500kV同走廊并行交流输电线路工频电场的仿真计算研究

通讯作者：邹岸新(1985—)男，硕士，研究方向为电网电磁环境及噪声控制技术等，E-mail：331501253@qq.com

500 kV同走廊并行交流输电线路工频电场的仿真计算研究

徐禄文1，邹岸新1，陈建明2

(1.国家电网重庆市电力公司电力科学研究院， 重庆401123； 2.国家电网重庆市电力公司信息通信分公司， 重庆401128)

摘要：为掌握同走廊并行交流输电线路工频电场分布状况，建立了基于模拟电荷法的工频电场仿真计算模型，并利用实测数据进行了校验。结合重庆地区拟建的某500 kV同走廊并行交流输电线路，开展了两并行线路间距和相序对线下工频电场影响的仿真分析：ABC/CBA//ABC/CBA相序排列时，并行线路走廊中间两回的电场强度较边上两回有一定程度的降低，降低程度随着间距的增大而减小，当间距增大到一定程度时其影响可以忽略；不同相序对并行线路走廊中间的电场强度影响较为明显，在实际工程中，可以根据线下敏感点的位置选择CBA/ABC//ABC/CBA或ABC/ ABC// CBA/ CBA相序排列，从而确保其更好地满足环保要求。

关键词：同走廊并行；交流；工频电场；计算

作者简介：徐禄文(1968—)，男，高级工程师，本科，研究方向为电网电磁环境和噪声工程控制等，E-mail：326810270@qq.com

中图分类号：X837

DOI: 10.14068/j.ceia.2015.04.020

随着我国经济的快速发展，以及用电负荷的持续增长，原有的输电线路无法满足日益增长的电力输送需求，今后一段时间需要建成更多的输电线路[1-2]。与此同时，土地资源有限，使得输电走廊的获得越来越困难，将会出现更多交流输电线路同走廊并行的情况。由于并行线路的走廊更宽，避开居民区或敏感点的能力更差，甚至会出现将居民区或敏感点夹在两并行线路的中间的现象[3-5]。因此，同走廊并行线路由此所引起关注度及牵涉的环保问题可能更多，人们担忧会出现因叠加而工频场强的出现严重超标，影响周边环境[6-10]。本文旨在通过仿真建模计算，分析探讨同走廊并行交流输电线路工频电场(因输电线路不存在工频磁场超标问题)分布规律与影响因素，为工程规划、设计与建设提供技术参考，确保电网更加绿色环保，促进经济健康高效发展与社会的和谐稳定。

1计算与校验

1.1　计算方法

输电线路工频电场的计算采用基于线电荷的模拟电荷法[1-2]。将空间中的导线分为若干个有限长线段，每一线段用线性模拟电荷等效，如图1所示。这些线性模拟电荷参数通过以下公式给定：

(1)

式中，L为线性模拟电荷长度；u的取值范围是[0，L]；l=x2-x1；m=y2-y1；n=z2-z1。将其进行坐标转换，使u成为线性电荷的局部坐标。则线性电荷密度σ可以表示为：

τ(u)=au+b

(2)

图1　线性模拟电荷的计算示意 Fig.1　The schematic diagram of liner charge simulation

式中，a、b为待定常数。经推导，可得此线性电荷在P点产生的电场强度为：

式(3)、(4)、(5)中，τ1、τ2分别为P1和P2点的电荷密度，本文假设将线性电荷视为常线电荷，则τ1=τ2=b；A=aL；B=b；E=l2+m2+n2；F=-2[l(x-x1)+m(y-y1)+n(z-z1)]；G=(x2-x1)2+(y2-y1)2+(z2-z1)2。计算时，先将线路和等效模型划分为多个线段，并对大地作镜像，求出每段线性电荷在各匹配点产生的电位系数，再根据已知的边界条件建立如下矩阵方程：

[P][Q]=[φ]

(6)

