周宏威， 張少如， 岳 琪

(東北林業(yè)大學(xué) a. 機(jī)電工程學(xué)院， b. 信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院， 哈爾濱 150040)

超特高壓同塔4回輸電線路工頻電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算

周宏威a， 張少如a， 岳 琪b

(東北林業(yè)大學(xué) a. 機(jī)電工程學(xué)院， b. 信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院， 哈爾濱 150040)

通過對(duì)輸電線路適當(dāng)?shù)刃Ы?，?yīng)用模擬電荷法在輸電線內(nèi)部設(shè)置模擬線電荷，計(jì)算了超特高壓同塔4回線路的導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度和距地面1.5m處的工頻電場(chǎng)強(qiáng)度，并與目前的特高壓雙回鼓型塔、單回貓頭塔、單回酒杯塔和單回緊湊塔進(jìn)行比較。結(jié)果表明，同塔4回線路的導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度不高于其他塔型，同時(shí)地面工頻電場(chǎng)強(qiáng)度要明顯小于其他塔型。其理論依據(jù)為同塔的500kV導(dǎo)線屏蔽了1000kV導(dǎo)線在地面方向的大部分電場(chǎng)。

特高壓； 同塔四回； 電場(chǎng)強(qiáng)度； 模擬電荷法

同塔多回路在國(guó)際上應(yīng)用比較普遍，尤其是在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)且人口密集的國(guó)家和地區(qū)。這些地區(qū)由于土地資源緊缺，線路走廊的投資占工程總投資的比重較大，同塔多回路的應(yīng)用已非常廣泛。近年來日本的電網(wǎng)架設(shè)多采用同塔2回超高壓(330～765kV)和2回高壓(35～220kV)線路的模式，如上面架設(shè)2回500kV線路、下面架設(shè)2回154kV或66kV線路等。德國(guó)由于人口密度高、工業(yè)發(fā)達(dá)、輸送容量大、線路走廊緊張，也使用多回路桿塔。他們不僅有2回400kV與2回110kV 的同塔4回路線路，以及400kV同塔4回路線路，還有2回400kV、2回220kV和2回110kV 的同塔6回路線路。此外，美國(guó)也使用過3回345kV同塔的多回路線路。但國(guó)外均未架設(shè)包含特高壓(1000kV及以上)的同塔多回輸電線路。2011年1月，中國(guó)完成了首個(gè)雙回 1000kV 與雙回500kV同塔并架的同塔4回路鋼管塔(簡(jiǎn)稱四回塔)的全部真型試驗(yàn)項(xiàng)目。迄今為止，該四回塔是中國(guó)乃至世界上應(yīng)用于一般線路工程的最高輸電鐵塔，是我國(guó)輸電技術(shù)研究的重要突破，水平位居世界前列[2]。

由于同塔4回線路通常深入到人口密集地區(qū)，線路附近的房屋、通信等設(shè)施眾多，對(duì)其電磁環(huán)境影響的研究尤為重要，計(jì)算線路產(chǎn)生的電場(chǎng)對(duì)研究輸電線路電磁環(huán)境具有重要指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)[3-4]中應(yīng)用鏡像法和靜電理論計(jì)算分析了330kV 和500kV同塔4回輸電線路的工頻電場(chǎng)，并且分析了電磁環(huán)境影響，其結(jié)果可滿足一般精確度要求。

本文使用更為精確的模擬電荷法計(jì)算1000kV特高壓和500kV超高壓同塔4回輸電線路的工頻電場(chǎng)，并與目前廣泛使用的單回、雙回典型塔輸電線路電場(chǎng)進(jìn)行比較，給出相應(yīng)的物理解釋。

1 計(jì)算方法

由于模擬電荷法(Charge Simulation Method，CSM)對(duì)形狀簡(jiǎn)單、規(guī)則的物體進(jìn)行電場(chǎng)計(jì)算具有較大優(yōu)勢(shì)，故成為目前計(jì)算輸電線路產(chǎn)生電場(chǎng)的典型方法。其計(jì)算原理是基于電磁場(chǎng)的唯一性定理，將電極表面上連續(xù)分布的自由電荷或介質(zhì)分界面上連續(xù)分布的束縛電荷用一組離散化的模擬電荷予以等值替代，在已知電位的電極上設(shè)定與模擬電荷數(shù)目相等的匹配點(diǎn)，應(yīng)用疊加原理建立矩陣方程，求解得到各模擬電荷的值，再應(yīng)用疊加原理得到場(chǎng)域中任意點(diǎn)的電位和電場(chǎng)[5-7]。

(1)

由此可得相應(yīng)的電位系數(shù)為

(2)

