輸電線路電磁環(huán)境研究進展

丁順利，陳小平，蔡萌琦，劉 宇，周林抒，邵俊虎

(1.成都大學(xué) 機械工程學(xué)院，成都 610106； 2.成都大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，成都 610106；3.國網(wǎng)四川綜合能源服務(wù)有限公司，成都 610016)

0 引 言

目前，隨著國內(nèi)輸電電網(wǎng)的快速建設(shè)，其規(guī)模的日益擴大以及輸電電壓等級的升高，使得在實際應(yīng)用中已完成并處于運行狀態(tài)的高壓與特高壓供電系統(tǒng)中，出現(xiàn)電磁場強度增大、電暈損耗增多與無線電干擾增強等現(xiàn)象，進而對輸電線路周邊的環(huán)境造成一定的影響.在某種程度上，電磁環(huán)境的影響已成為限制輸電線路建設(shè)和確保居民正常生活的重要因素之一.在實際工程中，常見的輸電線路電磁環(huán)境參數(shù)包括工頻電場、工頻磁場以及無線電干擾，故在輸電線路的具體設(shè)計時，通常根據(jù) 《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則 輸變電》(HJ 24—2020)與《電磁環(huán)境控制限值》(GB 8702—2014)相關(guān)標準[1-2]， 進行電磁環(huán)境控制限值的取值.其中：對工頻電場，居民區(qū)的工頻電場不大于4 kV/m；對工頻磁場，工頻磁場的評價標準為0.1 mT；對無線電干擾，當電壓等級為110 kV時，干擾限值允許值為46 dB，當電壓等級為220～330 kV時，干擾限值允許值為53 dB，當電壓等級為500 kV時，干擾限值允許值為55 dB.對此，本研究針對輸電線路電磁環(huán)境已有的研究成果，從計算方法、電壓等級與主要影響因素3個方面展開對工頻電磁場的生態(tài)效應(yīng)的綜述，并給出改善輸電線路電磁環(huán)境的相關(guān)措施，以對當前輸電線路的電磁環(huán)境有一個全面的認識，擬為輸電線路的工程設(shè)計與施工建設(shè)提供相關(guān)參考.

1 電磁場強度的不同計算方法

由于輸電線路產(chǎn)生的電磁環(huán)境變化對自然環(huán)境的影響極大，對此必須采取有效措施進行限制.研究表明，只有輸電線路的工頻電磁場的取值達到國家相關(guān)標準，才會減緩其對線路周邊環(huán)境的影響，從而確保居民的正常生活.因此，工程人員在輸電線路設(shè)計時必須要準確計算導(dǎo)線表面的電磁場強度.目前，常見的計算方法包括有限元法、模擬電荷法、矩量法以及邊界元法[3-4].

李慧慧等[5]采用有限元法求解了輸電線路的電場分布，其使用EFA-300型電磁場分析儀，以國內(nèi)某條電壓等級為500 kV的超高壓輸電線路附近的建筑物為目標，并在建筑物及其周邊設(shè)立多個分量，對這些分量的工頻電場進行測量，測量數(shù)據(jù)通過ANSYS分析工具進行3D建模仿真分析，得出的仿真結(jié)果與測量結(jié)果基本吻合，據(jù)此可確定其測量與計算的有效性.同時，在對仿真結(jié)果進行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，該研究還總結(jié)出了超高壓輸電線附近建筑物及其附近的工頻畸變電場分布情況.楊彬等[6]研究了輸電線路下建筑物及其鄰近區(qū)域的電場分布.其研究發(fā)現(xiàn)，可以通過改變建筑物周圍房屋的構(gòu)造來降低工頻電場的影響.陳楠等[7-8]以模擬電荷法和畢奧—薩瓦定律為基礎(chǔ)，采用懸鏈線方程的方法構(gòu)建了輸電導(dǎo)線的三維電磁場通用計算模型，使得高壓輸電線路和交叉跨越輸電線路的工頻電磁場得以精確計算，并論證了該模型的有效性.同時，基于該方法進一步研究了交叉跨越導(dǎo)線周圍的工頻電磁場分布，分析了導(dǎo)線排列和相位變化對工頻電磁場分布的影響規(guī)律，其研究認為：當交叉角變大時，導(dǎo)線下方的電磁場逐漸減小；電磁場的三相最大值不會隨著導(dǎo)線相序的改變而改變；最大強度的電場往往在同相導(dǎo)線投影交叉點的附近出現(xiàn)，而工頻磁場的最大值則出現(xiàn)在跨越導(dǎo)線中相與被跨導(dǎo)線邊相投影交叉處.郝建紅等[9]利用半數(shù)值法研究了高壓直流輸電導(dǎo)線在不同線型時其表面的電場強度分布，對圓絞線和型線進行了類比研究，并把最外層鋁線數(shù)量與導(dǎo)線半徑不同變量的影響因素考慮在內(nèi)，對這2種線型下的電場強度分布進行了分析，最后得出了2種線型下的電場強度分布規(guī)律，并驗證了半數(shù)值法的有效性.

