750 kV输电线路下电磁屏蔽措施分析

谢延凯，汤一尧，何 巍，祁伟健

（国家电网甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃 兰州 730070）

1 引言

随着人们环保意识的增强和对环保的日益重视，输电线路特别是超高压输电线路的电磁环境问题已经成为制约输电线路工程建设的重要因素，直接影响电力行业的发展[1-2]。交流输电线路的电磁环境主要包括工频电磁场和可听噪声。对于超高压输电线路，其工频电场的增加幅度远远大于工频磁场和可听噪声，是对输电线路可行性产生影响的关键因素[3]。输电线路的布线型式、线路的对地距离、导线的分裂根数及分裂间距、子导线半径等均影响输电线路的工频电场强度[4-6]。对于已建成或投入运营的超高压输电线路，对线路本身进行调整以使其电工频电场达到相关控制标准比较困难，只能通过其他方式进行控制[7-9]。根据相关学者的研究成果，在超高压输电线路下方架设屏蔽线可以有效减小工频电场，其主要原理是通过电场叠加来减弱保护区域的电场强度[10-13]。

文章以某在用750 kV输电线路为例，通过建立仿真计算模型，进行屏蔽线架设模拟计算，研究降低线路工频电场强度的策略，确定屏蔽效果最佳的屏蔽线架设模式，为超高压线路电磁环境问题的解决提供可行的依据。

2 电场强度计算理论

根据相关学者的研究成果[14-22]，电场强度数值计算方法主要有有限差分法、有限元法、模拟电荷法和矩量法等，均为相对比较成熟的计算方法。其中，罗日成等在模拟电荷法的基础上结合矩量法，完成了湖南某500 kV工频电场的数值计算；刘大平等利用模拟电荷法建立输电线路模型，对1 000 kV皖电东送特高压双回输电线路工频电场进行了计算分析。通过梳理已有的研究，确定采用模拟电荷法对750 kV输电线路进行研究。此方法的理论基础是电磁场的唯一性定理，主要用于静电场的计算问题。用一定数量的离散模拟电荷来等效替代电极表面连续分布的自由电荷或者分界面连续分布的束缚电荷，同时保证满足原来的边界条件，然后运用叠加原理将离散电荷产生的场强叠加，得出原来电极表面连续电荷在空间产生的电场分布。其数学模型为：求解以电位函数[φ]为未知量的泊松方程或者拉普拉斯方程的定解问题。

在计算实际工程问题时，采用模拟电荷法，在电极表面、计算场域外部设置一定数量的离散电荷来等效原来分布的未知连续电荷，保证边界条件不变。离散模拟电荷的位置和个数是确定的，电位系数[P]可以由解析公式计算得出，建立线性方程组[P]·[Q]=[φ]，求解模拟电荷[Q]。根据静电场中计算电场的解析公式，由模拟电荷[Q]计算出场域中任意一点的电位和电场强度。

3 线路模型参数

屏蔽线距地面的高度、水平位置、屏蔽线的根数以及屏蔽线半径都对屏蔽效果有不同程度的影响。对于倒三角形的输电线路，将屏蔽线放置于B相下方时，对工频电场的削弱作用强于边相下方[23-25]。案例中的750 kV输电线路塔形众多，本研究选取单塔单回ZB125型直线塔进行仿真模型计算，相关参数如图1所示。

图1 线路参数

该线路运行电压为750 kV，线路布设方式为倒三角形，采用6分裂钢芯铝绞线，分裂间距为400 mm，子导线直径50 mm，弧垂最低点为A相（-18 m，50 m）、B相（0 m，40 m）、C相（18 m，50 m），架空地线（±16 m，55 m）一根采用JLB20A-100（19/2.60）铝包钢绞线，另一根采用TXJ750-80型光缆。屏蔽线选用镀锌钢绞线，具体参数见表1。

表1 屏蔽线参数表

4 屏蔽线抑制效果仿真分析

4.1 线路电场强度分布

用德国纳达NBM-550电磁辐射测试仪对该750 kV输电线路某断面的工频电场进行实测，测得的工频电场强度最大值Emax沿中心线对称分布，距中心线距离为±10 m的区域工频电场强度Emax超过4 kV/m的国家电磁环境控制限值，Emax的最大值为6.09 kV/m。用已知的线路参数建立仿真计算模型，计算得工频电场强度的Emax最大值为6.16 kV/m。线路实测值和模拟计算值对比结果如图2所示，二者的相关性如图3所示。

图2 工频电场强度分布图

图3 模拟值与实测值的相关关系图

通过图2可以看出，线路工频电场强度实测值和模拟值的变化趋势相近。进一步进行相关性分析，分析结果如图3所示。结果表明，线路工频电场强度实测值和模拟计算值呈现出线性相关关系，相关系数为0.9 792。因此，可以用计算机仿真模型计算的方法对架设屏蔽线后的线路进行分析，分析结果与实际线路的影响具有很好的相关性。

4.2 屏蔽线垂直高度分析

已有的研究表明，在B相下架设屏蔽线的效果优于边相，故将一根屏蔽线架设于B相下方，即Dp=0，改变屏蔽线与B相间的垂直距离hp进行仿真模拟计算，计算结果如图4所示，其中图4（b）为图4（a）的横坐标hp为4-32处的放大图。