該模擬線電荷及其鏡像在P點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)矢量E可通過求該點(diǎn)電位梯度的負(fù)值得到，相應(yīng)的場(chǎng)強(qiáng)系數(shù)為

(3)

設(shè)場(chǎng)強(qiáng)沿x、y軸方向的兩個(gè)分量分別為Ex、Ey，將場(chǎng)強(qiáng)系數(shù)與相應(yīng)模擬線電荷密度相乘，疊加后分別得出x、y軸方向上的分量為

式中，ExR、EyR分別為Ex、Ey的實(shí)部；ExI、EyI分別為Ex、Ey的虛部。

Ex和Ey的模為

它們的初相角為

由于Ex和Ey的初相角不同，不會(huì)同時(shí)達(dá)到最大值，故需要在時(shí)域?qū)ζ渌矔r(shí)值疊加，計(jì)算求得電場(chǎng)最大值為

2 計(jì)算模型

2.1輸電線路物理模型簡(jiǎn)化

為方便計(jì)算與分析，對(duì)輸電線路模型作如下簡(jiǎn)化處理：

(1) 雖然輸電線周圍的電場(chǎng)是正弦交變電場(chǎng)，但就某一時(shí)刻來看，其與靜電場(chǎng)性質(zhì)相同，故采用靜電場(chǎng)方法計(jì)算輸電線電場(chǎng)的瞬時(shí)值；

(2) 設(shè)大地是無限大導(dǎo)體面，則電位為零；

(3) 由于高壓輸電線路的輸送距離較長(zhǎng)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，忽略端部效應(yīng)和弧垂，將輸電線視為無限長(zhǎng)直平行導(dǎo)線，并取輸電線弧垂的最低點(diǎn)為導(dǎo)線的離地高度，其產(chǎn)生的電場(chǎng)為平行平面場(chǎng)[9-10]。

2.2線路參數(shù)

1000kV/500kV同塔4回線路的幾何排列如圖1所示。圖中，G1、G2為地線，其余為相導(dǎo)線，其中，1、2兩回為特高壓輸電線，3、4兩回為超高壓輸電線。地線型號(hào)為JLB20A-240，地線直徑φ20mm；特高壓導(dǎo)線型號(hào)LGJ-630/45，8分裂，分裂間距400mm；超高壓導(dǎo)線型號(hào)LGJ-400/35，4分裂，分裂間距400mm[11]。中國(guó)的高壓線路地面電場(chǎng)閾值，以地面1.5m高處電場(chǎng)強(qiáng)度不超過4kV/m 作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[12]。

圖1 線路的幾何結(jié)構(gòu)Fig.1 Geometric structure of the line

3 計(jì)算結(jié)果及分析

目前，特高壓交流工程普遍采用單回貓頭塔和單回酒杯塔[13]。緊湊塔在提高輸電效率和壓縮輸電線路走廊寬度等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是今后我國(guó)特高壓輸電技術(shù)發(fā)展的方向之一[14]。特高壓雙回鼓型塔在“皖電東送”淮南—上海的1000kV 輸電線路工程中被大量應(yīng)用[15]。本文通過對(duì)輸電線路電場(chǎng)的計(jì)算，對(duì)特高四回塔、交流特高壓?jiǎn)位刎堫^塔、單回酒杯塔、單回緊湊塔和雙回鼓型塔進(jìn)行比較。

3.1導(dǎo)線表面工頻電場(chǎng)強(qiáng)度

在每根分裂導(dǎo)線圓周表面每隔6°取點(diǎn)，比較一根導(dǎo)線上所有點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)Eθ(θ為導(dǎo)線表面圓周角度)，得到單根導(dǎo)線場(chǎng)強(qiáng)的最大值Eθmax。比較5種塔型的相導(dǎo)線的Eθmax，如表1所示。表中，四回塔的表面電場(chǎng)A2B2C2與A1B1C1相同，A4B4C4與A3B3C3相同，雙回塔的表面電場(chǎng)A2B2C2與A1B1C1相同，不再列舉。分析表1數(shù)據(jù)可知，四回塔的B3相導(dǎo)線場(chǎng)強(qiáng)要明顯大于同塔其他各相導(dǎo)線；雙回鼓型塔的相導(dǎo)線場(chǎng)強(qiáng)要略大于單回貓頭塔和單回酒杯塔；單回緊湊塔的導(dǎo)線場(chǎng)強(qiáng)要比其他各塔型的相導(dǎo)線場(chǎng)強(qiáng)大約25%。產(chǎn)生這種結(jié)果的主要原因是由相導(dǎo)線距離決定的，相導(dǎo)線距離越小，導(dǎo)線場(chǎng)強(qiáng)越大。導(dǎo)線表面場(chǎng)強(qiáng)可用于計(jì)算可聽噪聲和無線電干擾。

