1000 kV特高压交流输电线路空间电磁环境的计算模型研究

罗超，查智明，徐鹏，华雪莹，姚为方

(国网安徽省电力公司电力科学研究院环境工程研究室，安徽合肥230601)

1000 kV特高压交流输电线路空间电磁环境的计算模型研究

罗超，查智明，徐鹏，华雪莹，姚为方

(国网安徽省电力公司电力科学研究院环境工程研究室，安徽合肥230601)

1000kV特高压交流输电线路具有电压等级高，导线分裂数多、重量大，塔间距离远、导线弧垂低等特点，通过理论计算和现场试验，分析了《环境影响评价技术导则－输变电工程》对输电线路工频电磁场近地面计算方法的合理性。对国标算法中导线的长直假设提出了悬链线修正的优化方法，根据电动力学中的唯一性定理和比奥－萨法尔－拉普拉斯定律对实例中工频电场和工频磁场分别进行了数值模拟，将建模计算的结果与导则和实测数据进行对比分析，提出了对特高压工频电磁环境计算方法的改进措施。

特高压;悬链线;唯一性定理;工频电场;工频磁场

随着世界上首个同塔双回特高压交流输变电工程——皖电东送淮南至上海1000kV特高压交流示范工程投入运行，我国在特高压输电领域已处于世界的领先地位。随着民众环境保护意识的增强，输电工程尤其是特高压输电线路的电磁环境影响越来越受到环境保护行政主管部门和相关民众的普遍关注。同时，在工程建设中，1000kV交流特高压输电线路的电磁环境是必须考虑的重大技术课题，已成为影响工程造价的重要因素之一。特高压电磁环境影响问题对线路导线的选择起着决定性的作用，特别是对地面电场强度和可听噪声的影响十分关键［1－2］。特高压输电线路的电磁场强度限值要求决定输电铁塔的高度和线路走廊宽度等，直接影响线路建设的成本［3－4］。

在实际测试过程中，国家标准中对于工频电场和工频磁场的近地面计算模式和现场试验存在较大差异，对于标准计算方法的探讨，有助于完善和提高其计算的精确度。

1 实测结果

皖电东送淮南至上海1000kV特高压交流输电工程西起安徽淮南，经皖南、浙北到达上海，线路全长656km，全线同塔双回架设，线路塔基共1421座，导线为垂直排列，伞型布置，导线层间距20m，水平间距为15～20m，架空地线与上相导线的距离为14m。导线弧垂约20m(档距500m)，地线弧垂约11m(档距500m)，导线型号8×LGJ－630/45，分裂间距为400mm［1］。

现场试验选取两基塔，塔间地形平坦开阔，确定测量间距，间隔5m设置网格，测量网格点处的工频电场和工频磁场。图1为工频电场和工频磁场的实测数据(其中，设定长直导线所指方向为x方向，而y方向则是地面上与x方向垂直的方向)等值线图。

图1 淮南至上海1000kV特高压交流输电线路工频电场和工频磁场的实测数据

从图1可以看出，工频电场与工频磁场均有一个极值区域范围，且最大值不在y=0的位置。

2 国家标准的计算结果

根据《环境影响评价导则－输变电工程》的附录中，对于高压交流架空输电线路下的工频电磁场强度的计算，其基本假设是输电线是一条无限长直导线且平行于地面的［6］。下面分别讨论电场、磁场强度的计算方法。

2.1 工频电场

利用大地的良导体性质，根据镜像法计算输电线上的等效电荷，为计算多导线线路中的等效电荷，可列出如下矩阵方程:

式中:U为各导线对地电压的单位列阵;Q为各导线上等效电荷的单位列阵;λ为各导线的电位系数组成的m阶方阵。

对于1000kV的输电线路而言，所计算出的工频电场是导线在地面投影(设其为x轴方向，竖直方向为y方向，地面与之垂直的方向为z方向)对称的，其在z=0处时的地面电场强度最大，且电场强度沿着z轴衰减。

2.2 工频磁场

工频磁场具有准静态特性，线路的磁场仅由电流产生。在国家标准中，利用安培定律计算出磁场大小的方法如下:

