特高压交流线路并行时的电场分布

李显鑫，谢辉春

(1.国网北京经济技术研究院，北京市 100052;2.中国电力科学研究院武汉分院，武汉市 430074)

0 引言

随着特高压电网的快速发展，高压线路走廊资源日益紧张［1-2］，不同杆塔架设的交流线路在同一走廊走向平行或近似平行的情况越来越多。计算和实测结果表明，750 kV及以下电压等级线路并行时，不同线路之间的电场虽然相互影响，但不会超出有关标准规定的环境限值;而1 000 kV交流线路自身的电场强度较高，当与其他超/特高压线路并行时，可能引起场强超过环境限值，进而对并行线路之间的距离、线路走廊、拆迁范围或障碍物处理等产生影响。因此，有必要对特高压并行线路的电场强度进行研究，为规范特高压工程的建设和运行提供技术支撑。

本文将对1 000 kV交流并行线路在典型塔头尺寸及标准对地距离条件下，线路的工频电场特性、场强分布规律、相互影响进行研究，并提出能够降低场强的相序布置方式及相关数值。

1 计算条件及其简化

1.1 导线、塔型等边界条件的简化

受地形、地质、气象、走廊、规划、输送容量、海拔高度要求等外界因素的制约，输电线路的塔型、塔高、绝缘子串型、串长等参数差别较大。以塔型为例，文献［3］中的750 kV线路共有177个塔型，目前在运的特高压交流单回线路塔型超过100个［4］。计算电磁环境需要确定塔头尺寸、对地高度、绝缘子串型与长度、气象条件、海拔高度等参数，因此，本研究结合工程实际情况，选取具有代表性的典型参数进行计算研究。

根据文献［5-6］中关于不同电压等级线路对地距离的规定，本文均以非居民区对地最低高度为标准进行研究。采用的典型塔头尺寸如图1所示，典型塔头尺寸对应的边导线到塔位中心的最大水平距离如表 1所示［3-4］。

1.2 交流输电线路电场强度的限值标准

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对于单条交流输电线路，文献［5-9］中规定:在居民区，线路临近民房时，房屋所在位置离地1.5 m处的最大未畸变场强不超过4 kV/m;对于一般非居民区，电场控制值为10 kV/m;对于交通困难地区，电场控制值的参考值为20 kV/m。国际非电离辐射防护委员会对工频电场的限值规定:职业环境为10 kV/m，公众环境为 5 kV/m［10］。

本研究将交流线路工频电场强度按2类进行划分，一类为居民点，其限值标准为4 kV/m(离地1.5 m处的最大未畸变场强);另一类为非居民点，其限值标准为10 kV/m。综合国内外标准，这种分类建议偏差较大，但减少了不确定性，在实际工程建设中也能合理降低工程建设成本。

2 电场分布的计算

2.1 电场强度的计算模型

目前，工频电场数值计算方法主要有以下4种，即作为边界分割法的表面电荷密度法［11］、模拟电荷法［12-13］、作为场域分割法的有限差分法［14］、有限单元法［15-18］等。表面电荷密度法和模拟电荷法与有限差分法和有限单元法相比具有如下优点［19］:

(1)无需封边，可以避免因封边引入的误差;

(2)使计算问题的维数降低1维，可以用直接法求解方程组;

(3)能直接求解出场域内任意点的场强，无需用电位的数值微分求解，场强的计算精度较高。

模拟电荷法与表面电荷密度法相比具有如下优点:

(1)计算公式和程序简单;

(2)不存在奇点处理问题;

(3)电极表面附近的电场计算精度较高。

基于上述分析，本文采用模拟电荷法计算线路场强。模拟电荷法是在计算场域之外，设置n个称为模拟电荷的离散电荷来替代计算场域内待求的连续分布电荷，以等值替代前后的边界条件不变为前提条件，构建模拟电荷方程组，再利用叠加原理获得场域内任意一点的电位与场强。采用模拟电荷法时，将输电线路视为无限长并行于地面，并把地面视为良导体，用单根导线等效替代分裂导线。

