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        750 kV輸電線路下電磁屏蔽措施分析

        2023-09-11 12:09:50謝延凱湯一堯祁偉健
        甘肅科技 2023年8期
        關(guān)鍵詞:屏蔽線工頻架設(shè)

        謝延凱,湯一堯,何 巍,祁偉健

        (國家電網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院,甘肅 蘭州 730070)

        1 引言

        隨著人們環(huán)保意識的增強和對環(huán)保的日益重視,輸電線路特別是超高壓輸電線路的電磁環(huán)境問題已經(jīng)成為制約輸電線路工程建設(shè)的重要因素,直接影響電力行業(yè)的發(fā)展[1-2]。交流輸電線路的電磁環(huán)境主要包括工頻電磁場和可聽噪聲。對于超高壓輸電線路,其工頻電場的增加幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工頻磁場和可聽噪聲,是對輸電線路可行性產(chǎn)生影響的關(guān)鍵因素[3]。輸電線路的布線型式、線路的對地距離、導(dǎo)線的分裂根數(shù)及分裂間距、子導(dǎo)線半徑等均影響輸電線路的工頻電場強度[4-6]。對于已建成或投入運營的超高壓輸電線路,對線路本身進(jìn)行調(diào)整以使其電工頻電場達(dá)到相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)比較困難,只能通過其他方式進(jìn)行控制[7-9]。根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究成果,在超高壓輸電線路下方架設(shè)屏蔽線可以有效減小工頻電場,其主要原理是通過電場疊加來減弱保護(hù)區(qū)域的電場強度[10-13]。

        文章以某在用750 kV輸電線路為例,通過建立仿真計算模型,進(jìn)行屏蔽線架設(shè)模擬計算,研究降低線路工頻電場強度的策略,確定屏蔽效果最佳的屏蔽線架設(shè)模式,為超高壓線路電磁環(huán)境問題的解決提供可行的依據(jù)。

        2 電場強度計算理論

        根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究成果[14-22],電場強度數(shù)值計算方法主要有有限差分法、有限元法、模擬電荷法和矩量法等,均為相對比較成熟的計算方法。其中,羅日成等在模擬電荷法的基礎(chǔ)上結(jié)合矩量法,完成了湖南某500 kV工頻電場的數(shù)值計算;劉大平等利用模擬電荷法建立輸電線路模型,對1 000 kV皖電東送特高壓雙回輸電線路工頻電場進(jìn)行了計算分析。通過梳理已有的研究,確定采用模擬電荷法對750 kV輸電線路進(jìn)行研究。此方法的理論基礎(chǔ)是電磁場的唯一性定理,主要用于靜電場的計算問題。用一定數(shù)量的離散模擬電荷來等效替代電極表面連續(xù)分布的自由電荷或者分界面連續(xù)分布的束縛電荷,同時保證滿足原來的邊界條件,然后運用疊加原理將離散電荷產(chǎn)生的場強疊加,得出原來電極表面連續(xù)電荷在空間產(chǎn)生的電場分布。其數(shù)學(xué)模型為:求解以電位函數(shù)[φ]為未知量的泊松方程或者拉普拉斯方程的定解問題。

        在計算實際工程問題時,采用模擬電荷法,在電極表面、計算場域外部設(shè)置一定數(shù)量的離散電荷來等效原來分布的未知連續(xù)電荷,保證邊界條件不變。離散模擬電荷的位置和個數(shù)是確定的,電位系數(shù)[P]可以由解析公式計算得出,建立線性方程組[P]·[Q]=[φ],求解模擬電荷[Q]。根據(jù)靜電場中計算電場的解析公式,由模擬電荷[Q]計算出場域中任意一點的電位和電場強度。

        3 線路模型參數(shù)

        屏蔽線距地面的高度、水平位置、屏蔽線的根數(shù)以及屏蔽線半徑都對屏蔽效果有不同程度的影響。對于倒三角形的輸電線路,將屏蔽線放置于B相下方時,對工頻電場的削弱作用強于邊相下方[23-25]。案例中的750 kV輸電線路塔形眾多,本研究選取單塔單回ZB125型直線塔進(jìn)行仿真模型計算,相關(guān)參數(shù)如圖1所示。

        圖1 線路參數(shù)

        該線路運行電壓為750 kV,線路布設(shè)方式為倒三角形,采用6分裂鋼芯鋁絞線,分裂間距為400 mm,子導(dǎo)線直徑50 mm,弧垂最低點為A相(-18 m,50 m)、B相(0 m,40 m)、C相(18 m,50 m),架空地線(±16 m,55 m)一根采用JLB20A-100(19/2.60)鋁包鋼絞線,另一根采用TXJ750-80型光纜。屏蔽線選用鍍鋅鋼絞線,具體參數(shù)見表1。

