羅鵬

【摘 要】為了深入研究變電站站內(nèi)工頻電磁場(chǎng)在正常運(yùn)行狀態(tài)及故障狀態(tài)時(shí)的分布情況，提高變電站工頻電磁場(chǎng)仿真計(jì)算效率，以500kV變電站為例，采用CDEGS軟件對(duì)變電站進(jìn)行模型建立與工頻電磁場(chǎng)分布的仿真計(jì)算。通過(guò)將仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了該軟件的正確性。最后分析了變電站正常狀態(tài)與故障情況的工頻電磁場(chǎng)分布情況，優(yōu)化變電站工頻電場(chǎng)分布的各種情況，為其他電壓等級(jí)變電站的計(jì)算與分析提供了一種有效方法。

【關(guān)鍵詞】變電站;CDEGS;工頻磁場(chǎng);仿真分析

0引言

電力在社會(huì)生產(chǎn)和人類(lèi)生活中的廣泛應(yīng)用，工頻電磁場(chǎng)的分布已經(jīng)越來(lái)越受到關(guān)注。目前我國(guó)輸變電工頻電磁場(chǎng)的職業(yè)暴露[1]限值分別為10kV/m、500uT。根據(jù)《電力行業(yè)作業(yè)場(chǎng)所工頻電磁場(chǎng)安全防護(hù)規(guī)定（試行）》[2]將工頻電磁場(chǎng)安全防護(hù)等級(jí)分為三級(jí)：0級(jí)（工頻電場(chǎng)強(qiáng)度在5kV/m以下，或磁場(chǎng)強(qiáng)度在100μT以下）、Ⅰ級(jí)（工頻電場(chǎng)強(qiáng)度在5kV/m～10kV/m或磁場(chǎng)強(qiáng)度在100μT～500μT）、Ⅱ級(jí)（工頻電場(chǎng)強(qiáng)度在超過(guò)10kV/m或磁場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)500μT）。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于變電站的研究，關(guān)于變電站工頻電磁場(chǎng)的測(cè)量分析較多[3～6]，而變電站工頻電磁場(chǎng)的計(jì)算分析還比較少[7、8]。模擬電荷法[7]等較傳統(tǒng)的電磁場(chǎng)計(jì)算方法分析電磁環(huán)境效率不高，還要有較強(qiáng)的編程能力。近年來(lái)，開(kāi)始利用一些軟件仿真分析變電站電磁場(chǎng)分布[9、10]。以 500 kV 變電站為例采用了 IES-Coulomb 軟件進(jìn)行了單個(gè)設(shè)備與單相設(shè)備仿真，并與文中方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的正確性[9]。采用CDEGS對(duì)晉東南特高壓變電站進(jìn)行了全局建模分析，預(yù)測(cè)了變電站線路下、保護(hù)小室與圍墻外等處電磁場(chǎng)強(qiáng)度[10]。相比較而言，軟件仿真分析靈活、可靠、簡(jiǎn)捷、適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電磁環(huán)境計(jì)算。

1 矩量法及模型建立

1.1電站的數(shù)學(xué)計(jì)算模型

本文以某500kV變電站為例進(jìn)行仿真計(jì)算。由于變電站內(nèi)大多高壓帶電設(shè)備多且形狀不規(guī)則，為了得到整個(gè)變電站內(nèi)工頻電場(chǎng)的總體分布情況，在建模過(guò)程中，對(duì)變電站進(jìn)行如下簡(jiǎn)化處理：將母線、進(jìn)線、出線和設(shè)備間相連的導(dǎo)線視為圓柱形導(dǎo)體，導(dǎo)線電壓是已知的，導(dǎo)線為良導(dǎo)體，導(dǎo)線上的電壓幾乎不變，即不考慮線路損耗;不考慮變電站內(nèi)如斷路器、隔離開(kāi)關(guān)等電氣設(shè)備對(duì)電磁場(chǎng)的影響。采用CDEGS軟件對(duì)500kV變電站進(jìn)行建模，建模時(shí)設(shè)定地面為零電位且視為無(wú)限大平面，作為良導(dǎo)體考慮。導(dǎo)線各相施加電壓按正弦規(guī)律變化，500kV各相電壓幅值為500/√3kV，A、B、C三相電壓依次滯后120°。

