通訊作者：鄒岸新(1985—)男，碩士，研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)電磁環(huán)境及噪聲控制技術(shù)等，E-mail：331501253@qq.com

500 kV同走廊并行交流輸電線路工頻電場(chǎng)的仿真計(jì)算研究

徐祿文1，鄒岸新1，陳建明2

(1.國(guó)家電網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院， 重慶401123； 2.國(guó)家電網(wǎng)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(chǎng)分布狀況，建立了基于模擬電荷法的工頻電場(chǎng)仿真計(jì)算模型，并利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了校驗(yàn)。結(jié)合重慶地區(qū)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?qū)€下工頻電場(chǎng)影響的仿真分析：ABC/CBA//ABC/CBA相序排列時(shí)，并行線路走廊中間兩回的電場(chǎng)強(qiáng)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(dāng)間距增大到一定程度時(shí)其影響可以忽略；不同相序?qū)Σ⑿芯€路走廊中間的電場(chǎng)強(qiáng)度影響較為明顯，在實(shí)際工程中，可以根據(jù)線下敏感點(diǎn)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(huán)保要求。

關(guān)鍵詞：同走廊并行；交流；工頻電場(chǎng)；計(jì)算

作者簡(jiǎn)介：徐祿文(1968—)，男，高級(jí)工程師，本科，研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)電磁環(huán)境和噪聲工程控制等，E-mail：326810270@qq.com

中圖分類號(hào)：X837

DOI: 10.14068/j.ceia.2015.04.020

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以及用電負(fù)荷的持續(xù)增長(zhǎng)，原有的輸電線路無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的電力輸送需求，今后一段時(shí)間需要建成更多的輸電線路[1-2]。與此同時(shí)，土地資源有限，使得輸電走廊的獲得越來(lái)越困難，將會(huì)出現(xiàn)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(qū)或敏感點(diǎn)的能力更差，甚至?xí)霈F(xiàn)將居民區(qū)或敏感點(diǎn)夾在兩并行線路的中間的現(xiàn)象[3-5]。因此，同走廊并行線路由此所引起關(guān)注度及牽涉的環(huán)保問題可能更多，人們擔(dān)憂會(huì)出現(xiàn)因疊加而工頻場(chǎng)強(qiáng)的出現(xiàn)嚴(yán)重超標(biāo)，影響周邊環(huán)境[6-10]。本文旨在通過仿真建模計(jì)算，分析探討同走廊并行交流輸電線路工頻電場(chǎng)(因輸電線路不存在工頻磁場(chǎng)超標(biāo)問題)分布規(guī)律與影響因素，為工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)與建設(shè)提供技術(shù)參考，確保電網(wǎng)更加綠色環(huán)保，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)健康高效發(fā)展與社會(huì)的和諧穩(wěn)定。

1計(jì)算與校驗(yàn)

1.1　計(jì)算方法

輸電線路工頻電場(chǎng)的計(jì)算采用基于線電荷的模擬電荷法[1-2]。將空間中的導(dǎo)線分為若干個(gè)有限長(zhǎng)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(shù)通過以下公式給定：

(1)

式中，L為線性模擬電荷長(zhǎng)度；u的取值范圍是[0，L]；l=x2-x1；m=y2-y1；n=z2-z1。將其進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使u成為線性電荷的局部坐標(biāo)。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(jì)算示意 Fig.1　The schematic diagram of liner charge simulation

式中，a、b為待定常數(shù)。經(jīng)推導(dǎo)，可得此線性電荷在P點(diǎn)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度為：

式(3)、(4)、(5)中，τ1、τ2分別為P1和P2點(diǎn)的電荷密度，本文假設(shè)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(jì)算時(shí)，先將線路和等效模型劃分為多個(gè)線段，并對(duì)大地作鏡像，求出每段線性電荷在各匹配點(diǎn)產(chǎn)生的電位系數(shù)，再根據(jù)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(shù)矩陣；Q為待求電荷列向量；φ為匹配點(diǎn)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(jù)疊加原理，計(jì)算出空間任意一點(diǎn)3個(gè)方向上的電場(chǎng)強(qiáng)度Ex、Ey和Ez，進(jìn)而可求出該點(diǎn)的總工頻電場(chǎng)幅值。

