输电线路电磁环境研究进展

丁顺利，陈小平，蔡萌琦，刘 宇，周林抒，邵俊虎

(1.成都大学 机械工程学院，成都 610106； 2.成都大学 建筑与土木工程学院，成都 610106；3.国网四川综合能源服务有限公司，成都 610016)

0 引 言

目前，随着国内输电电网的快速建设，其规模的日益扩大以及输电电压等级的升高，使得在实际应用中已完成并处于运行状态的高压与特高压供电系统中，出现电磁场强度增大、电晕损耗增多与无线电干扰增强等现象，进而对输电线路周边的环境造成一定的影响.在某种程度上，电磁环境的影响已成为限制输电线路建设和确保居民正常生活的重要因素之一.在实际工程中，常见的输电线路电磁环境参数包括工频电场、工频磁场以及无线电干扰，故在输电线路的具体设计时，通常根据 《环境影响评价技术导则 输变电》(HJ 24—2020)与《电磁环境控制限值》(GB 8702—2014)相关标准[1-2]， 进行电磁环境控制限值的取值.其中：对工频电场，居民区的工频电场不大于4 kV/m；对工频磁场，工频磁场的评价标准为0.1 mT；对无线电干扰，当电压等级为110 kV时，干扰限值允许值为46 dB，当电压等级为220～330 kV时，干扰限值允许值为53 dB，当电压等级为500 kV时，干扰限值允许值为55 dB.对此，本研究针对输电线路电磁环境已有的研究成果，从计算方法、电压等级与主要影响因素3个方面展开对工频电磁场的生态效应的综述，并给出改善输电线路电磁环境的相关措施，以对当前输电线路的电磁环境有一个全面的认识，拟为输电线路的工程设计与施工建设提供相关参考.

1 电磁场强度的不同计算方法

由于输电线路产生的电磁环境变化对自然环境的影响极大，对此必须采取有效措施进行限制.研究表明，只有输电线路的工频电磁场的取值达到国家相关标准，才会减缓其对线路周边环境的影响，从而确保居民的正常生活.因此，工程人员在输电线路设计时必须要准确计算导线表面的电磁场强度.目前，常见的计算方法包括有限元法、模拟电荷法、矩量法以及边界元法[3-4].

李慧慧等[5]采用有限元法求解了输电线路的电场分布，其使用EFA-300型电磁场分析仪，以国内某条电压等级为500 kV的超高压输电线路附近的建筑物为目标，并在建筑物及其周边设立多个分量，对这些分量的工频电场进行测量，测量数据通过ANSYS分析工具进行3D建模仿真分析，得出的仿真结果与测量结果基本吻合，据此可确定其测量与计算的有效性.同时，在对仿真结果进行系统分析的基础上，该研究还总结出了超高压输电线附近建筑物及其附近的工频畸变电场分布情况.杨彬等[6]研究了输电线路下建筑物及其邻近区域的电场分布.其研究发现，可以通过改变建筑物周围房屋的构造来降低工频电场的影响.陈楠等[7-8]以模拟电荷法和毕奥—萨瓦定律为基础，采用悬链线方程的方法构建了输电导线的三维电磁场通用计算模型，使得高压输电线路和交叉跨越输电线路的工频电磁场得以精确计算，并论证了该模型的有效性.同时，基于该方法进一步研究了交叉跨越导线周围的工频电磁场分布，分析了导线排列和相位变化对工频电磁场分布的影响规律，其研究认为：当交叉角变大时，导线下方的电磁场逐渐减小；电磁场的三相最大值不会随着导线相序的改变而改变；最大强度的电场往往在同相导线投影交叉点的附近出现，而工频磁场的最大值则出现在跨越导线中相与被跨导线边相投影交叉处.郝建红等[9]利用半数值法研究了高压直流输电导线在不同线型时其表面的电场强度分布，对圆绞线和型线进行了类比研究，并把最外层铝线数量与导线半径不同变量的影响因素考虑在内，对这2种线型下的电场强度分布进行了分析，最后得出了2种线型下的电场强度分布规律，并验证了半数值法的有效性.