式中:I为导线i中的电流值，A;h为导线与预测点的高差，m;L为导线与预测点的水平距离，m。

同样的，据此方法所算出的磁场强度也关于x轴对称。

3 电磁场的悬链线修正模型

国家标准中所给出的50Hz工频三相交流输电线计算是按照理想情况下考量的，认为重力效应不予考虑，即电缆不会因为重力影响而发生弯曲变成悬链线形式，此外，还假设电缆是无限长的。并由此结合电像法基本原理，得出的空间电场分布不含x方向。1000kV特高压交流输电线路具有导线分裂数多、重量大，塔间距离远、导线弧垂低等特点，因此根据国家标准所给出的电场和磁场的计算结果并不准确，故我们需要寻找一种合理的方法来计算输电线近地面附近的场强大小。

3.1 悬链线简介

两端固定架设在线塔的输电线在其自身重力作用下，中间部分会自然下垂，得到的形状称之为悬链线［7－8］。根据悬链线拟合后的修正方程为:

3.2 电场的悬链线修正算法

根据电动力学中的唯一性定理，对于一个封闭的区域而言，已知封闭区域边界上的电势分布，则可以唯一的确定空间电场及电势的分布［5］。根据电势所满足的泊松方程:

式中:ρ该点的电荷密度;ε0真空中的介电常数。

对于没有电荷分布的区域，上述泊松方程变为拉普拉斯方程:

3.3 磁场的悬链线修正算法

对于磁场而言，则可直接根据比奥－萨法尔－拉普拉斯定律利用差分法算出各个电流元在空间某点给出的磁场值，各电流元累积求和即得合磁场。

3.4 计算示例

根据电场的悬链线修正算法，可得竖直平面与水平地面电场分布见图2。1000kV同塔双回交流输电线路磁场计算结果与实际情况对比见图3。

图2 修正后的工频电场计算结果

图3 修正后的工频磁场计算结果与实际情况对比

4 结语

(1)通对比分析过国家标准和现场试验对电磁环境的测试结果，发现实际磁场与国家标准计算结果存在较大差异。

(2)根据计算电磁学的基本理论唯一性定理和比－萨定律的差分格式，给出了悬链线修正下的工频电磁场的数值模拟值，并与国家标准和现场试验测试结果相比较，得出悬链线修正下的电磁场计算结果优于国家标准。

［1］罗超，查智明，姚为方.1000kV交流输电线路噪声的计算模式和减缓措施［J］.电力科技与环保，2015，31(1):5－7.

［2］张晓，陈稼苗，周浩，等.750 kV超高压输电线路电磁环境研究［J］.华东电力，2008，36(3):35－38.

［3］牛林，赵建国，李可军.1000kV特高压交流输电线路工频磁场分析［J］.山东大学学报(工学版)，2010，40(1):154－158.

［4］邵方殷.1000kV特高压输电线路的电磁环境［J］.电网技术，2007，31(22):1－6.

［5］孔德武，徐玮.电缆附件的电场数值计算和优化设计［J］.电线电缆，1997(3):7－10.

［6］赵吴鹏.高压输电线路工程电磁环境分析及改善措施［J］.能源研究与管理，2015(1):42－44.

［7］王长昌.基于悬链线方程的跨接电缆长度计算［J］.铁道车辆，2013，51(6):4－6.

［8］姜广智.悬链线方程在高压架空输电线路中的应用［J］.科学技术与工程，2008，8(8):1960－1964.

Model of electromagnetic field calculation for 1000 kV UHV AC double circuit transmission line

1000kV UHV AC double circuit transmission line has some features such as high voltage level，multiconductor division，great weight，long distance between transmission line tower and lower wire sag.According to the theoretical calculation and field test，the rationality oftransmission line frequency electromagnetic field calculation from Environmental Impact Assessment Technology Guidelines－Power Transmission project are analyzed.After discussing the hypothesis on the frequency electronicand magnetic field calculation that each transmission line is considered as unlimited long line，the method with the Catenary Correct are optimized and some numerical simulation with the Uniqueness Theorem in Electrodynamicsand the law of Biot－Safar－Laplace have been done.Compared with the result between measured data and the calculation model，some improvements of UHV frequency electromagnetic field calculation are put forword.

UHV;catenary;uniqueness theorem;frequency electric field;frequency magnetic field

X591

B

1674－8069(2016)03－005－03

2015-11-20;

2016-01-13

罗超(1982-)，男，河南光山人，博士，高级工程师，研究方向为电力环境保护。E－mail:3035758@qq.com

国网安徽省电力公司科技项目(5212051400D7)