500 kV交流输电线路工频电磁场理论计算与实测数值的差异研究

郑洪刚，韩雪飞

(中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021)

交流输电线路在传输电能的同时，在周围局部空间会产生电场和磁场，均属于感应场，其环境影响不同于一般废气、废水、固体废弃物以及放射性等影响，不具有累积性。我国交流输变电工程的工作频率(以下简称工频)为50 Hz，产生的工频电磁场在电磁频谱中属于极低频场，不产生有效电磁辐射，更不会产生电离辐射，只要将工频电磁场控制在标准限值内，就不会对公众健康产生影响［1］。

通常，输电线路在设计阶段均会对电磁影响进行理论计算，优化设计，确保其产生的工频电磁场符合标准限值要求。但输电线路运行后，工频电磁场的实测值与理论计算值经常存在一定差异，本文通过对典型的500 kV单回路、同塔双回输电线路进行理论计算，分析、总结工频电磁场变化规律及其影响因素。同时，选取多年稳定运行的、典型的500 kV单回路、同塔双回输电线路，对其工频电磁场进行实际测量，分析监测结果，总结变化规律，并与理论计算结果进行对比分析，研究差异存在的原因，提出降低输电线路电磁环境影响的优化设计建议。

1 500 kV输电线路工频电磁场的理论计算

1.1 典型500 kV输电线路的主要参数

500 kV输电线路通常采用角钢塔，导线截面以4×400 mm2居多。单回输电线路常用塔型为ZB型，导线采用水平排列;同塔双回输电线路常用塔型为SZ型，导线采用逆相序垂直排列。输电线路经过非居民区时导线最小对地距离为11 m，经过居民区时导线最小对地距离为14 m。500 kV输电线路典型塔型主要技术参数见表 1、表 2，2种塔型输电线路相电流均为1 500 A，计算电压均为525 V，最小对地距离均为非居民区11 m，居民区14 m。

表1 典型500 kV单回输电线路主要技术参数

表2 典型500 kV同塔双回输电线路主要技术参数

1.2 理论计算模型选择

目前国内外计算输电线路工频电磁场的主要方法为模拟电荷法［2-3］、等效电荷法［4-5］、有限元法［5-6］和矩量法［7-8］，其中等效电荷法因计算简便易行、精确度有保证而被广泛采用，本研究中输电线路下空间工频电场、工频磁场的理论计算采用等效电荷法。

1.2.1 工频电场

高压输电线上的等效电荷是线电荷，由于高压输电线半径远小于架设高度，所以等效电荷的位置可认为是在输电导线的几何中心。设输电线路无限长并且平行于地面，地面可视为良导体，利用镜像法计算输电线上的等效电荷。

1.2.2 工频磁场

由于工频情况下电磁性能具有准静态特性，线路的磁场仅由电流产生。应用安培定律，将计算结果按矢量叠加，可得出导线周围的磁场强度。

1.3 理论计算结果分析

1.3.1 工频电场

工频电场在计算时，分别计算非居民区、居民区导线对地最小高度时的工频电场强度;同时对不同导线对地高度时线下空间的工频电场强度进行试算，给出线下空间工频电场强度完全低于 GB 8702—2014《电磁环境控制限值》要求时的导线对地高度。

500 kV单回输电线路、同塔双回输电线路下方空间距地面1.5 m处工频电场计算结果见图1。

图1 500 kV单回及同塔双回输电线路距地面1.5 m工频电场分布

由图1可知:

a.500 kV单回输电线路导线水平排列时，其下方空间地面1.5 m处工频电场以中相导线为轴呈对称分布，并随着与线路水平距离的增加呈迅速降低趋势，降低幅度随着导线对地距离的增加呈减小趋势;

b.工频电场强度最大值出现在边相导线附近，并随着导线对地距离的增加呈降低趋势。在导线对地距离为11 m时，工频电场强度最大值为9.671 kV/m;在导线对地距离为14 m时，工频电场强度最大值降至6.557 kV/m;当导线对地距离提高至19 m时，工频电场强度最大值为3.923 kV/m，已降至4 kV/m以下;