相关研究表明，针对输电线路工频电磁场仅利用单一的计算方法各有优缺点.对此，许多学者根据具体的工程实际情况，采用了两两结合的计算方法来求解工频电磁场的分布.例如，黄韬等[10]分析对比了矩量法和模拟电荷法计算电磁场的优劣，认为对于复杂系统，模拟电荷的设置存在很大难度，其限制了模拟电荷法的使用范围和通用性，而矩量法则不存在此类设置问题，故其采用矩量法来计算输电线路工频电磁场，同时其研究还对输电线路进行了多方面优化设计，如优化相序组合、控制最小对地高度以及增加屏蔽措施等.兰生等[11]考虑了输电线路导线弧垂的影响，采用有限元分析方法和三维模型相结合，计算了直导线模型和带弧垂的实际线路模型的三维电磁场，通过对比2种线路模型的工频电磁场的仿真结果，得出了考虑导线弧垂的影响能更好地反映输电线路下方磁场的横向和纵向变化的结论.同时，其研究还考虑了导线弧垂的三维模型，相对而言更能符合实际状况并完整分析展现了空间中导线周围的电磁场，这种计算方法使计算结果更贴近真实数值.Zilberti等[12]分析了沿公路敷设的由2对地下电缆组成的高压直流输电线路的磁场辐射，通过混合有限元与边界元方法对环境中产生的磁场进行了分析，并对工频电磁场进行了具体计算.其研究考虑了不同的敷设配置、导体布置和供电条件，对现有设备的电磁干扰和人体暴露于磁场的情况进行了评估，分析了输电线路的电磁环境，讨论了降低工频电磁场的相应措施.

此外，随着电力需求的不断提高，电压等级的不断升高，输电线路中的电磁环境问题也愈发复杂，针对传统计算方法在计算电磁场强度方面的局限性，学者们不断探索利用新的研究方法来分析输电线路中的电磁场分布.例如，Mazzanti[13]首先回顾了电力线路磁场计算的基本原理，并表明正确使用历史负载数据库对于将住宅磁场与线路负载图相关联至关重要；然后针对具有独立电路的交流双回路架空输电线路，提出了创新的启发式公式，使得线路数据库可以更容易、更快速地用于计算线路电流之间的相移效应.该公式通过一次固定负荷计算，提供了线路参考运行期的中值/平均磁场的较好近似值，其研究方法已成功应用于现有线路分析中.宋福根等[14]通过实测的方法对特高压导线上方电场强度进行了计算，其采用小型无人机对线路进行实测，再通过Ansoft分析工具进行仿真计算，经过数值对比，认定实测的方法具有实际可行性，这为进一步研究输电线路的电磁环境提供了有益的参考方案.赵鹏等[15]分析计算了水平导线上的交变电流产生的电场强度，其通过索末菲尔德水平偶极子场理论来构建电场强度的基本计算模型，进而推导出水平导线上的交变电流，并根据其周围空间的电场强度的垂直分量表达式，使得电场强度水平分量和垂直分量的表达方法得到了统一.通过该表达式，工程人员能准确地知道各个参量之间的相互关系和作用，这不失为工程数值计算的一种较好方法.

2 不同电压等级下电磁环境分析

2.1 高 压

目前，在输电线路工程中，高压的划分范围为110～220 kV，而跨区域、远距离和大规模电能输送的载体起源就是高压输电，故有必要针对高压输电线路的电磁环境进行研究.对此，王群等[16]对110 kV高压输电线路的电磁场进行了分析和评价，其通过模拟电荷法和数学模型计算了工频电场，而工频磁场则利用叠加原理计算得出.其计算结果表明：电场强度主要由垂直分量决定，水平分量对电场强度造成的波动不大；而磁感应强度则由水平和垂直两者共同决定，并在不同阶段起不同作用.同时，在对工频电磁场强度测试分析中，给出了电磁环境的相关评价标准，认为磁感应强度受周围环境、天气及温度等影响，并发现用电量高峰期磁感应强度较大.