2變電站正常及故障狀態(tài)下的工頻磁場(chǎng)計(jì)算與分析

2.1常狀態(tài)時(shí)的工頻磁場(chǎng)計(jì)算

采用CDEGS軟件，對(duì)500kV變電站站內(nèi)離地1.5m處工頻磁場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算分析。由于變電站內(nèi)導(dǎo)線電流值大小隨著負(fù)荷的大小而發(fā)生著變化。因此對(duì)工頻磁場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)，假定每回進(jìn)線的電流值大小為140A，每回出線的電流值大小為70A。最終求出地面上方1.5m處的工頻電場(chǎng)分布三維圖及等值色塊圖，如圖1所示。

從圖1中可以看出，變電站工頻磁場(chǎng)強(qiáng)度值大多在1uT左右，工頻磁場(chǎng)幅值最大值為1.97uT，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于工頻電磁安全防護(hù)導(dǎo)則規(guī)定的職業(yè)暴露限值100uT（安全防護(hù)0級(jí)）。磁場(chǎng)強(qiáng)度較大值大多出現(xiàn)在每一回進(jìn)出線的中間導(dǎo)線的下方，而隨著距中間導(dǎo)線距離的增大而逐漸減小。由于母線上的電流值較小，因此母線下方磁場(chǎng)相對(duì)較小。整個(gè)變電站內(nèi)的工頻磁場(chǎng)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于100uT，站內(nèi)職員可安全持續(xù)的工作。

2.2故障狀態(tài)時(shí)的工頻磁場(chǎng)計(jì)算

圖1和圖2分別為進(jìn)線發(fā)生單相、三相故障時(shí)變電站的工頻磁場(chǎng)分布三維圖。

從圖2和3中可以看出，第一回進(jìn)線發(fā)生單相短路故障跟發(fā)生三相短路故障時(shí)，工頻磁場(chǎng)分布規(guī)律相似。單相短路故障時(shí)，工頻磁場(chǎng)大多為100uT，大多位于安全防護(hù)0級(jí)。三相短路故障時(shí)，工頻磁場(chǎng)大多為130uT，大多位于安全防護(hù)Ⅰ級(jí)。由于三相短路故障時(shí)各相工頻磁場(chǎng)的疊加，使得工頻磁場(chǎng)的幅值比單相短路故障的稍大。

由于變電站內(nèi)自動(dòng)保護(hù)裝置如斷路器等作用時(shí)間約為1s，因此站內(nèi)磁場(chǎng)超過(guò)100uT的時(shí)間很短，且工頻磁場(chǎng)幅值都遠(yuǎn)低于相關(guān)準(zhǔn)則中職業(yè)暴露限值500uT。

3結(jié)論

（1）采用加拿大SES公司的CDEGS軟件對(duì)某500kV變電站工頻電磁場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，能在較短時(shí)間內(nèi)完成模型建立及有效地計(jì)算變電站站內(nèi)工頻電場(chǎng)分布，仿真結(jié)果與變電站的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)都能基本吻合，為計(jì)算其他電壓等級(jí)變電站的工頻電場(chǎng)提供了準(zhǔn)確、快速的方法。

（2）通過(guò)對(duì)500kV 變電站的工頻電磁場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，分析了變電站的工頻電磁場(chǎng)分布規(guī)律：工頻電場(chǎng)強(qiáng)度較大值主要集中在導(dǎo)線交叉與每回導(dǎo)線外側(cè)區(qū)域;工頻磁場(chǎng)強(qiáng)度較大值主要位于每回導(dǎo)線的中間區(qū)域，工頻磁場(chǎng)幅值大多為1～1.5uT。故障情況時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度幅值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于暴露限值500uT。

參考文獻(xiàn)：

[1]HJ/T 24-1998 500 kV超高壓送變電工程電磁輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范[S]，1998.

[2]徐祿文，李永明，劉昌盛，俞集輝，侯興哲.重慶500kV變電站內(nèi)工頻電磁場(chǎng)及安全性研究[A].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)電工數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì).第十一屆全國(guó)電工數(shù)學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)電工數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)：，2007：6.

（作者單位：國(guó)網(wǎng)重慶璧山供電公司）