110 kV同塔四回输电线路工频电场的研究

路彦峰（淮北师范大学物理与电子信息学院，安徽淮北235000）



110 kV同塔四回输电线路工频电场的研究

路彦峰
（淮北师范大学物理与电子信息学院，安徽淮北235000）

摘要：根据镜像法和叠加原理，对110 kV同塔四回路输电线路的工频电场进行计算研究.分析输电线在不同的相序排列，导线水平间隔距离，杆塔高度和导线排布等情况下在地面附近的电场分布情况.提出减少线路周围工频电场的措施，为电网建设提供理论参考.

关键词：110 kV；同塔四回路；工频电场；相序排列；导线间距；杆塔

现代社会经济的发展对电力需求日益增加，高压线路途径居民工作、生活区的情况不可避免.我国随着城市化进程的加快，土地资源日趋紧张，城区电网的线路走廊昂贵.目前，同杆并架多回输电线路以其能大幅度减少城建用地、单位走廊宽度输送容量高等优点成为城市电网建设采用的主要方式.但是与单回输电相比，同杆多回路输电的导线布置型式多、相导线排列方式及线路附近的电磁环境更加复杂，由这些输电线路产生的电磁污染对沿线居民身体健康产生的影响越来越受到社会的关注［1-5］，由此引起的纠纷也越来越多，严重阻碍城市电网的建设进程.因此，计算分析同塔多回输电线路周围的电场分布，研究降低线路下方场强的方法对当前城市电网的建设、运行非常重要.本文以跨城区的110 kV同塔四回输电线路为研究对象，仿真分析该输电线路周围工频电场的分布，研究典型的相序排列、杆塔高度及导线间距等对地面附近场强的影响.

1　输电线路电场研究现状

输电线路电磁环境的研究主要包括实验测量［6-9］和数值方法模拟［8-11］两种方式.试验测量的结果准确度高，真实可靠度大，但投入成本过高，可操作性较差；数值仿真则不存在这方面的问题，且其计算数据的精确度完全能够满足工程的需求.我国电网的交流电工频为50 Hz，可以采用准静态方法对其进行研究［12-13］.本文采用镜像法和叠加原理对110 kV同塔四回输电线路周围的工频电场进行计算分析.

2　线路建模

在同塔多回路输电技术中，各城市在城区电网建设中选择的杆塔塔形、导线布置型式、相线排列等并不完全一样，需要综合考虑各自所需求的输电线路的电压等级、地理环境、周边条件等各方面的因素.目前，就我国许多城市已建设的高压同塔四回路输电线路而言，直线塔和垂直排列、六层横担导线是较为常见的一种布置型式.图1给出某城区110 kV同塔4回输电线路实物图，将所有的金属元素以及接地平面假定为理想导体，据其建立图2所示的仿真模型.导线采用LGJ-400/35型，半径为13.41 mm，取杆塔，地面电位零.

图1　城区110 kV同塔四回输电线路　

图2　110kV同塔四回路计算模型

3　110 kV同塔四回输电线路工频电场仿真分析

过高的工频电磁场会对人民的身体健康产生不利影响，因此对输电线路在地面附近产生的电磁场最大值做出限制，制定出满足人民正常生活环境的场强标准尤为必要.国际非电离辐射防护委员会（IC⁃NIRP）作出的普通居民连续曝露在50 Hz交流电产生的电场强度最高值5 kV/m，磁感应强度限值100 μT的规定得到许多国家的认可，成为各国工频电磁场限值的制定依据［14］.我国国家电网公司制定的A/ GDW 179-2008《110-750 kV架空输电线路设计技术规定》，还对相应电压等级输电线路导线在最大弧垂情况下距离地面的居民区和非居民区的最低高度做出限制，其中110 kV输电线路要求分别不小于7.0 m 和6.0 m.除了特别说明外，本文后述各种线下电场分布因素的研究中均是以非居民区的6.0 m高度为基准.

首先建立杆塔最底层导线离地高度为21.5 m的110 kV同塔四回输电线路模型，研究了距离地面高度h处的电场强度E及其沿着地面方向的水平分量Ex和沿着杆塔方向的垂直分量Ey的分布情况.从图3和图4可以发现，电场强度值在以杆塔轴线为中心、垂直于导线延伸方向的平面内呈对称分布形式，并随h的增加而变大.h取值较小时，Ey远大于Ex，说明在地面附近的电场以垂直极化分量为主.h≥7 m时，出现Ex大于Ey的空间分布情况，距离地面越高，Ex＞Ey空间范围越广.

另外，图5还给出了水平方向距离杆塔轴线为x0处沿着y方向上0-30 m区间的电场分布情况，电场分布曲线随着x0的增加而逐渐下落，最大场强值则由x0=6 m时的3.71 kV/m降低到x0=20 m时的0.436 5 kV/m.因此若在x0≥6 m的区域存在建筑物，由于建筑物是由许多钢筋、铝合金门窗等金属构成，会对该输电线路的电场强度产生一定的屏蔽［15-16］，这些建筑物内部的工频电场会得到进一步的降低，满足ICNIRP标准.

