330 kV同塔雙回交流輸電線路的電磁環(huán)境研究

趙建文，閻 綱，王曉康

(西安科技大學(xué)，電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

330 kV同塔雙回交流輸電線路的電磁環(huán)境研究

趙建文，閻 綱，王曉康

(西安科技大學(xué)，電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

隨著公眾環(huán)保意識(shí)的提升，高壓輸電線路周圍的電磁環(huán)境問(wèn)題受到越來(lái)越多地關(guān)注，關(guān)于電磁污染引起的一些糾紛及案件也日益增加。而確定線路下方電場(chǎng)效應(yīng)、無(wú)線電干擾和可聽噪聲等電磁環(huán)境參數(shù)是輸電線路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。文中針對(duì)電磁環(huán)境中的4個(gè)主要電磁參數(shù)進(jìn)行了研究，并基于對(duì)這些參數(shù)的分析確定了線路的設(shè)計(jì)方案。文中以陜西某條設(shè)計(jì)中的330 kV同塔雙回交流輸電線路為研究對(duì)象，詳細(xì)分析研究其電磁參數(shù)。計(jì)算了腰型和緊湊型2種塔型下的導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度、無(wú)線電干擾、可聽噪聲等電磁參數(shù)，對(duì)同相序和異相序2種情況下的各參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析后，給出了最佳設(shè)計(jì)方案，為實(shí)際線路設(shè)計(jì)提供了有效的參考依據(jù)。

330 kV同塔雙回交流輸電線路；電磁環(huán)境；電場(chǎng)強(qiáng)度；無(wú)線電干擾；可聽噪聲

0 引 言

近些年來(lái)，由于對(duì)電能的廣泛應(yīng)用及電網(wǎng)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，人們對(duì)于電磁環(huán)境的關(guān)注程度也在日益增加[1-3]。當(dāng)高壓輸電線路距離人們的生活環(huán)境越來(lái)越近時(shí)，不可避免的就會(huì)引發(fā)一些針對(duì)電磁環(huán)境產(chǎn)生的案件和事端[4-6]。雖然大多數(shù)情況是由于公眾對(duì)電磁知識(shí)的誤解或是對(duì)電磁污染的過(guò)度警惕引起的，但另一方面也說(shuō)明人們對(duì)生活質(zhì)量要求的提高[6-7]。無(wú)論如何，對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)研究并消除公眾對(duì)電磁污染的盲目恐懼已經(jīng)迫在眉睫。

自20世紀(jì)80年代起，中國(guó)就開始著手研究輸電線路對(duì)電磁環(huán)境的影響，對(duì)一些高壓和特高壓線路都提出了環(huán)境保護(hù)的相關(guān)約束[8-9]。對(duì)于線路設(shè)計(jì)單位更是提高了電磁環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)審核時(shí)這項(xiàng)指標(biāo)也對(duì)于工程評(píng)優(yōu)起到重要的作用。

在國(guó)家及民眾對(duì)環(huán)境保護(hù)要求越來(lái)越高的前提下，通過(guò)對(duì)輸電線路工頻電磁場(chǎng)、可聽噪聲、無(wú)線電干擾等方面的研究以及對(duì)相關(guān)電磁參數(shù)的分析計(jì)算，最終可得出相應(yīng)條件下的最優(yōu)解，為輸電線路的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)[10-11]。并針對(duì)一些特殊地理?xiàng)l件給出前瞻性預(yù)測(cè)，最終為電力設(shè)計(jì)行業(yè)的規(guī)劃及審核提供幫助。

對(duì)于電力設(shè)計(jì)單位來(lái)說(shuō)，在設(shè)計(jì)線路時(shí)不僅要考慮線路的各項(xiàng)電磁參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，還要考慮工程的成本和單位造價(jià)，甚至在審核中對(duì)于線路的曲折系數(shù)和美觀程度也有各種相應(yīng)的要求。所以，對(duì)基本電磁環(huán)境參數(shù)的精確計(jì)算也是至關(guān)重要的，必須在設(shè)計(jì)線路時(shí)使其各項(xiàng)指標(biāo)符合生態(tài)環(huán)境允許值[12]。

目前計(jì)算工頻電場(chǎng)主要采用模擬電荷法，計(jì)算無(wú)線電干擾主要以激發(fā)函數(shù)為依據(jù)，無(wú)線電干擾值主要用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行推算。文中以目前的電磁參數(shù)研究現(xiàn)狀為前提，設(shè)計(jì)并計(jì)算了330 kV同塔雙回交流輸電線路腰型塔、緊湊型塔2種塔型下的導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度、無(wú)線電干擾、可聽噪聲等電磁參數(shù)，對(duì)同相序和異相序2種情況下的各參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比分析，為線路設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 輸電線路工頻電場(chǎng)及計(jì)算方法

