超特高压同塔4回输电线路工频电场强度的计算

周宏威， 张少如， 岳 琪

(东北林业大学 a. 机电工程学院， b. 信息与计算机工程学院， 哈尔滨 150040)

超特高压同塔4回输电线路工频电场强度的计算

周宏威a， 张少如a， 岳 琪b

(东北林业大学 a. 机电工程学院， b. 信息与计算机工程学院， 哈尔滨 150040)

通过对输电线路适当等效建模，应用模拟电荷法在输电线内部设置模拟线电荷，计算了超特高压同塔4回线路的导线表面电场强度和距地面1.5m处的工频电场强度，并与目前的特高压双回鼓型塔、单回猫头塔、单回酒杯塔和单回紧凑塔进行比较。结果表明，同塔4回线路的导线表面电场强度不高于其他塔型，同时地面工频电场强度要明显小于其他塔型。其理论依据为同塔的500kV导线屏蔽了1000kV导线在地面方向的大部分电场。

特高压； 同塔四回； 电场强度； 模拟电荷法

同塔多回路在国际上应用比较普遍，尤其是在经济发达且人口密集的国家和地区。这些地区由于土地资源紧缺，线路走廊的投资占工程总投资的比重较大，同塔多回路的应用已非常广泛。近年来日本的电网架设多采用同塔2回超高压(330～765kV)和2回高压(35～220kV)线路的模式，如上面架设2回500kV线路、下面架设2回154kV或66kV线路等。德国由于人口密度高、工业发达、输送容量大、线路走廊紧张，也使用多回路杆塔。他们不仅有2回400kV与2回110kV 的同塔4回路线路，以及400kV同塔4回路线路，还有2回400kV、2回220kV和2回110kV 的同塔6回路线路。此外，美国也使用过3回345kV同塔的多回路线路。但国外均未架设包含特高压(1000kV及以上)的同塔多回输电线路。2011年1月，中国完成了首个双回 1000kV 与双回500kV同塔并架的同塔4回路钢管塔(简称四回塔)的全部真型试验项目。迄今为止，该四回塔是中国乃至世界上应用于一般线路工程的最高输电铁塔，是我国输电技术研究的重要突破，水平位居世界前列[2]。

由于同塔4回线路通常深入到人口密集地区，线路附近的房屋、通信等设施众多，对其电磁环境影响的研究尤为重要，计算线路产生的电场对研究输电线路电磁环境具有重要指导意义。文献[3-4]中应用镜像法和静电理论计算分析了330kV 和500kV同塔4回输电线路的工频电场，并且分析了电磁环境影响，其结果可满足一般精确度要求。

本文使用更为精确的模拟电荷法计算1000kV特高压和500kV超高压同塔4回输电线路的工频电场，并与目前广泛使用的单回、双回典型塔输电线路电场进行比较，给出相应的物理解释。

1 计算方法

由于模拟电荷法(Charge Simulation Method，CSM)对形状简单、规则的物体进行电场计算具有较大优势，故成为目前计算输电线路产生电场的典型方法。其计算原理是基于电磁场的唯一性定理，将电极表面上连续分布的自由电荷或介质分界面上连续分布的束缚电荷用一组离散化的模拟电荷予以等值替代，在已知电位的电极上设定与模拟电荷数目相等的匹配点，应用叠加原理建立矩阵方程，求解得到各模拟电荷的值，再应用叠加原理得到场域中任意点的电位和电场[5-7]。

(1)

由此可得相应的电位系数为

(2)

该模拟线电荷及其镜像在P点产生的场强矢量E可通过求该点电位梯度的负值得到，相应的场强系数为

(3)

设场强沿x、y轴方向的两个分量分别为Ex、Ey，将场强系数与相应模拟线电荷密度相乘，叠加后分别得出x、y轴方向上的分量为

式中，ExR、EyR分别为Ex、Ey的实部；ExI、EyI分别为Ex、Ey的虚部。

Ex和Ey的模为

它们的初相角为

由于Ex和Ey的初相角不同，不会同时达到最大值，故需要在时域对其瞬时值叠加，计算求得电场最大值为

2 计算模型

2.1输电线路物理模型简化

为方便计算与分析，对输电线路模型作如下简化处理：

(1) 虽然输电线周围的电场是正弦交变电场，但就某一时刻来看，其与静电场性质相同，故采用静电场方法计算输电线电场的瞬时值；

(2) 设大地是无限大导体面，则电位为零；

(3) 由于高压输电线路的输送距离较长，为简化计算，忽略端部效应和弧垂，将输电线视为无限长直平行导线，并取输电线弧垂的最低点为导线的离地高度，其产生的电场为平行平面场[9-10]。

2.2线路参数

1000kV/500kV同塔4回线路的几何排列如图1所示。图中，G1、G2为地线，其余为相导线，其中，1、2两回为特高压输电线，3、4两回为超高压输电线。地线型号为JLB20A-240，地线直径φ20mm；特高压导线型号LGJ-630/45，8分裂，分裂间距400mm；超高压导线型号LGJ-400/35，4分裂，分裂间距400mm[11]。中国的高压线路地面电场阈值，以地面1.5m高处电场强度不超过4kV/m 作为评价标准[12]。