此外，Radulovic等[17]通过应用人工智能技术计算了一条典型的110 kV输电线路产生的磁场，以确定电力线路附近区域的电磁环境，其研究证实了在该输电线路区域逗留时间较长的人员存在潜在的健康风险.其进一步研究预测和分析了位于限定区域内与距地面不同特定高度的假想房屋内的磁场分布，揭示了输电线路产生的磁场对居住环境的影响.

2.2 超高压

工程中，超高压的划分范围为330～750 kV.由于我国现存的输电线路以超高压线路居多，对此，许多学者针对超高压线路实际工况下的电磁环境进行了研究.例如，许丹等[18]以模拟电荷法为基础，构建出了架空线路下的电场强度计算模型，得出了计算电场强度的公式，并对国内某条500 kV输电线路进行了研究，实际计算并测量了其工频电场强度，其研究认为：在线路设计时，在保障预算的情况下，应尽可能提高导线的架设高度，且采用紧凑型线路的模式，如设计成倒三角形式，这样可以最大程度地降低工频电场强度，并节约线路走廊.同时，在设计穿越居民区的输电线路时，对于同一铁塔上架设双回或多回路输电线路时应尽可能采取逆相序排列的方式.马晓倩等[19]针对500 kV输电线路进行了研究，其研究分别采用基于美国电力科学研究院 (Electric Power Research Institute，EPRI)的推荐公式与国际无线电干扰特别委员会 (International Special Committee on Radio Interference，CISPR)的经验公式以及叠加原理进行输电线路的可听噪声和无线电干扰的计算，并研究了在不同型号导线和不同极导线排列方式下的影响，再采用基于上流有限元法的合成电场数值算法计算分析了采用不同导线时同塔三回直流输电线路的地面合成电场，确定了不同极导线排列方式下满足地面合成电场限值要求的导线最小高度.其研究表明，选择合适的极导线排列方式能降低超高压输电线路对电磁环境的影响.

此外，陈湘鹏等[20]对±660 kV直流输电线路的电磁环境进行了研究，其采用基于Deutecsh假设的解析法对合成电场和电子流密度进行计算，并采用CISPR经验公式及EPRI推荐公式分别对无线电干扰和可听噪声进行了计算，分析了天气、线路结构参数和海拔高度等因素对±660 kV直流输电线路的电磁环境影响，其计算结果表明，上述3种因素都对电磁环境有一定的影响.郭天伟等[21]研究了750 kV/330 kV混压同塔四回输电线路的电磁环境，其依据模拟电荷法计算了该输电线路导线下的工频电场，采用毕奥—萨瓦定律计算了工频磁场，通过激发函数法计算了线路的无线电干扰，同时运用美国邦纳维尔电力局 (Bonneville Power Administration，BPA)的推荐公式进行了可听噪声的计算，并采用控制变量法对其进行了系统地分析，包括不同的导线相序布置、不同的分裂间距以及不同的杆塔呼称高.其计算结果表明：导线分裂距离的大小对电磁场强度影响很小；杆塔呼称高与电场强度、磁感应强度及无线电干扰呈反比关系，都随着杆塔呼称高的增加而减小.

2.3 特高压

目前，特高压划分范围为1 000 kV交流与±800 kV直流以上.特高压输电是目前世界上电压等级最高、输送容量最大与输送距离最远的输电工程，它代表了当今高压交直流输电技术的最高水平.因此，特高压下的输电线路的电磁环境问题引起了科研人员的高度重视.例如，吴高波等[22]研究了±800 kV与±500 kV同塔双回直流输电线路的电磁环境，其研究基于Deutsch假设、经验公式与逐次镜像法等对输电线路的电磁环境进行了计算，并采用控制变量法通过改变杆塔的塔型、输电线路导线的型号、输电线之间的距离以及导线对地高度等参数，对不同条件下的电磁环境进行了计算和分析.其研究发现：对于不同塔型，采用同极异侧布置的导线，所需的最小对地高度较高，走廊宽度明显减小；在同极异侧塔型情况下，对于地面合成场强和离子流密度而言，增大导线截面，±500 kV导线比±800 kV导线减小得更为明显，且无线电干扰也随导线截面的增大而减小；改变线间距对地面合成场强和离子流密度几乎都不产生影响，但改变水平和垂直线间距会对无线电干扰造成反比变化趋势，并且导线架设越高，使得地面的合成场强和离子流密度均越小，无线电干扰也会随之减小，但波动不大.