式中，P为电位系数矩阵；Q为待求电荷列向量；φ为匹配点电位列向量。解式(6)就可求得各段常线性电荷的模拟电荷量，再根据叠加原理，计算出空间任意一点3个方向上的电场强度Ex、Ey和Ez，进而可求出该点的总工频电场幅值。

1.2　结果验证

选择某一实际的500 kV同塔双回输电线路，导线为4×LGJ-400/35 型钢芯铝绞线，子导线按方形四角布置，分裂间距450 mm，相序排列方式为ABC/CBA。以导线最低点为参考高度(离地14 m)，在垂直于导线走向的方向上建立计算模型，仿真计算该路径的工频电场，并与实际测量数据进行对比，测试结果和计算结对比情况如图2所示。从图中可以看出，除个别测点外，测试值和计算值吻合较好，考虑到测试过程中的环境条件、测试仪器自身误差等影响，可以认为该计算模型和计算方法是有效的，可以应用于实际线路的计算分析。

图2　测试值与计算值对比 Fig.2　The comparison between measured value and calculated value

2仿真分析

为仿真分析同走廊并行交流输电线路工频电场，结合某拟建500 kV线路建立了仿真分析模型，如图3所示，两并行线路的塔型均为5E3-SJC1，如图4所示。按照《110～500 kV架空送电线路设计技术规程》(DL/T 5092—1999)的要求，导线经过居民区时，对地最小距离为14 m。本文计算中B相对地高度H取25 m，上、下两相的垂直距离分别为H+11.5 m和H-11 m。上、中、下三相及避雷线距塔中心线的水平距离分别为8.2 m、11.5 m、9.7 m、11.985 m；导线为6分裂，半径为0.013 4 m， 分裂导线间距为0.45 m。

论文计算的电场分布均为离地1.5 m高，仿真时取档距的中间部分，忽略了铁塔的影响。

图3　仿真计算建模图 Fig.3　The modeling of simulation calculation

2.1　两并行线路间距的影响分析

首先仿真分析两并行线路间距(塔间距)变化时工频电场的分布规律。两并行线路相序排列从左至右为ABC/CBA//ABC/CBA。两并行线路中间相邻两回的最近水平距离L(如图4所示)分别为23 m、33 m、43 m、48 m时离地1.5 m的水平面电场分布如图5～图12所示，其中图5、图7、图9、图11为不同水平距离L时的电场分布俯视图，图6、图8、图10、图12为对应的路径(接收点1—2连线)的电场分布图。

从图5～图12中可以看出：两并行线路走廊中间的电场强度由于受到彼此的影响而有一定程度的降低，降低程度随着间距的增大而减小。通过图5、图7、图9、图11的对比，明显地看出间距L为23 m时，边上两回下方颜色呈红色，电场较大，而中间两回路下方颜色呈黄色，电场相对较小；随着间距L逐渐增大，中间两回路下方颜色由黄色逐渐变成红色，电场逐渐增大，当间距L为48 m时，中间两回路与边上两回路下方电场分布基本上接近。通过图6、图8、图10、图12的对比，也能充分反映电场分布的这一变化规律。

2.2　两并行线路相序排列的影响分析

相序对输电线路地面的电场分布影响较大。对于同走廊并行的交流输电线路而言，相序排列方式有多种。相关研究资料表明:正相序下方电场最大，而逆相序电场最小，其他排列方式电场分布介于二者之间[13-17]，因此，本文对三种典型相序排列方式进行仿真分析，以便为实际线路途径敏感点时的设计提供参考。

相序排列方式按照图4所示的铁塔，四回线路从左到右进行标示，仿真分析时固定距离L为23 m。

2.2.1　CBA/ABC//ABC/CBA排列

通过仿真计算，CBA/ABC//ABC/CBA排列时电场分布如图13、图14所示，图13是电场分布俯视图，

图4　铁塔示意图 Fig.4　The iron tower

图5　塔距L=23 m电场分布俯视图 Fig.5　The top view of electric field distribution when L=23 m

图6　间距L=23 m某路径上的电场分布图 Fig.6　The electric field distribution in a path when L=23 m