表1 5種塔型的相導(dǎo)線Eθmax比較

3.2線路下方距離地面1.5m處工頻電場(chǎng)強(qiáng)度

在線路下方距地面1.5m處的水平線上以桿塔為中心60m半徑范圍內(nèi)，每隔1m取點(diǎn)，比較5種塔型在地面的電場(chǎng)強(qiáng)度如圖2所示。按地面場(chǎng)強(qiáng)小于4kV/m的標(biāo)準(zhǔn)確定輸電走廊寬度，5種塔型的線路最低點(diǎn)高度、地面最大電場(chǎng)強(qiáng)度和輸電走廊寬度如表2所示。

圖2 地面上1.5m高度電場(chǎng)強(qiáng)度Fig.2 Electric field intensity at 1.5m above the ground

表2 5種塔型的地面電場(chǎng)數(shù)據(jù)比較

由圖2和表2可見，四回塔在整個(gè)測(cè)量區(qū)域的地面電場(chǎng)幾乎都小于其他塔型，為最優(yōu)選擇；其次是單回緊湊塔，其地面電場(chǎng)在大部分區(qū)域明顯小于除四回塔外的其他塔型；出現(xiàn)地面最大場(chǎng)強(qiáng)的是單回貓頭塔；輸電走廊最寬的塔型是單回酒杯塔。

出現(xiàn)上述結(jié)果的主要原因是四回塔的輸電線位置分布，其上面是2回1000kV導(dǎo)線，下面是2回500kV導(dǎo)線。500kV導(dǎo)線屏蔽了1000kV導(dǎo)線在大地方向的大部分電場(chǎng)，故地面電場(chǎng)主要由500kV 導(dǎo)線產(chǎn)生；而其他4種塔型的地面電場(chǎng)均由1000kV導(dǎo)線產(chǎn)生，故四回塔既可以輸送特高壓，又具有地面電場(chǎng)小，輸電走廊窄等其他特高壓塔型無法比擬的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié) 論

本文研究了同塔四回超特高壓輸電線路的工頻電場(chǎng)，包括導(dǎo)線表面電場(chǎng)和地面高度1.5m處電場(chǎng)。與特高壓?jiǎn)位刎堫^塔、單回酒杯塔、單回緊湊塔和雙回鼓型塔比較后，得到如下結(jié)論：

(1) 從導(dǎo)線表面電場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果可見，四回塔塔型較比其他各種特高壓桿塔的導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度要小。

(2) 在保持線路最低點(diǎn)高度相同，甚至更低的情況下，四回塔在地面產(chǎn)生的電場(chǎng)要小于其他各種塔型，按地面場(chǎng)強(qiáng)小于4kV/m的標(biāo)準(zhǔn)確定輸電走廊，四回塔節(jié)省走廊寬度的優(yōu)勢(shì)更為明顯。

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Calculation of Electric Fields of EHV/UHV Transmission Lines with Four Circuits on the Same Tower

ZHOUHongweia,ZHANGShaorua,YUEQib

(a. College of Mechanical and Electrical Engineering, b. College of Information and Computer Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

After modeling a transmission line with double 1000kV circuits and double 500kV circuits on the same tower, electric field intensity on the wire surface of the 4 EHV/UHV circuits and the filed at 1.5m above ground are calculated. By setting charges in the transmission lines with a charge simulation method, the current UHV double circuits drum power, single circuit cathead tower, single circuit glass tower, and single circuit compact tower are compared with this four circuit transmission lines. The results show that the electric field intensity on the transmission line surface of the circuits is no higher than the other towers. Meanwhile, the power frequency electric field intensity on the ground is clearly less than the other towers. The theoretical basis is that 500kV wires on the same tower shield the majority of electric field in the ground direction of the 1000kV wires.

ultra-high voltage; four circuits on the same tower; electric field intensity; charge simulation method

2095-0020(2013)05 -0268-04

TM 751

A

2013-05-10

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(QC2012C055)；中央高?；痦?xiàng)目資助(DL12BB02)；東北林業(yè)大學(xué)大學(xué)生科研訓(xùn)練項(xiàng)目資助(2012068)

周宏威(1982-)，男，工程師，博士生，主要研究方向?yàn)橹悄芸刂坪蛿?shù)值計(jì)算，E-mail:hotid@126.com

岳 琪(1968-)，女，教授，博士，主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芗爸悄芸刂?，E-mail:easyid@163.com