1.2　結(jié)果驗(yàn)證

選擇某一實(shí)際的500 kV同塔雙回輸電線路，導(dǎo)線為4×LGJ-400/35 型鋼芯鋁絞線，子導(dǎo)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(dǎo)線最低點(diǎn)為參考高度(離地14 m)，在垂直于導(dǎo)線走向的方向上建立計(jì)算模型，仿真計(jì)算該路徑的工頻電場(chǎng)，并與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，測(cè)試結(jié)果和計(jì)算結(jié)對(duì)比情況如圖2所示。從圖中可以看出，除個(gè)別測(cè)點(diǎn)外，測(cè)試值和計(jì)算值吻合較好，考慮到測(cè)試過程中的環(huán)境條件、測(cè)試儀器自身誤差等影響，可以認(rèn)為該計(jì)算模型和計(jì)算方法是有效的，可以應(yīng)用于實(shí)際線路的計(jì)算分析。

圖2　測(cè)試值與計(jì)算值對(duì)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(chǎng)，結(jié)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(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5092—1999)的要求，導(dǎo)線經(jīng)過居民區(qū)時(shí)，對(duì)地最小距離為14 m。本文計(jì)算中B相對(duì)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(dǎo)線為6分裂，半徑為0.013 4 m， 分裂導(dǎo)線間距為0.45 m。

論文計(jì)算的電場(chǎng)分布均為離地1.5 m高，仿真時(shí)取檔距的中間部分，忽略了鐵塔的影響。

圖3　仿真計(jì)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(shí)工頻電場(chǎng)的分布規(guī)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(shí)離地1.5 m的水平面電場(chǎng)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(shí)的電場(chǎng)分布俯視圖，圖6、圖8、圖10、圖12為對(duì)應(yīng)的路徑(接收點(diǎn)1—2連線)的電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)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(duì)比，明顯地看出間距L為23 m時(shí)，邊上兩回下方顏色呈紅色，電場(chǎng)較大，而中間兩回路下方顏色呈黃色，電場(chǎng)相對(duì)較??；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(chǎng)逐漸增大，當(dāng)間距L為48 m時(shí)，中間兩回路與邊上兩回路下方電場(chǎng)分布基本上接近。通過圖6、圖8、圖10、圖12的對(duì)比，也能充分反映電場(chǎng)分布的這一變化規(guī)律。

2.2　兩并行線路相序排列的影響分析

相序?qū)旊娋€路地面的電場(chǎng)分布影響較大。對(duì)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(guān)研究資料表明:正相序下方電場(chǎng)最大，而逆相序電場(chǎng)最小，其他排列方式電場(chǎng)分布介于二者之間[13-17]，因此，本文對(duì)三種典型相序排列方式進(jìn)行仿真分析，以便為實(shí)際線路途徑敏感點(diǎn)時(shí)的設(shè)計(jì)提供參考。

相序排列方式按照?qǐng)D4所示的鐵塔，四回線路從左到右進(jìn)行標(biāo)示，仿真分析時(shí)固定距離L為23 m。

2.2.1　CBA/ABC//ABC/CBA排列

通過仿真計(jì)算，CBA/ABC//ABC/CBA排列時(shí)電場(chǎng)分布如圖13、圖14所示，圖13是電場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)分布圖 Fig.12　The electric field distribution in a path when L=48 m

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

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

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

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

圖14是接收點(diǎn)1到2連線路徑上的電場(chǎng)分布圖。從圖中可以看出：走廊中間的電場(chǎng)分布因?yàn)橄嗷ビ绊懚龃?，兩回路邊上的電?chǎng)變化不大。

2.2.2　ABC/ ABC// CBA/ CBA排列

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

2.2.3　ABC/ABC//ABC/ABC排列

通過仿真計(jì)算，ABC/ABC//ABC/ABC相序排列時(shí)時(shí)電場(chǎng)分布如圖17、圖18所示。圖17是電場(chǎng)分布俯視圖，圖18是接收點(diǎn)1到2連線路徑上的電場(chǎng)分布圖。從圖中可以看出：走廊中間及兩回路邊上的電場(chǎng)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(chǎng)分布俯視圖 Fig.17　The top view of electric field distribution