图4 （a）屏蔽线不同高度屏蔽效果图

图4 （b）屏蔽线不同高度屏蔽效果图（局部放大）

从图4（a）中可知，当hp在1～4 m时，随着屏蔽线与B相间垂直距离hp的增大，工频电场强度最大值Emax由5.06 kV/m减小到4.29 kV/m，降幅超过15%；当hp在4～8 m时，随着hp的增大，Emax由4.29 kV/m减小为4.23 kV/m，减小幅度很小，约为1.4%；当hp超过8 m时，随着hp的增大，Emax小幅增大，由4.23 kV/m增大到4.32 kV/m，增长幅度约为2.1%。由计算结果可知，本线路hp=8 m（即屏蔽线距离地面高度32 m）时，屏蔽效果最佳，此时的工频电场强度为4.23 kV/m。架设一根屏蔽线时，屏蔽效果最佳的断面处工频电场强度最大值Emax仍超过4 kV/m的国家标准控制限值，需要进一步采取措施，以降低工频电场强度。

4.3 屏蔽线根数分析

将1、3、5、7根屏蔽线水平对称架设于线路B相下方，进行仿真计算，取屏蔽线与B相间的垂直距离hp=8 m（即屏蔽线距离地面高度为32 m），两根屏蔽线间距dp=2 m，计算结果见图5。

图5 （a）不同数量屏蔽线屏蔽效果图

图5 （b）屏蔽线根数与电场强度相关关系图

由图5（a）可知，架设1根、3根、5根、7根屏蔽线后，工频电场强度最大值Emax与未采用屏蔽线相比，分别下降了1.93、3.14、4.02、4.28 kV/m，降幅分别为31.3%、50.9%、65.3%、69.5%。由图5（b）可知，与未采用屏蔽线相比，架设1根、3根、5根、7根屏蔽线后，工频电场强度最大值Emax的减小幅度大幅增加之后趋于平缓。即屏蔽效果随屏蔽线数目的增多而增强，但并不是一直大幅增加；屏蔽线达到一定数量后，屏蔽效果的增加趋于平缓。由于屏蔽线数量的增加会提高工程造价，要根据线路的具体情况来决定屏蔽线的架设根数。本线路在架设3根屏蔽线时，可使工频电场强度最大值Emax下降至3.02 kV/m，满足相关标准限值的要求，故综合考虑经济性和屏蔽效果，可选择架设3根屏蔽线。

4.4 屏蔽线间距分析

多根屏蔽线水平架设时，屏蔽线的间距会影响屏蔽效果。将3根屏蔽线水平对称架设于B相下方，距B相的垂直高度为hp=8 m，此时屏蔽线距地面高度为32 m。改变屏蔽线间距dp，进行仿真计算，计算结果见图6。

图6 不同间距屏蔽线屏蔽效果

由图6可知，当屏蔽线间距dp=0时，相当于只在B相下方架设一根屏蔽线，工频电场强度最大值Emax为5.06 kV/m；当屏蔽线间距dp在0～3 m范围内时，随着dp增大，工频电场强度最大值Emax由4.32 kV/m迅速减小为2.72 kV/m，降幅达13.9%；当dp大于3 m时，随着dp的增大，Emax呈现出逐渐增大的趋势。根据计算结果，架设3根屏蔽线的情况下，屏蔽线间距为3 m时，屏蔽效果最佳，此时的工频电场强度Emax最大值为2.72 kV/m，满足降低工频电场强度的要求。

4.5 屏蔽网屏蔽效果分析

在B相下方8 m处水平架设3根屏蔽线，屏蔽线间距为3 m，以此为基础搭建屏蔽网。屏蔽网宽度为6 m，长度为200 m（该输电线路档距），将此屏蔽网看作2×a的网格，其中a为长度方向的格子数，令a的个数为5、10、20、40，分别对其屏蔽效果进行模拟。

由图7可知，架设网格数为2×5、2×10、2×20、2×40的屏蔽网后，输电线路下方工频电场强度最大值Emax分别为2.64 kV/m、2.50 kV/m、2.30 kV/m、2.14 kV/m，Emax随着屏蔽网网格数的增多而降低。与仅采用3根屏蔽线相比，架设网格数为2×5、2×10、2×20、2×40的屏蔽网后，Emax分别下降了0.08、0.22、0.42、0.58 kV/m，降幅分别为2.94%、8.09%、15.44%、21.32%，架设屏蔽网能够在屏蔽线的基础上进一步降低输电线路下方的工频电场强度。

图7 不同网格屏蔽网屏蔽效果

5 结语

案例750 kV输电线路某断面实测的工频电场强度最大值为6.09 kV/m，文章模拟计算了对该线路架设屏蔽线（网）时，线路下方的工频电场的变化规律，为降低该断面处工频电场强度提供了可行的方法。模拟计算结果表明，该750 kV输电线路架设屏蔽线（网）后，线路下方工频电场强度明显降低。该线路屏蔽线的最佳架设方式是：在B相下方8 m处，水平架设3根屏蔽线，屏蔽线间距为3 m，此时的工频电场强度最大值为2.76 kV/m。与未架设屏蔽线相比，工频电场最大值降低了4.4 kV/m，降幅达到71%。选用屏蔽网，还可进一步降低工频电场强度，通过增加屏蔽网格数达到更好的屏蔽效果。因此，架设屏蔽线（网）能够明显改善输电线路的电磁环境，可以作为750 kV输电线路降低感应电的一种有效措施进行实际应用。

文章仅对案例中的线路架设屏蔽线（网）的效果进行了仿真模拟计算，还未在具体的工程实际中进行佐证，后续应针对架设屏蔽线（网）的实际工程案例进行研究，将减轻电磁环境污染的有效手段广泛应用于实际中，以期降低线路走廊近区感应电，进而减少由此引起的电网环保纠纷。