高壓或超高壓輸變電工程建成投入運(yùn)行后，其電磁現(xiàn)象成為主要的環(huán)境影響問(wèn)題[17]。高壓導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的電暈特性(如電暈損耗、無(wú)線電干擾、可聽噪聲等)主要取決于導(dǎo)線表面電位梯度的大小，所以導(dǎo)線表面電位梯度的計(jì)算是計(jì)算這些參數(shù)的關(guān)鍵，直接影響導(dǎo)線的選型和布置。

目前計(jì)算輸電線路電場(chǎng)時(shí)，工程上采用較多的是Markt-Megele法[20]、逐步鏡像法[21]和模擬電荷法[22]。上述3種方法均可計(jì)算輸電線導(dǎo)線表面電場(chǎng)與線下電場(chǎng)。但對(duì)于多分裂導(dǎo)線，常采用逐步鏡像法分別計(jì)算其子導(dǎo)線所帶電場(chǎng)從而提高精確程度。

在一個(gè)擁有很多導(dǎo)體的空間中，用鏡像電荷代替空間中原有的導(dǎo)體，而鏡像電荷大小的選擇則取決于替代后是否在導(dǎo)體表面保持相等的電位。若符合等電位，則按如下步驟計(jì)算

1)根據(jù)子導(dǎo)線和地線的具體位置、尺寸和所加電壓，用麥克斯威電位系數(shù)法對(duì)每根子導(dǎo)線的電荷進(jìn)行求解。

Q=P-1U,

(1)

2)可假設(shè)除該導(dǎo)線外所有導(dǎo)線的電荷都集中在各自的中心，鏡像電荷的大小等于原電荷，但符號(hào)相反，位于該導(dǎo)線中心至每一電荷的連線上，中心距為

(2)

3)選出一些計(jì)算出的電位值與實(shí)際電位進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)導(dǎo)線表面的電壓值進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算，將其結(jié)果控制在要求精度內(nèi)。當(dāng)誤差范圍一定時(shí)，導(dǎo)線半徑與之間距離的比值越小，則進(jìn)行鏡像電荷之間轉(zhuǎn)換的次數(shù)就越少。對(duì)于330 kV的輸電線路，一般進(jìn)行2到3次的鏡像變換就能得出符合精度的解；

4)由上可知，輸電線路表面任一點(diǎn)P的電場(chǎng)強(qiáng)度都可以通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)變換求出

(3)

(4)

(5)

式中 i為電荷序號(hào)。

中國(guó)環(huán)境指標(biāo)推薦暫以4 kV/ m 作為居民區(qū)工頻電場(chǎng)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2 無(wú)線電干擾及計(jì)算方法

輸電線路在正常的運(yùn)行電壓下允許導(dǎo)線發(fā)生一定程度的電暈放電，會(huì)在導(dǎo)線上產(chǎn)生電流和電壓脈沖[18-19]。這些脈沖沿導(dǎo)線向注入點(diǎn)兩邊流動(dòng)，從而在導(dǎo)線上產(chǎn)生無(wú)線電干擾。

根據(jù)《110～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50545—2010)5.0.4規(guī)定，“海拔不超過(guò)1 000 m時(shí)，距輸電線路邊相導(dǎo)線投影外20 m處且離地2 m高且頻率為0.5 MHz時(shí)的無(wú)線電干擾限值應(yīng)符合表1的規(guī)定?！?/p>

表1 5.0.4對(duì)無(wú)線電干擾的限定臨界值

對(duì)于電力設(shè)計(jì)單位來(lái)說(shuō)，在確定具體的線路路徑之前就要對(duì)線路經(jīng)過(guò)的區(qū)域與設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，確定限定的噪聲數(shù)值，從而確定各不同區(qū)域的線路走廊范圍最終進(jìn)行宏觀調(diào)控和修改。330 kV交流輸電線路具有單相、三相單回、同塔多回的情況，下面針對(duì)這3種情況進(jìn)行無(wú)線電干擾的計(jì)算

2.1 單相

此種情況使用中國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦的計(jì)算330 kV單相交流線路的公式

RI=3.5Emax+12r-30,

(6)

式中RI為距導(dǎo)線50 m的干擾場(chǎng)強(qiáng)，dB；r為導(dǎo)線的半徑，cm；Emax為導(dǎo)線表面最大場(chǎng)強(qiáng)，kV/cm.