此外，刘泽洪[23]在超高压基础上对±1100 kV直流特高压输电线路进行了研究，其通过改变导线的型式、极导线间距、高度与走廊宽度等措施来控制输电线路的电磁环境.杜庆中等[24]针对1000 kV/500 kV同塔混压四回交流输电线路电磁暴露安全问题进行了评估，其利用有限元多物理场仿真软件COMSOL对输电线路的电磁场进行了计算，并重点分析了导线相序排列对电磁环境的影响.

3 电磁环境影响因素与改善措施

3.1 线路特征

输电线路的导线表面场强是影响导线电晕放电的主要因素，而电晕会伴随电晕损耗与无线电干扰产生.可见，工频电场的大小对电磁环境产生了较大的影响.相关研究表明，影响电磁环境的因素众多，包括均压环、导线结构与分裂导线排列顺序等.

王黎明等[25]研究了是否安装均压环情况下复合绝缘子的电场分布，采用有限元法并建立三维模型，其研究认为：配置合适的均压环可以有效改善合成绝缘子轴向电位分布的不均匀性，并能有效控制金具端部附近的场强；绝缘子伞裙对轴向电位和电场分布的计算结果影响不大，而悬挂导线会对复合绝缘子沿串电场分布的计算结果造成一定的影响.此外，其研究还通过比较复合绝缘子在塔窗内的2种悬挂方式(V型和I型)下的电场计算结果发现，2种悬挂方式下的绝缘子的轴向电场强度没有明显差异，V型串内部的空间电位分布相对均匀.

Huang等[26]利用ANSYS分析工具获得了工频电磁场的分布，并讨论了线路结构、垂直高度和相间距离对工频电磁场分布的影响.此外，还对线路周边人员等的静电感应进行了计算和分析，例如人体周围的畸变电场、人体内的感应电流密度以及雨天电场的特殊特性.其研究结果表明：电场强度可以被有效地通过在一定程度上增加导线的高度来控制，而与相邻导线相位之间的距离不太相关；雨天和雾天的电场强度随时间波动较大；电场的强度在人体表面呈不规则分布，尤其在头部随着变形而增大.该研究结果和结论可作为特高压交流输电线路电磁环境评估的重要参考.张喜润等[27]则研究了异型分裂导线对电磁环境的影响，其基于有限元法分析了椭圆形模型下的四、六与八分裂导线的导线表面场强达到最优时的最佳长短比例，使得输电线路各参数趋于均衡与电磁环境更加优化，此项研究结果将为优化分裂导线的电磁环境提供相关参考.

另外，Zhang等[28]为了缓解交流电长期运行所导致的输电导线的电晕放电和电磁环境问题，分析了输电线路导线使用年限与电磁环境的关系，其研究选择了几条长期营运的导线进行电晕笼实验.根据电晕笼实验发现：电晕放电随着外加电压的提高而变得更加严重；不同营运年限导线之间的电磁环境差异较大；随着使用年限的延长，电晕放电和电磁噪声的影响变得更加严重.该试验证明了输电线路的营运年限对电磁环境有着极其重要的影响.