图3　同塔四回输电线路中距离地面为h处的电场分量Ex和Ey分布曲线

图4　同塔四回输电线路中距离地面高度为h处的电场E分布曲线　

图5　距离杆塔x0处沿y方向上的电场分布曲线

3.1相序布置对电场分布的影响

单回三相交流输电线路相序排列按照顺序有ABC、ACB、BAC、BCA、CAB、CBA 6种方式.因此，若对同塔四回输电线采用4位6进制编码进行相序排布，从1111-6666遍历可得到1 296种方式.本文采取穷举法计算各种相序排布方式下的电场强度，图6给出一些典型和优化相序排列下的电场强度分布曲线.

图6　同塔四回路5种典型相序及6种优化相序的电场分布曲线

图6a给出5种典型的相序排列对地面上方2.0 m处的电场强度.四回路导线按照1111同相序排列时的线下电场强度为4.68 kV/m，远高于其他相序排布方式，而逆相序1616或1661排布时电场强度分别为2.24 kV/m和2.12 kV/m，仅为1111方式的47.86%和45.30%，且其不平衡度相对较好［17］.图6b给出6种优化的相序排列方式，它们在线下地面附近产生的最大电场强度均远小于4.68 kV/m，其中1342和5216两种方式产生的最大场强仅有1.71 kV/m，仅为1111正序排布最大值的36.54%，显著降低电场强度最大值.

3.2相间距离对电场分布的影响

改变输电线的水平间距，同样会对电场强度的分布产生作用.图7给出110 kV同塔四回输电线间距a0-a1-a0的不同取值对地面上方2 m处产生的电场强度分布情况.结果表明，若a0保持不变，仅增大a1取值，对电场分布产生的影响很小.当同比例增加a0-a1-a0的取值时，电场强度的最大值由4.68 kV/m降低到3.57 kV/m，降幅达到23.7%，效果明显.

图7　同塔四回路导线水平间距的电场分布曲线

3.3杆塔最下层导线离地高度h0对电场分布的影响

根据电磁场理论，工频电磁场会随着离源距离的增大而减小.因此，电网建设中常采用增加杆塔高度的方式降低输电线对地面附近的电场强度.图8分析杆塔最下层导线离地高度h0对地面上方2 m处电场分布的影响.研究发现电场强度最大值由h0=6 m时的4.68 kV/m减少到h0=21.5 m时的0.716 kV/m，但是最大电场强度降低的幅度会随着h0的增加而减少，当h0≥7 m时，地面上方2 m处的电场强度就已经低于5 kV/m.

3.4导线排布顺序对电场分布的影响

为了节省线路走廊空间、降低电网建设成本，城区中的同塔四回输电线通常采用六层横担、垂直排列的方式.本文在导线水平间距不变前提下，研究了两种类型导线排列方式对线下电场分布的影响.其中I型导线排布如图2所示，各层横担导线由上到下的排布顺序依次为a0-a1-a0-a0-a1-a0，II型的导线排布顺序采用a0-a1-a0-a1-a0-a1方式.计算过程中I，II两种类型导线均采取相同的相序排列，如图9所示：I型产生的线下电场在-3～3 m的分布区域内高于II型，最大场值相差0.245 kV/m；其他区域的电场分布曲线基本重合在一起.同时分别计算另外3种优化的相序下I型导线排布和II型导线排布下的电场强度，结果发现，2种类型的线路排布产生的电场分布对应曲线也都基本保持一致.

图8　同塔四回路h0取值不同时的电场分布曲线　

图9　输电线I，II型排布下的电场分布曲线

4　结论

同相序排列输电线产生的电场强度远大于其他相序排列方式，本文给出的6种优化相序排列方式，均能显著地降低线路下方的电场强度，其中的1342相序对电场强度的降幅达到36.54%.因此，优化导线相序是电网建设中可以采取的一种非常经济有效的降低电场分布的方法.

抬高杆塔最底层导线离地高度和同比增加相导线的水平间距同样能起到有效改善线路下方电磁环境的作用.但是杆塔过高又会使高压线容易遭受冰雪以及雷击等因素的影响，相导线水平间距的增加则会引起线路走廊的加宽，在工程中需要加以综合考虑.

横担导线排布顺序对电场强度分布的影响很小.

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Research on the Power Frequency Electric Field of 110 kV Four Circuits on the Same Tower

LU Yanfeng
（School of Physics and Electronic Information，Huaibei Normal University，235000，Huaibei，Anhui，China）

Abstract：Calculation of the power frequency electric field strength of the 110 kV four circuits transmission line is made according to the image method and superposition theorems.There are many parameters affecting the distribution of the electric field of the overhead transmission lines，such as the phase sequence arrange⁃ment，the wire spacing，the height of the tower，and the arrangements of conductor.The results show that the factors investigated have different levels of effects on the electric field distribution，and measures to reduce the electric field were proposed.

Key words：110 kV transmission line；quadruple circuit transmission line；power frequency electric field；lay⁃out of phase sequence；wire spacing；tower

作者简介：路彦峰（1978-），男，山东临沂人，博士生，研究方向：电磁场数值分析.

基金项目：淮北师范大学青年科研项目（2013xq15）

收稿日期：2015-05-15

中图分类号：TM 726.1

文献标识码：A

文章编号：2095-0691（2016）01-0022-05