图7　间距L=33 m电场分布俯视图 Fig.7　The top view of electric field distribution when L=33 m

图8　间距L=33 m某路径上的电场分布图 Fig.8　The electric field distribution in a path when L=33 m

图9　间距L=43 m电场分布俯视图 Fig.9　The top view of electric field distribution when L=43 m

图10　间距L=43 m某路径上的电场分布图 Fig.10　The electric field distribution in a path when L=43 m

图11　间距L=48 m电场分布俯视图 Fig.11　The top view of electric field distribution when L=48 m

图12　间距L=48m某路径上的电场分布图 Fig.12　The electric field distribution in a path when L=48 m

图13　电场分布俯视图 Fig.13　The top view of electric field distribution

图14　路径上的电场分布图 Fig.14　The electric field distribution in a path

图15　电场分布俯视图 Fig.15　The top view of electric field distribution

图16　路径上的电场分布图 Fig.16　The electric field distribution in a path

图14是接收点1到2连线路径上的电场分布图。从图中可以看出：走廊中间的电场分布因为相互影响而增大，两回路边上的电场变化不大。

2.2.2　ABC/ ABC// CBA/ CBA排列

通过仿真计算，ABC/ ABC// CBA/ CBA相序排列时电场分布如图15、图16所示。其中，图15是电场分布俯视图，图16是接收点1到2连线路径上的电场分布图。从图中可以看出：走廊正中间的电场分布较小，超过4 kV/m的区域集中靠近外侧两边的走廊范围内。

2.2.3　ABC/ABC//ABC/ABC排列

通过仿真计算，ABC/ABC//ABC/ABC相序排列时时电场分布如图17、图18所示。图17是电场分布俯视图，图18是接收点1到2连线路径上的电场分布图。从图中可以看出：走廊中间及两回路边上的电场分布由于受到相互影响均增大，中间增大的幅度最大。

图17　电场分布俯视图 Fig.17　The top view of electric field distribution

图18　某路径上的电场分布图 Fig.18　The electric field distribution in a path

通过对上述三种典型相序的对比分析，还可以看出：CBA/ABC//ABC/CBA线下电场超过4 kV/m的面积最小，电场最大值主要集中在中间较窄的区域；ABC/ABC//CBA/CBA线下电场超过4 kV/m的面积次之，电场最大值主要集中在两边较大的区域，而两并行线路中间部分区域的电场分较小；ABC/ABC//ABC/ABC线下电场超过4 kV/m的面积最大，且分布在整个线路下方的区域。在实际工程中，可以根据线下敏感点的位置进行相序排列的选择。当敏感点在两并行线路外侧时，可以采用CBA/ABC//ABC/CBA排列；当敏感点夹在两并行线路中间时，可以采用ABC/ABC//CBA/CBA排列；尽量避免采用ABC/ABC//ABC/ABC排列。

3结论

本文基于模拟电荷法建立了同走廊并行交流输电线路工频电场仿真计算模型，通过仿真分析得出：

(1)ABC/CBA//ABC/CBA相序排列时，并行线路走廊中间的电场强度由于受到彼此的影响而有一定程度的降低，降低程度随着间距的增大而减小，最大值降幅可达24%左右，当塔间距增大到45 m左右时其影响可以忽略。

(2)不同相序对并行线路走廊中间的电场强度影响较大。在实际工程中，可以根据线下敏感点的位置选择CBA/ABC//ABC/CBA或者ABC/ABC//CBA/CBA相序排列。

参考文献(References)：

[1]刘振亚. 特高压电网[M]. 北京: 中国经济出版社, 2006.

[2]吴敬儒, 徐永禧. 我国特高压交流输电发展前景[J]. 电网技术, 2005, 29(3): 1-4.