2.2 工频电场的实测数据与计算值

对我国1 000 kV晋东南—南阳—荆门特高压交流线路进行了工频电场强度实测，监测地点位于南阳—荆门段Ⅰ回线路的502～503号杆塔档距中央。

将工频电场计算值与测试结果对比，其分布曲线如图2所示。由图2可知，采用模拟电荷法的计算结果与实际结果拟合较好，虽然在距线路中央20 m处计算结果偏于保留，但是对环境保护有利。

图2 1 000 kV南荆Ⅰ线猫头塔电场强度实测值与理论值Fig.2 Measured value and theoretical value of electric field strength of 1 000 kV Nanjing No.I cat head tower

2.3 交流线路并行时的线下电场分布

并行线路的相序排列如图3所示。

本文以2条单回500 kV并行线路为例，布置方式为abc—abc，分析不同高度和线路间距对电场强度的影响。

(1)2条线路高度均较低时(36 m)，地面横向电场强度分布如图4所示。

地面横向电场强度分布随线路间距的变化如图5所示。

2条线路间的电场强度最小值随间距的变化如图6所示。

由图5～6可见，当2条线路高度均较低时，即使2塔的间距较小(如30 m)，线路对地面1.5 m处的场强影响仍然较小，设计时可忽略此影响。一般情况下，在2条线路间位于线路横断面和地面附近的电场强度分布呈“U”型曲线，并且随间距的增加而衰减较快;2条线路间距越小，电场强度的相互影响越明显。

图6 线下最小电场与分布间距的关系Fig.6 Relationship between the minimum electric field and distribution space

(2)当2条线路高度均较高时(54 m)，如果2塔间距较小(如30 m)，则线路对地面电场有略微影响，在2条线路间位于线路横断面和地面附近的电场强度分布呈“^”型曲线;间距增大后，在2条线路间位于线路横断面和地面附近的电场强度分布呈“U”型曲线;2条线路间距越小，电场强度的相互影响越明显。

(3)当2条线路高度相差较大时，即使2塔的间距较小，线路对地面1.5 m处的电场影响仍然较小，可以不用考虑;一般间距下，2条线路间的电场强度横向分布呈“√”型曲线;高线路对矮线路侧的地面电场强度影响不明显。

对不同电压等级的单、双回线路并行工况计算后，得到如下结论:

(1)2塔间距越小，线路对塔间电场强度的影响越明显。

(2)即使2塔间距很小(如500 kV线路取30 m，1 000 kV线路取60 m)，线路对地面1.5 m处的场强影响也非常小，工程设计时可以忽略。

(3)当2条线路高度相差较小时，在2条线路间的带状区域内，线路横断面、地面附近的电场强度分布呈“U”型曲线，或随线路间距的加大由“^”型曲线变化至“U”型曲线。

(4)当2条并行架设线路高度相差较大时，2塔间的电场强度横向分布呈“√”型曲线。

(5)与单条线路相比，2条线路并行时线路间的电场强度可能受到削弱或加强，这与另一条线路的高度有关，在适当的相序排列方式下，可以使该区域的电场强度比单条线路时更小。

2.4 交流特/超高压线路并行时的电场强度

以各塔对应于非居民区的最低高度进行，1 000 kV线路与其他线路的间距最小为12 m。

(1)交流1 000 kV单回线路—交流1 000 kV单回线路，此时地面横向电场分布如图7、8所示。

由图7可知，2条线路的相序排列方式为abc-abc时，线下场强不超过10 kV/m的最小间距为44 m;当线路间距不小于65 m时，2条线路间的场强才出现小于4 kV/m的点。

由图8可知，2条线路的相序排列方式为abc-cba时，线下场强不超过10 kV/m的最小间距为78 m;当线路间距不小于105 m时，2条线路间的场强才出现小于4 kV/m的点。