2.2 三相單回

(7)

式中，Emax是導(dǎo)線表面最大場(chǎng)強(qiáng)，kV/cm.

2.3 同塔多回

首先對(duì)每一單回路的干擾場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行上述方法(1)的計(jì)算，得出各回路的計(jì)算結(jié)果后進(jìn)行迭代計(jì)算就可得出同塔多回的干擾場(chǎng)強(qiáng)。

(8)

式中RIij為計(jì)算點(diǎn)在第j回第i相的干擾場(chǎng)強(qiáng)，dB；RIi為每回計(jì)算點(diǎn)在第i相干擾場(chǎng)強(qiáng)，dB.

接著用下式計(jì)算

(9)

式中RI1,RI2為在同塔多回路中三相導(dǎo)線的干擾場(chǎng)強(qiáng)，dB.但在同塔多回中，若一相干擾場(chǎng)強(qiáng)大于其余相至少3 dB(μV/m)時(shí)，則可通過(guò)(8)式直接得出結(jié)果，無(wú)需再往下計(jì)算。

此種適用情況為：在好天氣的情況下，頻率為0.5 MHz的50%時(shí)間概率下的場(chǎng)強(qiáng)值，對(duì)于80%的時(shí)間的概率情況下，增加9～16 dB后可得到80%置信度情況下的場(chǎng)強(qiáng)值。

對(duì)于一般的高壓線路(分裂數(shù)小于4)，CISPR推薦的經(jīng)驗(yàn)公式可以得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果。

3 可聽噪聲及計(jì)算方法

可聽噪聲是指導(dǎo)線周圍空氣電離放電時(shí)所產(chǎn)生的1種人耳能直接聽得見的噪聲，它是1種聲頻干擾。隨著電壓等級(jí)的提高，電暈放電引起的噪聲將會(huì)增大，因此必須引起足夠的重視。

根據(jù)《110～750 kV架空輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，“海拔不超過(guò)1 000 m時(shí)，距輸電線路邊相導(dǎo)線外20 m處，濕導(dǎo)線條件下的對(duì)噪聲的限定臨界值應(yīng)符合表2的規(guī)定?！?/p>

表2 噪聲限定臨界值

在面對(duì)噪聲問(wèn)題帶給居民的困擾時(shí)，我國(guó)也逐漸發(fā)行了各種設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)限定。這些規(guī)范中對(duì)于鄉(xiāng)村和城市、白天和晝夜的要求都有所不同，如：《密集居民區(qū)噪聲標(biāo)準(zhǔn)》、《城郊噪聲標(biāo)準(zhǔn)》等一系列電力設(shè)計(jì)規(guī)范及環(huán)保法律。

針對(duì)本次研究的330 kV線路可聽噪聲計(jì)算，采用美國(guó)電力部門推導(dǎo)出的預(yù)測(cè)公式

(10)

式中AN為噪聲的可聽等級(jí)，其值為

PWL(i)=-164.6+120lgEmax+55lgdep,

(11)

式中，deq為導(dǎo)線的直徑，mm，其值為

deq=0.58n0.48d.

(12)

式中n為導(dǎo)線的根數(shù)。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

文中計(jì)算的線路為陜西某條330kV線路工程雙回同塔架設(shè)部分，長(zhǎng)97.0km，導(dǎo)線截面選用2×300mm2.

4.1 雙回路腰型塔

圖1 桿塔結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Tower chart

雙回路腰型塔導(dǎo)線為2×LGJ-300/40型，雙回腰水平排列，2分裂，分裂間距為400mm，線路結(jié)構(gòu)如圖1所示。不同相序下各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果見表3.

表3 不同相序下各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果

1)導(dǎo)線表面的最大場(chǎng)強(qiáng)Em是衡量送電線路電暈損失以及可聽噪聲、無(wú)線電干擾的決定因素。當(dāng)線路表面場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)起暈場(chǎng)強(qiáng)E0時(shí)，線路表面會(huì)劇烈電暈，產(chǎn)生很大的電能損失以及可聽噪聲、無(wú)線電干擾等，所以一般線路設(shè)計(jì)時(shí)導(dǎo)線表面的最大場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)控制在起暈場(chǎng)強(qiáng)的80%～85%以內(nèi)。采用2×LGJ-300/40結(jié)構(gòu)，其起暈場(chǎng)強(qiáng)為29.81 kV/cm.由表3可知，雙回路排列相序中，正相序的Em/E0值最小。然而，也應(yīng)當(dāng)看到，幾種相序排列下，導(dǎo)線表面最大場(chǎng)強(qiáng)和起暈場(chǎng)強(qiáng)的比值都在0.8以內(nèi)；