        表1 屏蔽線參數(shù)表

        4 屏蔽線抑制效果仿真分析

        4.1 線路電場強度分布

        用德國納達(dá)NBM-550電磁輻射測試儀對該750 kV輸電線路某斷面的工頻電場進(jìn)行實測,測得的工頻電場強度最大值Emax沿中心線對稱分布,距中心線距離為±10 m的區(qū)域工頻電場強度Emax超過4 kV/m的國家電磁環(huán)境控制限值,Emax的最大值為6.09 kV/m。用已知的線路參數(shù)建立仿真計算模型,計算得工頻電場強度的Emax最大值為6.16 kV/m。線路實測值和模擬計算值對比結(jié)果如圖2所示,二者的相關(guān)性如圖3所示。

        圖2 工頻電場強度分布圖

        圖3 模擬值與實測值的相關(guān)關(guān)系圖

        通過圖2可以看出,線路工頻電場強度實測值和模擬值的變化趨勢相近。進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)性分析,分析結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明,線路工頻電場強度實測值和模擬計算值呈現(xiàn)出線性相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)為0.9 792。因此,可以用計算機仿真模型計算的方法對架設(shè)屏蔽線后的線路進(jìn)行分析,分析結(jié)果與實際線路的影響具有很好的相關(guān)性。

        4.2 屏蔽線垂直高度分析

        已有的研究表明,在B相下架設(shè)屏蔽線的效果優(yōu)于邊相,故將一根屏蔽線架設(shè)于B相下方,即Dp=0,改變屏蔽線與B相間的垂直距離hp進(jìn)行仿真模擬計算,計算結(jié)果如圖4所示,其中圖4(b)為圖4(a)的橫坐標(biāo)hp為4-32處的放大圖。

        圖4 (a)屏蔽線不同高度屏蔽效果圖

        圖4 (b)屏蔽線不同高度屏蔽效果圖(局部放大)

        從圖4(a)中可知,當(dāng)hp在1~4 m時,隨著屏蔽線與B相間垂直距離hp的增大,工頻電場強度最大值Emax由5.06 kV/m減小到4.29 kV/m,降幅超過15%;當(dāng)hp在4~8 m時,隨著hp的增大,Emax由4.29 kV/m減小為4.23 kV/m,減小幅度很小,約為1.4%;當(dāng)hp超過8 m時,隨著hp的增大,Emax小幅增大,由4.23 kV/m增大到4.32 kV/m,增長幅度約為2.1%。由計算結(jié)果可知,本線路hp=8 m(即屏蔽線距離地面高度32 m)時,屏蔽效果最佳,此時的工頻電場強度為4.23 kV/m。架設(shè)一根屏蔽線時,屏蔽效果最佳的斷面處工頻電場強度最大值Emax仍超過4 kV/m的國家標(biāo)準(zhǔn)控制限值,需要進(jìn)一步采取措施,以降低工頻電場強度。

        4.3 屏蔽線根數(shù)分析

        將1、3、5、7根屏蔽線水平對稱架設(shè)于線路B相下方,進(jìn)行仿真計算,取屏蔽線與B相間的垂直距離hp=8 m(即屏蔽線距離地面高度為32 m),兩根屏蔽線間距dp=2 m,計算結(jié)果見圖5。

        圖5 (a)不同數(shù)量屏蔽線屏蔽效果圖

        圖5 (b)屏蔽線根數(shù)與電場強度相關(guān)關(guān)系圖

        由圖5(a)可知,架設(shè)1根、3根、5根、7根屏蔽線后,工頻電場強度最大值Emax與未采用屏蔽線相比,分別下降了1.93、3.14、4.02、4.28 kV/m,降幅分別為31.3%、50.9%、65.3%、69.5%。由圖5(b)可知,與未采用屏蔽線相比,架設(shè)1根、3根、5根、7根屏蔽線后,工頻電場強度最大值Emax的減小幅度大幅增加之后趨于平緩。即屏蔽效果隨屏蔽線數(shù)目的增多而增強,但并不是一直大幅增加;屏蔽線達(dá)到一定數(shù)量后,屏蔽效果的增加趨于平緩。由于屏蔽線數(shù)量的增加會提高工程造價,要根據(jù)線路的具體情況來決定屏蔽線的架設(shè)根數(shù)。本線路在架設(shè)3根屏蔽線時,可使工頻電場強度最大值Emax下降至3.02 kV/m,滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限值的要求,故綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和屏蔽效果,可選擇架設(shè)3根屏蔽線。