(2)交流1 000 kV单回线路—交流1 000 kV双回线路。

当相序排列为cba-abc和cba时，线下场强不超过10 kV/m的最小间距为44 m;当线路间距不小于62 m时，2条线路间的场强才出现小于4 kV/m的点。

(3)交流1 000 kV单回线路—交流500 kV单回线路，此时地面横向电场分布如图9所示。

由图9可知，当相序排列为abc-abc时，线下场强不超过10 kV/m的最小间距为39 m;当线路间距不小于52 m时，2条线路间的场强才出现小于4 kV/m的点。

当相序排列为 abc-cba时，线下场强不超过10 kV/m的最小间距为77 m;当线路间距不小于81 m时，2条线路间的场强才出现小于4 kV/m的点。

图9 相序排列方式为abc-abc和cba时的地面横向电场分布Fig.9 Ground transverse distribution of electric field when phase arrangement is abc-abc＆cba

(4)交流1 000 kV单回线路—交流500 kV双回线路。

当相序排列为abc-abc和cba时，线下场强不超过10 kV/m的最小间距为54 m;当线路间距不小于69 m时，2条线路间的场强才出现小于 4 kV/m的点。

当相序排列为cba-abc和cba时，线下场强不超过10 kV/m的最小间距为39 m;当线路间距不小于40 m时，2条线路间的场强才出现小于4 kV/m的点。

(5)交流1 000 kV双回线路—交流1 000 kV双回线路。

线下场强不超过10 kV/m的最小间距为44 m;当线路间距不小于59 m时，2条线路间的场强才出现小于4 kV/m的点。

线下场强不超过10 kV/m的最小间距为70 m;当线路间距不小于88 m时，2条线路间的场强才出现小于4 kV/m的点。

(6)交流1 000 kV双回线路—交流500 kV单回线路。

当相序排列为abc和cba-abc时，线下场强不超过10 kV/m的最小间距为63 m;当线路间距不小于73 m时，2条线路间的场强才出现小于4 kV/m的点。

当相序排列为abc和cba-cba时，线下场强不超过10 kV/m的最小间距为39 m;当线路间距不小于49 m时，2条线路间的场强才出现小于4 kV/m的点。

(7)交流1 000 kV双回线路—交流500 kV双回线路，此时地面横向电场分布如图10、11所示。

当相序排列为abc和cba-abc和cba时，线下场强不超过10 kV/m的最小间距为38 m;当线路间距不小于40 m时，2条线路间的场强才出现小于4 kV/m的点。

当相序排列为abc和cba-cba和abc时，线下场强不超过10 kV/m的最小间距为51 m;当线路间距不小于65 m时，2条线路间的场强才出现小于4 kV/m的点。

2.5 线路走廊宽度

经计算可以发现，在1 000 kV电压等级的特/超高压线路并行条件下，当2条线路的相邻相非同相序时，线下场强及需要的走廊宽度最小;线下电场满足10 kV/m场强限值时的最小线路间距及对应的走廊宽度如表2所示。

3 结论

(1)按照模拟电荷法计算交流特/超高压线路并行时的工频电场强度，计算结果与实测值吻合，能够运用于相关工程设计。

(2)2条并行交流线路之间的电场相互影响，线路间距越小则影响越明显，但其影响效果较小，工程设计时可以不予考虑。

(3)当2条并行线路的高度差较小时，在线路间位于线路横断面及地面附近的电场强度分布呈“U”型曲线，或随线路间距加大，场强分布曲线从“^”型变化为“U”型。

表2 并行线路满足10 kV/m场强限值时的最小间距和走廊宽度Tab.2 The minimum tower space and corridor width of parallel lines with electric field strength satisfying 10 kV/m limit of non-residential areas

(4)当2条并行线路的高度差较大时，在通常间距下，线路间位于线路横断面及地面附近的电场强度分布呈“√”型曲线。

(5)与单条线路相比，2条并行线路间的电场强度可能削弱或加强，这与线路的高度有关，在适当的相序排列方式下，可以使线路间的电场强度比单条线路时更小。

(6)1 000 kV电压等级的特/超高压线路并行时，当2条线路的相邻相为非同相序时，线下场强及需要的走廊宽度最小。但此规律仅是由场强限值决定的相序排列规律，如存在可听噪声等其他环境因素影响时，则有可能不同。

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