超高壓輸電線路工頻電場的研究及其改善措施

趙杰+王玲桃

摘 要： 為深入研究超高壓輸電線路下方工頻電場強度和改善措施，首先根據電磁場理論對輸電線路的參數進行計算，得出沿線電壓的分布?？紤]沿線電壓不同后，采用模擬電荷法對輸電線下方1.5 m處的工頻電場強度進行分析，并利用ANSYS軟件對模擬電荷法進行驗證。結果發現只需部分架設屏蔽線就可以滿足要求，這樣也可以節省成本。然后分析得出架設屏蔽線的合理位置。最后利用Matlab仿真得出輸電線路下方部分架設屏蔽線的工頻電場曲線，研究結果表明，部分架設屏蔽線可以改善輸電線路的工頻電場。

關鍵詞： 模擬電荷法； 參數計算； 工頻電場強度； 部分架設； Matlab

中圖分類號： TN958?34； TP391.4 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）22?0126?05

0 引 言

近年來，我國國民經濟在快速發展，電力建設的投入也不斷加大。隨著電網的發展，超高壓輸電線路穿過城鎮或居民區的情況不可避免。超高壓輸電線路電壓等級較高，導線周圍的空間工頻電場引起了人們的關注。工頻電場強度已成為高壓輸電工程評估的主要內容，直接影響到線路的設計、規劃及建設投入。深入研究和如何改善高壓交流輸電線路下方空間的工頻電場，是電力工作者需要考慮的重點[1?2]。

超高壓輸電線路一般架設長度較長，參考一些國內外文獻，大都將輸電線看成平行于地面的無限長直導線；并且在計算輸電線路下方的電場強度時，假設架空輸電線路的電壓無損耗，把電壓看成固定不變的；但是，實際情況是輸電線路的電壓沿線是有損耗的，所以輸電線路的電壓在沿線的不同位置是不一樣的。

對于改善超高壓輸電線路下方工頻電場的措施主要有：一是通過改變線路的結構參數來實現[3]，但是對于已經選好型號的輸電線路，此方法行不通；二是通過提高桿塔高度來實現[4]，但是對于已經架設好的輸電線路，此方法成本較高；三是在輸電線路下方架設屏蔽線來實現，在人員相對密集區域通過在相導線與地面之間架設屏蔽線可以有效地改善線下工頻電場[5]。

本文根據電磁場理論，計算出架空輸電線路經過循環換位后的參數，把每相輸電線路看成是均勻傳輸線，列出電壓隨線路參數、線路長度變化的方程。分析輸電線路電壓的分布，并結合模擬電荷法，建立了超高壓輸電線路工頻電場的計算模型。然后通過架設屏蔽線改善線路的工頻電場。

2 仿真分析

2.1 架空輸電線路的模型

某交流500 kV輸電線路如圖3所示，線路長度為600 km，導線水平排列，型號為4*LGJ/400/35，分裂間距為0.450 m；避雷線的型號為GJ?70。圖中[H]=30 m表示避雷線距地面的高度，[h]=20 m為輸電線路距地面的高度，[h′]=10 m為屏蔽線距離地面的高度。[La]=10 m表示避雷線距中心位置的距離，[Lb]=12.5 m表示相導線距中心位置的距離，[L1=L2]=15.5 m為屏蔽線距中心位置的距離。

2.2 輸電線路的電壓分布

當線路首段的線電壓有效值為500 kV，電流有效值為1 000 A時，初始相角為0°。以A相為例進行仿真分析，電壓的有效值隨線路的分布，如圖4所示。

由圖4可以看出，輸電線路的電壓隨輸電線路的長度有一定的損耗，所以在進行研究時不可以忽略電壓的損耗。

2.3 輸電線路下方的電場強度仿真

首先，采用模擬電荷法得出首端輸電線路下方1.5 m處的工頻電場強度，并與ANSYS仿真得出的結果進行比較，如圖5所示。

由圖5可以看出，利用模擬電荷法研究輸電線路工頻電場強度是很精確的。所以接下來采用模擬電荷法，利用Matlab仿真得出輸電線路在不同線長處的線下場強如圖6所示。

由圖6中可以得出，此輸電線路在線下場強超過了我國規定的工頻電場公眾暴露值4 kV/s。且輸電線路沿線下方工頻電場強度隨著輸電距離的增大而減小，到500 km時線下場強已經減小到公眾暴露值以下。所以完全可以只對一部分線路進行工頻電場的改善，這樣可以做到在節約成本的前提下，使沿線下方的工頻電場值達到規定的限值以下。