c.以GB 8702—2014中工频电场公众曝露控制限值10 kV/m(耕地、园地、牧草地、道路等场所)、4 kV/m(居民区)为控制要求，在导线对地高度为11 m时，线路下方空间工频电场强度均低于10 kV/m;在导线对地高度为14 m时，工频电场强度在距边相导线地面投影外12 m处降至4 kV/m以下;在导线对地高度增加至19 m时，线路下方空间地面1.5 m处工频电场强度均已低于4 kV/m;

d.500 kV同塔双回输电线路地导线垂直排列时，其下方空间地面1.5 m处工频电场以线路中心为轴呈对称分布，并随着与线路水平距离的增加呈迅速减少趋势;

e.工频电场强度最大值出现在边相导线附近，工频电场强度最大值随着导线对地距离的增加呈降低趋势。在导线对地距离为11 m时，工频电场强度最大值为9.062 kV/m;在导线对地距离为14 m时，工频电场强度最大值降至5.971 kV/m;当导线对地距离提高至18 m时，工频电场强度最大值为3.768 kV/m，已降至4 kV/m以下;

f.以GB 8702—2014中工频电场公众曝露控制限值10 kV/m(耕地、园地、牧草地、道路等场所)、4 kV/m(居民区)为控制要求，在导线对地高度为11 m时，线路下方空间工频电场强度均低于10 kV/m;在导线对地高度为14 m时，工频电场强度在距边相导线地面投影外9 m处降至4 kV/m以下;在导线对地高度增加至18 m时，线路下方空间地面1.5 m处工频电场强度均已低于4 kV/m。

1.3.2 工频磁场

500 kV单回输电线路及同塔双回输电线路下方空间距地面1.5 m处工频磁场计算结果见图2。

图2 500 kV单回输电线路、同塔双回输电线路距地面1.5 m工频磁场分布情况

由图2可知:

a.500 kV单回输电线路地导线水平排列时，其下方空间地面1.5 m处工频磁场以中相导线为轴呈对称分布，并随着与线路水平距离的增加呈迅速减少趋势，与工频电场变化趋势基本一致;

b.工频磁场强度最大值出现在边相导线下方，工频磁场强度最大值随着导线对地距离的增加呈降低趋势。在导线对地距离为11 m时，工频磁场强度最大值为30.01 μT;在导线对地距离为14 m时，工频电场强度最大值降至16.30 μT，线路下方空间地面1.5 m处工频磁场强度均低于GB 8702—2014中工频磁场公众曝露控制限值100 μT的要求;

c.500 kV同塔双回输电线路导线垂直排列时，其下方空间地面1.5 m处工频磁场以线路中心为轴，呈对称分布，并随着与线路水平距离的增加呈迅速减少趋势，与工频电场变化趋势基本一致;

d.工频磁场强度最大值出现在边相导线内，工频磁场强度最大值随着导线对地距离的增加呈降低趋势。在导线对地距离为11 m时，工频磁场强度最大值为34.47 μT;在导线对地距离为14 m时，工频磁场强度最大值降至20.79 μT，线路下方空间地面1.5 m处工频磁场强度均低于GB 8702—2014中工频磁场公众曝露控制限值100 μT的要求。

2 500 kV输电线路工频电磁场的实测

2.1 典型输电线路选取

选取吉林省内多年稳定运行的、典型500 kV单回输电线路(以下称“单回线路A”)和500 kV同塔双回输电线路(以下称“双回线路B”)各1例进行工频电场、工频磁场的实测。两输电线路主要技术参数见表3。

2.2 监测方法

根据HJ 681—2013《交流输变电工程电磁环境监测方法》(试行)的要求进行监测。500 kV单回输电线路监测断面选择在跨越道路处，500 kV同塔双回输电线路监测断面选择在农村地段，两断面处均地势平坦、四周空旷、远离树木，且没有其他电力线路、通信线路及广播线路。监测仪器探头架设在地面上方1.5 m高度处。

2.3 环境条件

本次监测时环境条件符合监测仪器的使用要求，监测工作在无雨、无雾、无雪的天气下进行，且环境湿度在80%以下。监测时环境条件见表4。

2.4 监测布点

监测断面选择在导线档距中央弧垂最低位置，测量方向沿垂直线路方向进行。单回输电线路以弧垂最低位置处中相导线地面投影点为测量起点，同塔双回线路以弧垂最低位置处两杆塔中央连线对地投影为测量起点，测点间距5 m，测到距边相导线地面投影外50 m处止。

