同塔多回输电线路的工频电场

杨秀，王瑞霄，齐琳，孟璐，安军利

（1.上海电力学院电力与自动化工程学院，上海200090;2.天津市城南供电分公司，天津300201; 3.河南省郑州市供电局，河南郑州450000;4.山西鲁能河曲发电有限公司，山西河曲 036500）

随着我国电力工业的发展及城市电网的改建，220 kV和110 kV变电站（所）由城市郊区逐渐迁建到市区，超高压输电线路不可避免地进入了城镇，同时人们对自身所处环境质量的保护意识不断增强，导致输电线路引起的环境投诉与纠纷越来越多.输电线路下的地面电场是电磁环境测评的重要参数.因此，仿真分析输电线路下的场强分布，研究降低线路下场强的方法对输电线路的正常架设运行非常重要.

同塔多回输电线路占地少、输送容量大，有助于缓解输电走廊紧张的现状.但相对于常规的单回输电线路，同塔多回线路的导线布置更复杂、电场畸变更严重［1-5］.笔者以上海市南电力公司正在建设中的长兴-步泾变电站间的输电线路作为研究对象，对同塔多回线路检修作业时的电场强度进行了仿真分析，并对工作人员的防护措施提出了切实可行的建议.

1 输电线路下工频电场的研究现状

目前，输电线下工频电场的计算方法主要有等效电荷法、模拟电荷法、矩量法、有限元法等.等效电荷法是最基本的计算方法，适用于未畸变的输电线路工频电场的计算，尤其是靠近地面的电场强度的计算.模拟电荷法可计算输电线附近有避雷线或建筑物时的电场分布情况，以及输电线路铁塔附近的电场分布，但对复杂地面边界条件下，模拟电荷的个数和位置较难确定.通过矩量法求解电位积分方程，可以计算考虑导线弧垂时的电场分布，并提高计算精度.有限元法适用于各种含有复杂媒质和不同几何边界条件问题的数值分析，考虑了输电线路中的任意塔型和导线布置，并可以得到空间中任一点的电场强度数值解.

国内外的科研工作者对输电线路周围的工频电场进行了大量的研究.文献［1］基于等效电荷法对不同条件220 kV架空线下的电场强度进行了计算，评估了现有220 kV架空线对环境的影响，但没有考虑同塔多回线路横担附近的电场强度，即没有考虑检修人员作业时所处的电磁环境.文献［2］对500 kV同塔四回线路3种典型塔型的电位，以及进入过程中人员体表的电场强度进行了测量，并分析了电场强度的分布规律.

2 同塔多回线路的塔型和线路参数

上海市南供电公司将在长兴至步泾变电站间架设2条架空线：220/110 kV四回路和110/35 kV四回路.该工程使用了12种杆塔，包括11种四回路杆塔，1种双回路杆塔.由于杆塔类型对工频电场的影响不大，因此选取两种典型的杆塔作为研究对象，分别为：110/35 kV四回路转角终端钢管杆110JG4sbdg，110 kV双回路转角终端钢管杆110JG2sdg-18.

图1给出了同塔双回路、四回路输电线路的塔型及导地线空间位置.两种塔型最上方的两根导线均为避雷线.同塔四回杆塔的110 kV线路在上方，35 kV线路在下方.由于杆塔左右两侧的导线是对称分布的，图1中只给出了左侧导地线的空间位置，右侧导地线的位置与之对称.110 kV和35 kV导线分别采用LGJ-400/35型和LGJ-150/25型.110 kV和35 kV输电线路的导线等效半径分别为0.013 4 m和0.003 5 m.

图1 同塔双回路、四回路输电线路的塔型示意

3 同塔多回输电线路建模

如果忽略弧垂的影响，计算输电线路附近的电场强度就可以转化为一个二维电场的计算问题，只需要研究输电线路横截面所在平面上的电场强度分布情况，其仿真模型如图2所示.