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

通過對(duì)上述三種典型相序的對(duì)比分析，還可以看出：CBA/ABC//ABC/CBA線下電場(chǎng)超過4 kV/m的面積最小，電場(chǎng)最大值主要集中在中間較窄的區(qū)域；ABC/ABC//CBA/CBA線下電場(chǎng)超過4 kV/m的面積次之，電場(chǎng)最大值主要集中在兩邊較大的區(qū)域，而兩并行線路中間部分區(qū)域的電場(chǎng)分較??；ABC/ABC//ABC/ABC線下電場(chǎng)超過4 kV/m的面積最大，且分布在整個(gè)線路下方的區(qū)域。在實(shí)際工程中，可以根據(jù)線下敏感點(diǎn)的位置進(jìn)行相序排列的選擇。當(dāng)敏感點(diǎn)在兩并行線路外側(cè)時(shí)，可以采用CBA/ABC//ABC/CBA排列；當(dāng)敏感點(diǎn)夾在兩并行線路中間時(shí)，可以采用ABC/ABC//CBA/CBA排列；盡量避免采用ABC/ABC//ABC/ABC排列。

3結(jié)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(chǎng)仿真計(jì)算模型，通過仿真分析得出：

(1)ABC/CBA//ABC/CBA相序排列時(shí)，并行線路走廊中間的電場(chǎng)強(qiáng)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(dá)24%左右，當(dāng)塔間距增大到45 m左右時(shí)其影響可以忽略。

(2)不同相序?qū)Σ⑿芯€路走廊中間的電場(chǎng)強(qiáng)度影響較大。在實(shí)際工程中，可以根據(jù)線下敏感點(diǎn)的位置選擇CBA/ABC//ABC/CBA或者ABC/ABC//CBA/CBA相序排列。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]劉振亞. 特高壓電網(wǎng)[M]. 北京: 中國(guó)經(jīng)濟(jì)出版社, 2006.

[2]吳敬儒, 徐永禧. 我國(guó)特高壓交流輸電發(fā)展前景[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2005, 29(3): 1-4.

[3]萬(wàn)保權(quán), 鄔雄. 750 kV單回緊湊型輸電線路的電磁環(huán)境[J]. 高電壓技術(shù), 2009, 35(3): 597-600.

[4]胡毅, 萬(wàn)保權(quán), 何慧雯. 1 000 kV交流緊湊型輸電關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 高電壓技術(shù), 2011, 37(8): 1825-1831.

[5]萬(wàn)保權(quán), 張廣洲, 路遙, 等. 750 kV蘭州東官亭輸變電工程工頻電磁場(chǎng)測(cè)量[J]. 高電壓技術(shù), 2007, 33(5): 41-45.

[6]Zhao Luxing, Lu Jiayu, Wu Guifang. Measurement and Analysi s on Electromagnetic Environment of 1 000 kV UHV AC Transmission Line[C]//Power and Energy Engineering Conference. 2012.

[7]Lee B Y, Park J K, Myung S H,etal. An effective modeling method to analyze electric field around transmission lines and substations using a generalized finite line charge[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1997, 12(3): 1143-1150.

[8]鄔雄. 1 000 kV 交流輸電線路電磁環(huán)境的研究[J]. 電力設(shè)備, 2005, 6(12): 24-27.

[9]黃道春, 阮江軍, 文武, 等. 特高壓交流輸電線路電磁環(huán)境研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2007, 31(1): 6-11.

[10]邵方殷. 1 000 kV 特高壓輸電線路的電磁環(huán)境[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2007, 31(22): 1-6.

[11]邵方殷. 我國(guó)特高壓輸電線路的相導(dǎo)線布置和工頻電磁環(huán)境[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2005, 29(8): 1-7.

[12]謝輝春, 張建功, 張小武, 等. 基于模擬電荷法對(duì)500 kV輸電線路跨越民房時(shí)導(dǎo)線高度的計(jì)算[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2008, 32(2): 34-37.

[13]V Bourgsdorf, N P Emeljanov, J I Lyskov,etal. Design of the EHV 1 150 kV AC Transmission Line[C]//CIGRE Report 31-03. Paris, 1976.

[14]Trinh N G., P S Maruvada, B Poirier. A Comparative Study of Corona Performance of Conductor Bundles for 1 200 kV Transmission Lines[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1974, 93(3): 940-949.

[15]D E Perry, V L Chartier, G L Reiner. BPA 1 100 kV Transmission Development Corona and Electric Field Studies[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1979, 98(3): 1728-1738.

[16]CIGRE Workgroup 36-01. Electric and magnetic field from power transmission systems-results of an international survey[C]//CIGRE, 1986.

[17]袁一飛, 汪泉弟, 杜松旺. 特高壓輸電線路工頻電場(chǎng)的仿真研究[J]. 高壓電器，2009, 45(3): 5-7.

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