表3 500 kV输电线路主要技术参数

表4 监测时环境条件

500 kV单回线路A及双回线路B所用监测仪器为:EHP50C电磁场探头/8053场强分析仪(单回路A)，EFA－300(双回路B);频率范围都是5 Hz～100 kHz;测量范围:电场强度0.01 V/m～100 kV/m，磁场强度 1 nT～10 mT。

2.5 监测结果

监测时，500 kV单回线路A和500 kV双回线路B均正常稳定运行，两线路运行工况:500 kV单回线路A电压527 kV，电流501 A;500 kV双回线路B电压530 kV，电流52 A。

2.5.1 500 kV 单回线路 A

500 kV单回线路A工频电磁场监测结果见图3。由图3可知:500 kV单回线路A的工频电磁场随着距边相导线距离的增加呈迅速降低趋势，在距线路中心距离大于35 m后，降低幅度趋缓。在距线路中心距离大于25 m后，工频电场监测值已低于4 kV/m;线路下方工频磁场监测值均低于100 μT。工频电磁场监测值变化趋势与前述理论计算结果一致。

图3 500 kV单回线路A工频电磁场监测结果

2.5.2 500 kV 双回线路 B

500 kV双回线路B工频电磁场监测结果见图4。由图4可知:500 kV双回线路B的工频电磁场随着距边相导线距离的增加呈迅速降低趋势，在距线路中心距离大于35 m后，降低幅度趋缓。线路下方工频电场监测值均低于4 kV/m，工频磁场监测值均低于100 μT。工频电磁场监测值变化趋势与前述理论计算结果一致。

图4 500 kV双回线路B工频电磁场监测结果

3 500 kV输电线路工频电磁场的计算与实测值对比

采用前述工频电磁场的理论计算模型，输入500 kV单回线路A和500 kV双回线路B的技术参数，对两输电线路下方空间的工频电磁场进行模拟计算，并将计算结果与实测数据进行对比分析，探讨造成差异的原因。

500 kV单回线路A工频电磁场理论计算值与实测值对比情况见图5;500 kV双回线路B工频电磁场理论计算值与实测值对比情况见图6。由图5、图6可知:

图5 500 kV单回线路A工频电磁场计算值与实测值对比

a.输电线路下方空间的工频电磁场实测值与理论计算值的变化趋势相同;

b.无论工频电场强度还是工频磁场强度，理论计算值均大于实测值。这是因为理论计算模型对输电线路情况进行了简化处理:将工频交变电磁场视为准静态场;将三维场简化为二维场处理;将输电线路简化为无限长且平等于地面，导线半径远小于架设高度，等效电荷的位置即是导线的几何中心;将大地视为良导体;电荷沿线路未发生畸变;未考虑气象条件的影响。而在实际测量过程中，输电线路下方工频电磁场并非准静态场，地面并非是完全平坦的良导体，地面植被对电磁能量有一定吸收［9］，温度、湿度、覆冰、雨、雪和风等气象条件对测量结果均有一定影响［10－11］。

图6 500 kV双回线路B工频电磁场计算值与实测值对比

虽然理论计算模型偏于保守，但理论计算值与实测结果的吻合性很好，用理论计算结果来预测和评估输电线路电磁环境影响是安全可行的。

4 结论

通过选取典型的500kV单回路和同塔双回输电线路开展线下空间工频电磁场的理论计算与实测，得出如下结论:

a.500 kV单回输电线路导线水平排列、500 kV同塔双回输电线路导线逆相序垂直排列时，其下方空间工频电磁场强度以线路中心为轴呈对称分布，最大值出现在边相导线附近，并随着与线路距离的增加呈迅速降低趋势，降低幅度随导线架设高度的增加呈降低趋势;

b.工频电磁场强度理论计算值大于实测值，主要因为理论计算模型对输电线路情况做了简化处理，且未考虑线路周围环境情况和气象条件的影响;

c.工频电磁场强度理论计算值与实测值的变化规律相同，吻合性好，用理论计算结果来预测和评估输电线路电磁环境影响是安全可行的。