图2 同塔四回输电线路仿真模型

为了计算场域，对输电线路及其周围的空气模型采用四边形单元进行剖分，剖分示意如图3所示.设半圆的边界为无穷远处，即电压为零.单元类型选二维8节点四边形单元PLANE121;空气的相对介电常数取1，电阻率取1.015×105Ω· m;输电线路的电阻率取2.84×10－8Ω·m.

图3 输电线路及其周围空气剖分示意

4 同塔多回线路工频电场仿真分析

4.1 同塔多回线路线下的电场强度

针对图1所示的两种典型杆塔，研究同塔双回、四回线路在不同排列方式下线下电场强度的分布.其中，同塔双回线路的逆序方式为ABCCBA，同塔四回线路的逆序方式为ABCABCabccba，同序和逆序排列方式下距地面1.5 m处的电场强度分布分别如图4和图5所示.

图4 同塔多回线路同序排列时的电场强度分布

由图4可以看出，同塔双回、四回线路同序排列时距线下地面1.5 m处的电场强度分布规律一致，均为对称分布，电场强度随着仿真点与线路间距离的增大而衰减，且距离线路越近衰减幅度越大，同塔双回、四回线路的电场强度最大值分别为675.034 V/m和274.191 V/m.

图5 同塔多回线路逆序排列时的电场强度分布

由图5可以看出，同塔双回、四回线路逆序排列时电场强度的分布不对称，其电场强度最大值分别为408.63 V/m和118.177 V/m，降低了39.5%和56.8%，可见逆序排列可以明显减小输电线路的电场强度.这是由于同序排列时同一层横担的两相导线电位相同，它们与地面电场强度起到了互相增强的作用;逆序排列时有两层横担的导线相位不同，它们与地面电场强度起到了互相削弱的作用.因此，采用逆序排列方式是降低线下场强的一种有效措施.

4.2 同塔多回线路横担附近的电场强度

针对110 kV同塔双回路塔型，当右回路停电、左回路运行时，杆塔横担水平面上的电场强度分布如图6所示.

由图6可知，停电线路横担附近的电场强度远小于运行线路横担附近的电场强度，距地面25.8 m，21.9 m，18 m的横担附近最大电场强度分别为14 730 V/m，2 111 V/m，2 921.4 V/m.

文献［2］提出，在实际测量中，在下、中相横担端部作业的人员体表电场强度较大，头部会形成尖端畸变点，该点的电场强度比其他部位高出数倍.其原因是中、下相横担端部与两相带电导线的垂直距离较近，同时人体尖端部位使该处的空间电场发生了严重畸变.通过仿真分析在下、中相横担作业的工作人员头部近似位置19.76 m处和23.66 m处的电场强度（人体身高取1.76 m），得出运行线路侧在下、中相横担端部可以取得最大电场强度分别为3 961 V/m和12 276 V/m，这与实际测量结果一致.而停电线路侧在距离运行线路最近处可以取得的最大电场强度分别为2 052.4 V/m和4 434.2 V/m.

图6 右回路停电左回路运行时杆塔横担水平面上的电场强度

由上述分布规律可知，工作人员在停电线路上作业比带电检修时感受到的电场强度小，但在头顶或者水平、垂直伸出手臂时的指尖等尖端处容易发生畸变，因此要根据实际情况采取防护措施;在同塔多回线路带电检修作业时，若作业人员处于下、中相横担端部处，其体表容易形成较强的畸变电场，应注意进行电场防护，如穿着静电防护服（包括导电鞋）或屏蔽服进行作业.

4.3 采用屏蔽线的输电线路线下的电场强度

在110 kV同塔四回塔型的下相导线下对称架设两根屏蔽地线，位置在相导线下方3 m处，对同序、逆序排列时的电场强度分别进行计算，无屏蔽线和有屏蔽线时输电线路线下1.5 m处的电场强度分布如图7和图8所示.

