1000 kV特高壓交流輸電線路空間電磁環(huán)境的計(jì)算模型研究

羅超，查智明，徐鵬，華雪瑩，姚為方

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院環(huán)境工程研究室，安徽合肥230601)

1000 kV特高壓交流輸電線路空間電磁環(huán)境的計(jì)算模型研究

羅超，查智明，徐鵬，華雪瑩，姚為方

(國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院環(huán)境工程研究室，安徽合肥230601)

1000kV特高壓交流輸電線路具有電壓等級(jí)高，導(dǎo)線分裂數(shù)多、重量大，塔間距離遠(yuǎn)、導(dǎo)線弧垂低等特點(diǎn)，通過(guò)理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析了《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則－輸變電工程》對(duì)輸電線路工頻電磁場(chǎng)近地面計(jì)算方法的合理性。對(duì)國(guó)標(biāo)算法中導(dǎo)線的長(zhǎng)直假設(shè)提出了懸鏈線修正的優(yōu)化方法，根據(jù)電動(dòng)力學(xué)中的唯一性定理和比奧－薩法爾－拉普拉斯定律對(duì)實(shí)例中工頻電場(chǎng)和工頻磁場(chǎng)分別進(jìn)行了數(shù)值模擬，將建模計(jì)算的結(jié)果與導(dǎo)則和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，提出了對(duì)特高壓工頻電磁環(huán)境計(jì)算方法的改進(jìn)措施。

特高壓;懸鏈線;唯一性定理;工頻電場(chǎng);工頻磁場(chǎng)

隨著世界上首個(gè)同塔雙回特高壓交流輸變電工程——皖電東送淮南至上海1000kV特高壓交流示范工程投入運(yùn)行，我國(guó)在特高壓輸電領(lǐng)域已處于世界的領(lǐng)先地位。隨著民眾環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，輸電工程尤其是特高壓輸電線路的電磁環(huán)境影響越來(lái)越受到環(huán)境保護(hù)行政主管部門(mén)和相關(guān)民眾的普遍關(guān)注。同時(shí)，在工程建設(shè)中，1000kV交流特高壓輸電線路的電磁環(huán)境是必須考慮的重大技術(shù)課題，已成為影響工程造價(jià)的重要因素之一。特高壓電磁環(huán)境影響問(wèn)題對(duì)線路導(dǎo)線的選擇起著決定性的作用，特別是對(duì)地面電場(chǎng)強(qiáng)度和可聽(tīng)噪聲的影響十分關(guān)鍵［1－2］。特高壓輸電線路的電磁場(chǎng)強(qiáng)度限值要求決定輸電鐵塔的高度和線路走廊寬度等，直接影響線路建設(shè)的成本［3－4］。

在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于工頻電場(chǎng)和工頻磁場(chǎng)的近地面計(jì)算模式和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)存在較大差異，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法的探討，有助于完善和提高其計(jì)算的精確度。

1 實(shí)測(cè)結(jié)果

皖電東送淮南至上海1000kV特高壓交流輸電工程西起安徽淮南，經(jīng)皖南、浙北到達(dá)上海，線路全長(zhǎng)656km，全線同塔雙回架設(shè)，線路塔基共1421座，導(dǎo)線為垂直排列，傘型布置，導(dǎo)線層間距20m，水平間距為15～20m，架空地線與上相導(dǎo)線的距離為14m。導(dǎo)線弧垂約20m(檔距500m)，地線弧垂約11m(檔距500m)，導(dǎo)線型號(hào)8×LGJ－630/45，分裂間距為400mm［1］。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選取兩基塔，塔間地形平坦開(kāi)闊，確定測(cè)量間距，間隔5m設(shè)置網(wǎng)格，測(cè)量網(wǎng)格點(diǎn)處的工頻電場(chǎng)和工頻磁場(chǎng)。圖1為工頻電場(chǎng)和工頻磁場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(其中，設(shè)定長(zhǎng)直導(dǎo)線所指方向?yàn)閤方向，而y方向則是地面上與x方向垂直的方向)等值線圖。

圖1 淮南至上海1000kV特高壓交流輸電線路工頻電場(chǎng)和工頻磁場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

從圖1可以看出，工頻電場(chǎng)與工頻磁場(chǎng)均有一個(gè)極值區(qū)域范圍，且最大值不在y=0的位置。

2 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果

根據(jù)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)導(dǎo)則－輸變電工程》的附錄中，對(duì)于高壓交流架空輸電線路下的工頻電磁場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算，其基本假設(shè)是輸電線是一條無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線且平行于地面的［6］。下面分別討論電場(chǎng)、磁場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算方法。

2.1 工頻電場(chǎng)

利用大地的良導(dǎo)體性質(zhì)，根據(jù)鏡像法計(jì)算輸電線上的等效電荷，為計(jì)算多導(dǎo)線線路中的等效電荷，可列出如下矩陣方程:

式中:U為各導(dǎo)線對(duì)地電壓的單位列陣;Q為各導(dǎo)線上等效電荷的單位列陣;λ為各導(dǎo)線的電位系數(shù)組成的m階方陣。

對(duì)于1000kV的輸電線路而言，所計(jì)算出的工頻電場(chǎng)是導(dǎo)線在地面投影(設(shè)其為x軸方向，豎直方向?yàn)閥方向，地面與之垂直的方向?yàn)閦方向)對(duì)稱的，其在z=0處時(shí)的地面電場(chǎng)強(qiáng)度最大，且電場(chǎng)強(qiáng)度沿著z軸衰減。

2.2 工頻磁場(chǎng)

工頻磁場(chǎng)具有準(zhǔn)靜態(tài)特性，線路的磁場(chǎng)僅由電流產(chǎn)生。在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，利用安培定律計(jì)算出磁場(chǎng)大小的方法如下:

式中:I為導(dǎo)線i中的電流值，A;h為導(dǎo)線與預(yù)測(cè)點(diǎn)的高差，m;L為導(dǎo)線與預(yù)測(cè)點(diǎn)的水平距離，m。

同樣的，據(jù)此方法所算出的磁場(chǎng)強(qiáng)度也關(guān)于x軸對(duì)稱。

3 電磁場(chǎng)的懸鏈線修正模型

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中所給出的50Hz工頻三相交流輸電線計(jì)算是按照理想情況下考量的，認(rèn)為重力效應(yīng)不予考慮，即電纜不會(huì)因?yàn)橹亓τ绊懚l(fā)生彎曲變成懸鏈線形式，此外，還假設(shè)電纜是無(wú)限長(zhǎng)的。并由此結(jié)合電像法基本原理，得出的空間電場(chǎng)分布不含x方向。1000kV特高壓交流輸電線路具有導(dǎo)線分裂數(shù)多、重量大，塔間距離遠(yuǎn)、導(dǎo)線弧垂低等特點(diǎn)，因此根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所給出的電場(chǎng)和磁場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果并不準(zhǔn)確，故我們需要尋找一種合理的方法來(lái)計(jì)算輸電線近地面附近的場(chǎng)強(qiáng)大小。

3.1 懸鏈線簡(jiǎn)介

兩端固定架設(shè)在線塔的輸電線在其自身重力作用下，中間部分會(huì)自然下垂，得到的形狀稱之為懸鏈線［7－8］。根據(jù)懸鏈線擬合后的修正方程為:

3.2 電場(chǎng)的懸鏈線修正算法

根據(jù)電動(dòng)力學(xué)中的唯一性定理，對(duì)于一個(gè)封閉的區(qū)域而言，已知封閉區(qū)域邊界上的電勢(shì)分布，則可以唯一的確定空間電場(chǎng)及電勢(shì)的分布［5］。根據(jù)電勢(shì)所滿足的泊松方程:

式中:ρ該點(diǎn)的電荷密度;ε0真空中的介電常數(shù)。

對(duì)于沒(méi)有電荷分布的區(qū)域，上述泊松方程變?yōu)槔绽狗匠?

3.3 磁場(chǎng)的懸鏈線修正算法

對(duì)于磁場(chǎng)而言，則可直接根據(jù)比奧－薩法爾－拉普拉斯定律利用差分法算出各個(gè)電流元在空間某點(diǎn)給出的磁場(chǎng)值，各電流元累積求和即得合磁場(chǎng)。

3.4 計(jì)算示例

根據(jù)電場(chǎng)的懸鏈線修正算法，可得豎直平面與水平地面電場(chǎng)分布見(jiàn)圖2。1000kV同塔雙回交流輸電線路磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況對(duì)比見(jiàn)圖3。

圖2 修正后的工頻電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

圖3 修正后的工頻磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

(1)通對(duì)比分析過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)電磁環(huán)境的測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)實(shí)際磁場(chǎng)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果存在較大差異。

(2)根據(jù)計(jì)算電磁學(xué)的基本理論唯一性定理和比－薩定律的差分格式，給出了懸鏈線修正下的工頻電磁場(chǎng)的數(shù)值模擬值，并與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相比較，得出懸鏈線修正下的電磁場(chǎng)計(jì)算結(jié)果優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

［1］羅超，查智明，姚為方.1000kV交流輸電線路噪聲的計(jì)算模式和減緩措施［J］.電力科技與環(huán)保，2015，31(1):5－7.

［2］張曉，陳稼苗，周浩，等.750 kV超高壓輸電線路電磁環(huán)境研究［J］.華東電力，2008，36(3):35－38.

［3］牛林，趙建國(guó)，李可軍.1000kV特高壓交流輸電線路工頻磁場(chǎng)分析［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2010，40(1):154－158.

［4］邵方殷.1000kV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.

［5］孔德武，徐瑋.電纜附件的電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.電線電纜，1997(3):7－10.

［6］趙吳鵬.高壓輸電線路工程電磁環(huán)境分析及改善措施［J］.能源研究與管理，2015(1):42－44.

［7］王長(zhǎng)昌.基于懸鏈線方程的跨接電纜長(zhǎng)度計(jì)算［J］.鐵道車輛，2013，51(6):4－6.

［8］姜廣智.懸鏈線方程在高壓架空輸電線路中的應(yīng)用［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2008，8(8):1960－1964.

Model of electromagnetic field calculation for 1000 kV UHV AC double circuit transmission line

1000kV UHV AC double circuit transmission line has some features such as high voltage level，multiconductor division，great weight，long distance between transmission line tower and lower wire sag.According to the theoretical calculation and field test，the rationality oftransmission line frequency electromagnetic field calculation from Environmental Impact Assessment Technology Guidelines－Power Transmission project are analyzed.After discussing the hypothesis on the frequency electronicand magnetic field calculation that each transmission line is considered as unlimited long line，the method with the Catenary Correct are optimized and some numerical simulation with the Uniqueness Theorem in Electrodynamicsand the law of Biot－Safar－Laplace have been done.Compared with the result between measured data and the calculation model，some improvements of UHV frequency electromagnetic field calculation are put forword.

UHV;catenary;uniqueness theorem;frequency electric field;frequency magnetic field

X591

B

1674－8069(2016)03－005－03

2015-11-20;

2016-01-13

羅超(1982-)，男，河南光山人，博士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏Νh(huán)境保護(hù)。E－mail:3035758@qq.com

國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司科技項(xiàng)目(5212051400D7)