2.4 改善輸電線路的工頻電場

2.4.1 屏蔽線架設方案的選擇

對于已經架設好的輸電線路，提高線路高度和改變線路的參數都行不通。在線路下方架設屏蔽線路是很有效的。很多文獻都提出了架設屏蔽線可以有效地改善輸電線路下方的工頻電場[3，7]，但是并沒有明確給出一個屏蔽線架設的合理方案。屏蔽線數目增加可以減少輸電線路下方工頻場強，可是卻增加了建設成本。所以本線路選擇架設兩根屏蔽線，并研究架設的相對合理位置。

針對本線路在0～500 km處部分架設屏蔽線，屏蔽線的型號為GJ?70。首先根據Matlab仿真，得出架設屏蔽線的合理位置。

圖7，圖8分別代表屏蔽線不同高度和不同水平間距時，線下場強的分布曲線。表1，表2代表仿真得出的線下最大場強值。

由圖7和表1可以看出隨著屏蔽線架設高度的增加，線下最大場強先減小再增大。所以有相對最佳位置，可以看出屏蔽線架設高度為10 m時最佳。由圖8和表2可以看出，隨著屏蔽線間距的減小，線下最大場強先減小后增大。所以有最佳位置，最佳間距為15.5 m。

綜上所述，選擇輸電線路下方架設屏蔽線的高度為10 m，間距為15.5 m。

2.4.2 架設屏蔽線來改善線路工頻電場

通過以上的分析，針對本線路在0～500 km處架設屏蔽線，并且綜合考慮電壓損耗和屏蔽線架設位置后可以得出線下的工頻電場強度曲線如圖9所示。

以上關于架設屏蔽線線下工頻電場強度的研究均通過ANSYS仿真驗證，得出的結果基本是一致。由圖9可以看出架設屏蔽線后，超高壓輸電線路的工頻電場得到了改善，并且沿線下方的工頻電場都降到了我國規定的公眾暴露值以下。

3 結 語

通過對超高壓輸電線路下方1.5 m處工頻場強的仿真分析，得出當輸電線路經過人員相對密集區域時的一些結論：

（1） 通過比較模擬電荷法和ANSYS仿真的結果，得出模擬電荷法可以準確地計算輸電線下電場強度。

（2） 超高壓輸電線路考慮電壓損耗后，線路下方1.5 m處的工頻場強，沿線是下降的趨勢，并且在500 km后最大場強降低為4 kV/m。所以為了節約建設成本，可以只改善0～500 km處的工頻電場。

（3） 增加屏蔽線架設高度后，線下最大場強先減少后增加，所以架設屏蔽線有相對最佳位置。

（4） 增加屏蔽線架設間距后，線下最大場強先減少后增加，所以架設屏蔽線有相對最佳位置。

（5） 通過部分架設屏蔽線可以有效地改善超高壓輸電線路下方的工頻電場強度。

參考文獻

[1] 劉振亞.特高壓電網[M].北京：中國經濟出版社，2005.

[2] 曾慶禹.特高壓輸電線路電氣和電暈特性研究[J].電網技術，2007，31（19）：1?8.

[3] 路遙.交流特高壓線路下電場強度的改善[J].高電壓技術，2006，32（12）：66?68.

[4] 張啟春.電力系統工頻電磁場的仿真與屏蔽研究[D].武漢：武漢水利電力大學，2000.

[5] 談克雄，薛家麟.高壓靜電場數值計算[M].北京：水利電力出版社，1990.

[6] 吳維韓，張芳榴.電力系統過電壓數值計算[M].北京：科學出版社，1989.

[7] 蔣紅，焦景慧.超高壓線路工頻電場超限值對策的研究[J].高電壓技術，2006，32（8）：56?58.

[8] 河野照哉，宅間董.電場數值計算法[M].尹克寧，譯.北京：高等教育出版社，1985.

[9] SARMA M P， JANISCHEWSKYJ W. Electrostatic field of a system of parallel cylindrical conductors [J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems， 1969， 88（7）： 1069?1079.

[10] STEINBIGLER H， HALLER D， WOLF A. Comparative analysis of methods for computing 2D and 3D electric fields [J]. IEEE Transactions on Electrical Insulation， 1991， 26（3）： 529?536.

[11] 鄭楊，宋守信.改善交流超高壓、特高壓輸電線路下電場強度的措施[J].重慶工學院學報，2007，21（11）：94?97.

[12] 邵方殷.我國特高壓輸電線路的相導線布置和工頻電磁環境[J].電網技術，2005，29（8）：1?7.