2)線路的可聽噪聲。由表3可知，對(duì)于雙回路排列的可聽噪聲在正相序排列時(shí)最小，為45.72 dB；逆相序排列時(shí)較大，為48.68 dB.縱觀上述排列方式，相序?qū)陕犜肼暤挠绊懖皇呛艽螅兓秶怀^(guò)4 dB；

3)線路的無(wú)線電干擾。采用2×300導(dǎo)線，由表3可知，雙回路排列方式下的無(wú)線電干擾，在正相序排列時(shí)最小，為47.09 dB；逆相序排列時(shí)較大，為51.25 dB.但是，縱觀上述情況，相序排列對(duì)無(wú)線電干擾的影響也不是很大，變化范圍都不超過(guò)5 dB.

4.2 緊湊型塔

圖2 桿塔結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Tower chart

緊湊型塔導(dǎo)線為2×LGJ-400/35型，雙回垂直排列，2分裂，分裂間距為400 mm，桿塔結(jié)構(gòu)如圖2所示。不同相序下各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果見表4.

1)導(dǎo)線表面的最大場(chǎng)強(qiáng)。采用2×LGJ-300/40結(jié)構(gòu)，其起暈場(chǎng)強(qiáng)為29.81 kV/cm.由表4可知，雙回路排列相序中，正相序的值最小。然而，也應(yīng)當(dāng)看到，幾種相序排列下，導(dǎo)線表面最大場(chǎng)強(qiáng)和起暈場(chǎng)強(qiáng)的比值都在0.9以內(nèi)。所以，可以認(rèn)為，導(dǎo)線表面電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)相序的選擇基本上不起控制作用。

2)線路的可聽噪聲。由表3可知，對(duì)于雙回路排列的可聽噪聲在正相序排列時(shí)最小，為50.78 dB；逆相序排列時(shí)較大，為53.4 dB.縱觀上述排列方式，相序?qū)陕犜肼暤挠绊懖皇呛艽螅兓秶怀^(guò)5 dB；

3)線路的無(wú)線電干擾。采用2×300導(dǎo)線，由表3可知，Em/E0雙回路排列方式下的無(wú)線電干擾，在正相序排列時(shí)最小，為47.08 dB；逆相序排列時(shí)較大，為49.99 dB.但是，縱觀上述情況，相序排列對(duì)無(wú)線電干擾的影響不是很大，變化范圍都不超過(guò)6 dB.

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)上述2種雙回路塔型按照文中給出的計(jì)算方法進(jìn)行電磁環(huán)境參數(shù)計(jì)算后，可得出如下結(jié)論：在其他條件相同的情況下，導(dǎo)線逆相序排列時(shí)的地面電場(chǎng)強(qiáng)度、走廊寬度優(yōu)于正相序排列，可聽噪聲和無(wú)線電干擾略大于正相序排列，但通過(guò)選用適當(dāng)截面的導(dǎo)線可滿足指標(biāo)要求。對(duì)同塔雙回線路采用逆相序的排列方式不僅可有效減小桿塔高度和輸電走廊寬度，而且可降低工程造價(jià)，因此它是目前工程設(shè)計(jì)中優(yōu)先選用的排列方式。

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Calculation of electromagnetic environment parameters in same tower double circuit AC transmission lines

ZHAO Jian-wen，YAN Gang，WANG Xiao-kang

(CollegeofElectricalandControlEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China)

With the enhancing of public’s awareness of environmental protection，high voltage transmission lines surrounding electromagnetic environment problem is attracting more and more attention，identify the electric field effect，radio interference and electromagnetic environment parameters，such as audible noise below lines is one of the key problems in transmission line design.In this paper，the electromagnetic environment of the four main electromagnetic parameters were studied，and based on the analysis of these parameters,determine the line of the design.Taking Shaanxi 33 kV double-circuit AC transmission lines as a research object，its electromagnetic parameters were analyzed in detail.Calculated waist type tower wire surface electric field strength of compact tower tower under two kinds of radio interference，audible noise，and electromagnetic parameters，and various parameters with different phase sequence and same phase sequence for two kinds of case were comparatively analyzed，to provide reference for circuit design.

330 kV with double ac transmission line towers；electromagnetic environment；electric field strength；radio interference；audible noise

2015-03-10 責(zé)任編輯：高 佳

陜西省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目(2013JK0867)

趙建文(1973-)，男，陜西寶雞人，博士、副教授，E-mail：839725357@qq.com

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0414

1672-9315(2015)04-0486-06

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