图1 线路的几何结构Fig.1 Geometric structure of the line

3 计算结果及分析

目前，特高压交流工程普遍采用单回猫头塔和单回酒杯塔[13]。紧凑塔在提高输电效率和压缩输电线路走廊宽度等方面具有独特优势，是今后我国特高压输电技术发展的方向之一[14]。特高压双回鼓型塔在“皖电东送”淮南—上海的1000kV 输电线路工程中被大量应用[15]。本文通过对输电线路电场的计算，对特高四回塔、交流特高压单回猫头塔、单回酒杯塔、单回紧凑塔和双回鼓型塔进行比较。

3.1导线表面工频电场强度

在每根分裂导线圆周表面每隔6°取点，比较一根导线上所有点的场强Eθ(θ为导线表面圆周角度)，得到单根导线场强的最大值Eθmax。比较5种塔型的相导线的Eθmax，如表1所示。表中，四回塔的表面电场A2B2C2与A1B1C1相同，A4B4C4与A3B3C3相同，双回塔的表面电场A2B2C2与A1B1C1相同，不再列举。分析表1数据可知，四回塔的B3相导线场强要明显大于同塔其他各相导线；双回鼓型塔的相导线场强要略大于单回猫头塔和单回酒杯塔；单回紧凑塔的导线场强要比其他各塔型的相导线场强大约25%。产生这种结果的主要原因是由相导线距离决定的，相导线距离越小，导线场强越大。导线表面场强可用于计算可听噪声和无线电干扰。

表1 5种塔型的相导线Eθmax比较

3.2线路下方距离地面1.5m处工频电场强度

在线路下方距地面1.5m处的水平线上以杆塔为中心60m半径范围内，每隔1m取点，比较5种塔型在地面的电场强度如图2所示。按地面场强小于4kV/m的标准确定输电走廊宽度，5种塔型的线路最低点高度、地面最大电场强度和输电走廊宽度如表2所示。

图2 地面上1.5m高度电场强度Fig.2 Electric field intensity at 1.5m above the ground

表2 5种塔型的地面电场数据比较

由图2和表2可见，四回塔在整个测量区域的地面电场几乎都小于其他塔型，为最优选择；其次是单回紧凑塔，其地面电场在大部分区域明显小于除四回塔外的其他塔型；出现地面最大场强的是单回猫头塔；输电走廊最宽的塔型是单回酒杯塔。

出现上述结果的主要原因是四回塔的输电线位置分布，其上面是2回1000kV导线，下面是2回500kV导线。500kV导线屏蔽了1000kV导线在大地方向的大部分电场，故地面电场主要由500kV 导线产生；而其他4种塔型的地面电场均由1000kV导线产生，故四回塔既可以输送特高压，又具有地面电场小，输电走廊窄等其他特高压塔型无法比拟的优势。

4 结 论

本文研究了同塔四回超特高压输电线路的工频电场，包括导线表面电场和地面高度1.5m处电场。与特高压单回猫头塔、单回酒杯塔、单回紧凑塔和双回鼓型塔比较后，得到如下结论：

(1) 从导线表面电场的计算结果可见，四回塔塔型较比其他各种特高压杆塔的导线表面电场强度要小。

(2) 在保持线路最低点高度相同，甚至更低的情况下，四回塔在地面产生的电场要小于其他各种塔型，按地面场强小于4kV/m的标准确定输电走廊，四回塔节省走廊宽度的优势更为明显。

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Calculation of Electric Fields of EHV/UHV Transmission Lines with Four Circuits on the Same Tower

ZHOUHongweia,ZHANGShaorua,YUEQib

(a. College of Mechanical and Electrical Engineering, b. College of Information and Computer Engineering, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

After modeling a transmission line with double 1000kV circuits and double 500kV circuits on the same tower, electric field intensity on the wire surface of the 4 EHV/UHV circuits and the filed at 1.5m above ground are calculated. By setting charges in the transmission lines with a charge simulation method, the current UHV double circuits drum power, single circuit cathead tower, single circuit glass tower, and single circuit compact tower are compared with this four circuit transmission lines. The results show that the electric field intensity on the transmission line surface of the circuits is no higher than the other towers. Meanwhile, the power frequency electric field intensity on the ground is clearly less than the other towers. The theoretical basis is that 500kV wires on the same tower shield the majority of electric field in the ground direction of the 1000kV wires.

ultra-high voltage; four circuits on the same tower; electric field intensity; charge simulation method

2095-0020(2013)05 -0268-04

TM 751

A

2013-05-10

黑龙江省自然科学基金项目资助(QC2012C055)；中央高校基金项目资助(DL12BB02)；东北林业大学大学生科研训练项目资助(2012068)

周宏威(1982-)，男，工程师，博士生，主要研究方向为智能控制和数值计算，E-mail:hotid@126.com

岳 琪(1968-)，女，教授，博士，主要研究方向为人工智能及智能控制，E-mail:easyid@163.com