3.2 覆冰环境

研究发现，输电线路绝缘子的覆冰威胁着电力系统运行的稳定性.对此，韩兴波等[29]和谢庆等[30]分别对输电线路覆冰问题进行了研究.前者研究的重点是空气中的水滴运动，分析了水滴从接触绝缘子开始，到在绝缘子表面形成覆冰的整个过程，以及绝缘子表面直流电场的影响规律，通过人工覆冰试验，验证了直流电场在不同情况下对复合绝缘了表面覆冰的影响，并对覆冰速率及覆冰形态进行了分析.相对于不带电的环境，在带电干增长覆冰条件下，复合绝缘子表面的覆冰会显得更加粗糙而不光滑，覆冰也会朝着各个方向增长.虽然电场在湿增长覆冰条件下对复合绝缘子覆冰速率影响较小，但是电场的存在会使得覆冰弯曲生长.其研究表明，在带电条件下，覆冰现象更明显，导致电场强度增大，造成电磁环境的影响加剧.而后者则是全面研究了覆冰对整个电磁环境的影响.其研究采用控制变量法，通过改变相关变量，如输电线路间的距离、分裂导线根数、子导线外径、分裂间距以及输电线的高度，分析了电磁环境在不同参数下的变化，并对比了有覆冰和无覆冰情况下的差异.其研究表明，输电线路导线的覆冰会导致导线表面和导线下方的电场强度出现明显增大，并严重影响电场强度，甚至造成输电线路的畸变，但线路周围的磁场分布却几乎不受覆冰影响，而主要受输电线路的自身弧垂的影响.

3.3 电磁环境改善措施

研究表明，为控制或降低输电线路对周边电磁环境的影响，工程人员在设计与架设高压输电线时，应对输电线路进行合理规划，且线路应尽量避开居民区、人口密集区及环境影响区[31].同时，在条件允许的情况下，还可采取有针对性的措施来改善输电线路对电磁环境的影响.

1)输电线路的工频电场.输电线路的电场强度主要取决于导线对地高度、相导线的布置方式、导线分裂数以及导线相序的排列方式等[32].因此，在输电线路设计时可以采取提高导线的对地高度以及改变导线相序排列等手段来减小工频电场；其次，对于单回线路可采用倒三角形布置，而双回线路则采用逆相序排列方式[33]，这样做既可以有效地减小输电线路下方的工频电场强度的最大值，又可以节省线路走廊；第三，可以把线路设计为紧凑型，同时在输电线路下方种植针对性的树木来降低工频电场的影响[34].

2)输电线路的工频磁场.首先，架高输电线能减小输电线路下方的工频磁场；其次，改变相序、增加杆塔呼称高也可以减小磁感应强度值[35]；再次，减小输电线路导线的弧垂，这样做既能降低工频磁场强度，还能有效节约成本，同时，把受到影响的输电线、信号线、通讯线改为电缆；最后，输电线路的导线排列方式采用倒三角方式排列[36].

3)输电线路的无线电干扰.首先，增加输电线路的导线对地高度，改变导线直径、导线相间距与导线的分裂根数；其次，调整导线截面积及减小导线分裂间距都能减小输电线路下方的无线电干扰值[37]；第三，可以改变相序布置，增加杆塔呼称高，即通过减小磁场强度从而间接降低无线电干扰[38].

4 总 结

本研究结合工频电场、工频磁场及无线电干扰3种电磁环境参数的相关标准，根据国内外相关研究对输电线路的电磁环境就其计算方法、影响因素及防护措施等方面取得的研究成果进行了详细的回顾与分析.本研究认为，计算输电线路的电磁环境的方法包括有限元法、模拟电荷法、矩量法、积分法以及半数值法等，其各有优缺点.因此，在实际工程应用中，应根据不同的输电线路来选择合适的方法.由于不同电压等级下的电磁环境影响规律虽然相同，但其影响程度不同，所以要参照不同的电压等级来采取相应措施，且随着电压等级的增大，防护措施也应随之进行研究与改进.事实上，电磁环境的影响因素众多，例如覆冰环境会加剧对电场强度的影响，对此还需进一步对覆冰问题深入研究.

本研究认为，加大对输电线路电磁环境的进一步的研究，人们就能更好地掌握其规律来制订更为合理有效的安全防护措施.有理由相信，未来的特高压输电线路建设工程在规划、设计与实际应用中将会更加合理与科学.