可以看出，同塔四回线路同序排列时电场强度对称分布，未采用屏蔽线时最大电场强度为274.191 V/m，采用屏蔽线后最大电场强度为182.883 V/m，降低了33.3%.同塔四回线路逆序排列时最大电场强度由118.177 V/m降低至93.315 V/m，降低了21%.

另外，屏蔽线的数量和排列方式对屏蔽线的效果会产生较明显的影响，因此工程中需要根据实际条件进行计算优化以确定架设方式［6］.例如，福建某500 kV架空线工程中，采用了线下架设屏蔽线的方案，使线下电场强度降低了约35%，与仿真计算情况基本吻合［7］.

图7 同塔四回线路同序排列时的电场强度分布

图8 同塔四回线路逆序排列时的电场强度分布

5 同塔多回输电线路仿真结果评价

依据HJ/T24－1998《500kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》，国内的公众工频电场曝露限值为4 kV/m.根据国内对工频电场曝露限值标准，评估输电线路对电磁环境的影响，并分析同塔多回输电线路塔上作业时防护方法，可以得出以下结论.

（1）110 kV同塔双回线路同序排列时距地面1.5 m处的电场强度大于逆序排列，同序排列时的最大电场强度为675.034 V/m，远小于工频电场曝露限值，且随距离衰减的趋势很明显.

（2）110/35 kV同塔四回线路同序排列时距地面1.5 m处的电场强度大于逆序排列，同序排列时的最大电场强度为274.191 V/m，远小于工频电场曝露限值，且采用悬挂屏蔽线的方式可以明显降低线下电场强度，对电磁环境的影响更小.

（3）110 kV同塔双回线路右侧线路停电，左侧线路正常运行时，在停电线路距地面25.8 m的横担上作业的工作人员感受到的最大电场强度为14 730 V/m，超过了曝露限值，因此需要穿屏蔽服或者采取其他防护措施.而在停电线路中、下相横担上作业的工作人员感应的电场强度在曝露限值内.在运行线路中相横担上作业的工作人员需要采取防护措施，否则强电场会使人体产生不适感，引发二次事故从而造成人员伤亡.由于人体的尖端部位会引起电场畸变，因此更详细的仿真结果需要考虑人体模型.

6 结论

（1）110 kV同塔双回输电线路及110/35 kV同塔四回输电线路线下工频电场强度没有超过有关的标准限值;

（2）不同相序排列方式对电场强度有较大影响，应尽可能采用逆相序排列方式;

（3）工作人员在横担上作业时，需根据具体情况采取防护措施，在中、下相横担端部作业时要加强电场防护;

（4）可采用屏蔽线来降低线下电场强度，在工程实际中必须通过计算来选择屏蔽线的悬挂位置及数量.

［1］孟毓，张永隆，肖鑫鑫.上海地区典型220 kV架空线线下场强的研究［J］.电网技术，2010，34（6）：38-43.

［2］陆景德，刘凯，周腾，等.500 kV同塔四回线路检修作业电场强度水平与防护的研究［J］.华东电力，2010，38（1）：101-105.

［3］刘俊，林皋，李建波.超高压输电线路工频电场分析的比例边界有限元方法［J］.水电能源科学，2011，29（3）：155-158.

［4］胡毅，张俊兰，张辉荣，等.500 kV同杆双回线路塔上作业人员体表场强的测量研究［J］.中国电力，1999，32（1）：53-55.

［5］舒海莲，杨秀，陈伟荣，等.同杆并架多回输电线路工频电场研究［J］.华东电力，2010，38（11）：1 721-1 724.

［6］孟毓.采用屏蔽线降低线下场强的研究［J］.电力建设，2008，29（5）：30-33.

［7］蒋虹，焦景慧，林志和，等.超高压线路工频电场超限值对策的研究［J］.高电压技术，2006，32（8）：56-58.

（编辑白林雪）