(xiàn)小于4 kV/m的點(diǎn)。

(5)交流1 000 kV雙回線路—交流1 000 kV雙回線路。

線下場強(qiáng)不超過10 kV/m的最小間距為44 m;當(dāng)線路間距不小于59 m時，2條線路間的場強(qiáng)才出現(xiàn)小于4 kV/m的點(diǎn)。

線下場強(qiáng)不超過10 kV/m的最小間距為70 m;當(dāng)線路間距不小于88 m時，2條線路間的場強(qiáng)才出現(xiàn)小于4 kV/m的點(diǎn)。

(6)交流1 000 kV雙回線路—交流500 kV單回線路。

當(dāng)相序排列為abc和cba-abc時，線下場強(qiáng)不超過10 kV/m的最小間距為63 m;當(dāng)線路間距不小于73 m時，2條線路間的場強(qiáng)才出現(xiàn)小于4 kV/m的點(diǎn)。

當(dāng)相序排列為abc和cba-cba時，線下場強(qiáng)不超過10 kV/m的最小間距為39 m;當(dāng)線路間距不小于49 m時，2條線路間的場強(qiáng)才出現(xiàn)小于4 kV/m的點(diǎn)。

(7)交流1 000 kV雙回線路—交流500 kV雙回線路，此時地面橫向電場分布如圖10、11所示。

當(dāng)相序排列為abc和cba-abc和cba時，線下場強(qiáng)不超過10 kV/m的最小間距為38 m;當(dāng)線路間距不小于40 m時，2條線路間的場強(qiáng)才出現(xiàn)小于4 kV/m的點(diǎn)。

當(dāng)相序排列為abc和cba-cba和abc時，線下場強(qiáng)不超過10 kV/m的最小間距為51 m;當(dāng)線路間距不小于65 m時，2條線路間的場強(qiáng)才出現(xiàn)小于4 kV/m的點(diǎn)。

2.5 線路走廊寬度

經(jīng)計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，在1 000 kV電壓等級的特/超高壓線路并行條件下，當(dāng)2條線路的相鄰相非同相序時，線下場強(qiáng)及需要的走廊寬度最小;線下電場滿足10 kV/m場強(qiáng)限值時的最小線路間距及對應(yīng)的走廊寬度如表2所示。

3 結(jié)論

(1)按照模擬電荷法計(jì)算交流特/超高壓線路并行時的工頻電場強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值吻合，能夠運(yùn)用于相關(guān)工程設(shè)計(jì)。

(2)2條并行交流線路之間的電場相互影響，線路間距越小則影響越明顯，但其影響效果較小，工程設(shè)計(jì)時可以不予考慮。

(3)當(dāng)2條并行線路的高度差較小時，在線路間位于線路橫斷面及地面附近的電場強(qiáng)度分布呈“U”型曲線，或隨線路間距加大，場強(qiáng)分布曲線從“^”型變化為“U”型。

表2 并行線路滿足10 kV/m場強(qiáng)限值時的最小間距和走廊寬度Tab.2 The minimum tower space and corridor width of parallel lines with electric field strength satisfying 10 kV/m limit of non-residential areas

(4)當(dāng)2條并行線路的高度差較大時，在通常間距下，線路間位于線路橫斷面及地面附近的電場強(qiáng)度分布呈“√”型曲線。

(5)與單條線路相比，2條并行線路間的電場強(qiáng)度可能削弱或加強(qiáng)，這與線路的高度有關(guān)，在適當(dāng)?shù)南嘈蚺帕蟹绞较拢梢允咕€路間的電場強(qiáng)度比單條線路時更小。

(6)1 000 kV電壓等級的特/超高壓線路并行時，當(dāng)2條線路的相鄰相為非同相序時，線下場強(qiáng)及需要的走廊寬度最小。但此規(guī)律僅是由場強(qiáng)限值決定的相序排列規(guī)律，如存在可聽噪聲等其他環(huán)境因素影響時，則有可能不同。

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