        4.4 屏蔽線間距分析

        多根屏蔽線水平架設(shè)時,屏蔽線的間距會影響屏蔽效果。將3根屏蔽線水平對稱架設(shè)于B相下方,距B相的垂直高度為hp=8 m,此時屏蔽線距地面高度為32 m。改變屏蔽線間距dp,進(jìn)行仿真計算,計算結(jié)果見圖6。

        圖6 不同間距屏蔽線屏蔽效果

        由圖6可知,當(dāng)屏蔽線間距dp=0時,相當(dāng)于只在B相下方架設(shè)一根屏蔽線,工頻電場強度最大值Emax為5.06 kV/m;當(dāng)屏蔽線間距dp在0~3 m范圍內(nèi)時,隨著dp增大,工頻電場強度最大值Emax由4.32 kV/m迅速減小為2.72 kV/m,降幅達(dá)13.9%;當(dāng)dp大于3 m時,隨著dp的增大,Emax呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。根據(jù)計算結(jié)果,架設(shè)3根屏蔽線的情況下,屏蔽線間距為3 m時,屏蔽效果最佳,此時的工頻電場強度Emax最大值為2.72 kV/m,滿足降低工頻電場強度的要求。

        4.5 屏蔽網(wǎng)屏蔽效果分析

        在B相下方8 m處水平架設(shè)3根屏蔽線,屏蔽線間距為3 m,以此為基礎(chǔ)搭建屏蔽網(wǎng)。屏蔽網(wǎng)寬度為6 m,長度為200 m(該輸電線路檔距),將此屏蔽網(wǎng)看作2×a的網(wǎng)格,其中a為長度方向的格子數(shù),令a的個數(shù)為5、10、20、40,分別對其屏蔽效果進(jìn)行模擬。

        由圖7可知,架設(shè)網(wǎng)格數(shù)為2×5、2×10、2×20、2×40的屏蔽網(wǎng)后,輸電線路下方工頻電場強度最大值Emax分別為2.64 kV/m、2.50 kV/m、2.30 kV/m、2.14 kV/m,Emax隨著屏蔽網(wǎng)網(wǎng)格數(shù)的增多而降低。與僅采用3根屏蔽線相比,架設(shè)網(wǎng)格數(shù)為2×5、2×10、2×20、2×40的屏蔽網(wǎng)后,Emax分別下降了0.08、0.22、0.42、0.58 kV/m,降幅分別為2.94%、8.09%、15.44%、21.32%,架設(shè)屏蔽網(wǎng)能夠在屏蔽線的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低輸電線路下方的工頻電場強度。

        圖7 不同網(wǎng)格屏蔽網(wǎng)屏蔽效果

        5 結(jié)語

        案例750 kV輸電線路某斷面實測的工頻電場強度最大值為6.09 kV/m,文章模擬計算了對該線路架設(shè)屏蔽線(網(wǎng))時,線路下方的工頻電場的變化規(guī)律,為降低該斷面處工頻電場強度提供了可行的方法。模擬計算結(jié)果表明,該750 kV輸電線路架設(shè)屏蔽線(網(wǎng))后,線路下方工頻電場強度明顯降低。該線路屏蔽線的最佳架設(shè)方式是:在B相下方8 m處,水平架設(shè)3根屏蔽線,屏蔽線間距為3 m,此時的工頻電場強度最大值為2.76 kV/m。與未架設(shè)屏蔽線相比,工頻電場最大值降低了4.4 kV/m,降幅達(dá)到71%。選用屏蔽網(wǎng),還可進(jìn)一步降低工頻電場強度,通過增加屏蔽網(wǎng)格數(shù)達(dá)到更好的屏蔽效果。因此,架設(shè)屏蔽線(網(wǎng))能夠明顯改善輸電線路的電磁環(huán)境,可以作為750 kV輸電線路降低感應(yīng)電的一種有效措施進(jìn)行實際應(yīng)用。

        文章僅對案例中的線路架設(shè)屏蔽線(網(wǎng))的效果進(jìn)行了仿真模擬計算,還未在具體的工程實際中進(jìn)行佐證,后續(xù)應(yīng)針對架設(shè)屏蔽線(網(wǎng))的實際工程案例進(jìn)行研究,將減輕電磁環(huán)境污染的有效手段廣泛應(yīng)用于實際中,以期降低線路走廊近區(qū)感應(yīng)電,進(jìn)而減少由此引起的電網(wǎng)環(huán)保糾紛。

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