[3]万保权, 邬雄. 750 kV单回紧凑型输电线路的电磁环境[J]. 高电压技术, 2009, 35(3): 597-600.

[4]胡毅, 万保权, 何慧雯. 1 000 kV交流紧凑型输电关键技术研究[J]. 高电压技术, 2011, 37(8): 1825-1831.

[5]万保权, 张广洲, 路遥, 等. 750 kV兰州东官亭输变电工程工频电磁场测量[J]. 高电压技术, 2007, 33(5): 41-45.

[6]Zhao Luxing, Lu Jiayu, Wu Guifang. Measurement and Analysi s on Electromagnetic Environment of 1 000 kV UHV AC Transmission Line[C]//Power and Energy Engineering Conference. 2012.

[7]Lee B Y, Park J K, Myung S H,etal. An effective modeling method to analyze electric field around transmission lines and substations using a generalized finite line charge[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1997, 12(3): 1143-1150.

[8]邬雄. 1 000 kV 交流输电线路电磁环境的研究[J]. 电力设备, 2005, 6(12): 24-27.

[9]黄道春, 阮江军, 文武, 等. 特高压交流输电线路电磁环境研究[J]. 电网技术, 2007, 31(1): 6-11.

[10]邵方殷. 1 000 kV 特高压输电线路的电磁环境[J]. 电网技术, 2007, 31(22): 1-6.

[11]邵方殷. 我国特高压输电线路的相导线布置和工频电磁环境[J]. 电网技术, 2005, 29(8): 1-7.

[12]谢辉春, 张建功, 张小武, 等. 基于模拟电荷法对500 kV输电线路跨越民房时导线高度的计算[J]. 电网技术, 2008, 32(2): 34-37.

[13]V Bourgsdorf, N P Emeljanov, J I Lyskov,etal. Design of the EHV 1 150 kV AC Transmission Line[C]//CIGRE Report 31-03. Paris, 1976.

[14]Trinh N G., P S Maruvada, B Poirier. A Comparative Study of Corona Performance of Conductor Bundles for 1 200 kV Transmission Lines[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1974, 93(3): 940-949.

[15]D E Perry, V L Chartier, G L Reiner. BPA 1 100 kV Transmission Development Corona and Electric Field Studies[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1979, 98(3): 1728-1738.

[16]CIGRE Workgroup 36-01. Electric and magnetic field from power transmission systems-results of an international survey[C]//CIGRE, 1986.

[17]袁一飞, 汪泉弟, 杜松旺. 特高压输电线路工频电场的仿真研究[J]. 高压电器，2009, 45(3): 5-7.

Simulation and Calculation of Frequency Electric Field for 500 kV Alternating

Current Parallel Transmission Lines in the Same Corridor

XU Lu-wen1， ZOU An-xin1, CHEN Jian-ming2

(1.Electric Power Research Institute, State Grid Chongqing Electric Power Co., Chongqing 401123, China;

2.Information Telecommunication Branch, State Grid Chongqing Electric Power Co., Chongqing 401128, China)

Abstract:To grasp the frequency electric field distribution characters of alternating current (AC) parallel transmission lines in the same corridor, a frequency electric field simulation and calculation model based on charge simulation is built and verified by the measured data. Simulated analysis is made about the effects of line distance and phase sequence on frequency electric field of a 500kv parallel transmission lines in the same corridor in Chongqing: in case of ABC/CBA//ABC/CBA phase sequence, the middle of the two circuits has a lower electric field intensity compared with that at the edge; the bigger the distance, the smaller the intensity change; when the spacing increases to a certain degree, its influence can be ignored; different phase sequences have obvious impact on the frequency electric field intensity for parallel transmission lines; in practical engineering, we can choose CBA/ABC//ABC/CBA or ABC/ABC//CBA/CBA phase sequence according to the location of the sensitive point , so as to meet environmental requirements.

Key words: parallel lines in the same corridor; alternating current; power frequency electric field; calculation