相關(guān)研究表明，針對輸電線路工頻電磁場僅利用單一的計算方法各有優(yōu)缺點.對此，許多學(xué)者根據(jù)具體的工程實際情況，采用了兩兩結(jié)合的計算方法來求解工頻電磁場的分布.例如，黃韜等[10]分析對比了矩量法和模擬電荷法計算電磁場的優(yōu)劣，認為對于復(fù)雜系統(tǒng)，模擬電荷的設(shè)置存在很大難度，其限制了模擬電荷法的使用范圍和通用性，而矩量法則不存在此類設(shè)置問題，故其采用矩量法來計算輸電線路工頻電磁場，同時其研究還對輸電線路進行了多方面優(yōu)化設(shè)計，如優(yōu)化相序組合、控制最小對地高度以及增加屏蔽措施等.蘭生等[11]考慮了輸電線路導(dǎo)線弧垂的影響，采用有限元分析方法和三維模型相結(jié)合，計算了直導(dǎo)線模型和帶弧垂的實際線路模型的三維電磁場，通過對比2種線路模型的工頻電磁場的仿真結(jié)果，得出了考慮導(dǎo)線弧垂的影響能更好地反映輸電線路下方磁場的橫向和縱向變化的結(jié)論.同時，其研究還考慮了導(dǎo)線弧垂的三維模型，相對而言更能符合實際狀況并完整分析展現(xiàn)了空間中導(dǎo)線周圍的電磁場，這種計算方法使計算結(jié)果更貼近真實數(shù)值.Zilberti等[12]分析了沿公路敷設(shè)的由2對地下電纜組成的高壓直流輸電線路的磁場輻射，通過混合有限元與邊界元方法對環(huán)境中產(chǎn)生的磁場進行了分析，并對工頻電磁場進行了具體計算.其研究考慮了不同的敷設(shè)配置、導(dǎo)體布置和供電條件，對現(xiàn)有設(shè)備的電磁干擾和人體暴露于磁場的情況進行了評估，分析了輸電線路的電磁環(huán)境，討論了降低工頻電磁場的相應(yīng)措施.

此外，隨著電力需求的不斷提高，電壓等級的不斷升高，輸電線路中的電磁環(huán)境問題也愈發(fā)復(fù)雜，針對傳統(tǒng)計算方法在計算電磁場強度方面的局限性，學(xué)者們不斷探索利用新的研究方法來分析輸電線路中的電磁場分布.例如，Mazzanti[13]首先回顧了電力線路磁場計算的基本原理，并表明正確使用歷史負載數(shù)據(jù)庫對于將住宅磁場與線路負載圖相關(guān)聯(lián)至關(guān)重要；然后針對具有獨立電路的交流雙回路架空輸電線路，提出了創(chuàng)新的啟發(fā)式公式，使得線路數(shù)據(jù)庫可以更容易、更快速地用于計算線路電流之間的相移效應(yīng).該公式通過一次固定負荷計算，提供了線路參考運行期的中值/平均磁場的較好近似值，其研究方法已成功應(yīng)用于現(xiàn)有線路分析中.宋福根等[14]通過實測的方法對特高壓導(dǎo)線上方電場強度進行了計算，其采用小型無人機對線路進行實測，再通過Ansoft分析工具進行仿真計算，經(jīng)過數(shù)值對比，認定實測的方法具有實際可行性，這為進一步研究輸電線路的電磁環(huán)境提供了有益的參考方案.趙鵬等[15]分析計算了水平導(dǎo)線上的交變電流產(chǎn)生的電場強度，其通過索末菲爾德水平偶極子場理論來構(gòu)建電場強度的基本計算模型，進而推導(dǎo)出水平導(dǎo)線上的交變電流，并根據(jù)其周圍空間的電場強度的垂直分量表達式，使得電場強度水平分量和垂直分量的表達方法得到了統(tǒng)一.通過該表達式，工程人員能準確地知道各個參量之間的相互關(guān)系和作用，這不失為工程數(shù)值計算的一種較好方法.

2 不同電壓等級下電磁環(huán)境分析

2.1 高 壓

目前，在輸電線路工程中，高壓的劃分范圍為110～220 kV，而跨區(qū)域、遠距離和大規(guī)模電能輸送的載體起源就是高壓輸電，故有必要針對高壓輸電線路的電磁環(huán)境進行研究.對此，王群等[16]對110 kV高壓輸電線路的電磁場進行了分析和評價，其通過模擬電荷法和數(shù)學(xué)模型計算了工頻電場，而工頻磁場則利用疊加原理計算得出.其計算結(jié)果表明：電場強度主要由垂直分量決定，水平分量對電場強度造成的波動不大；而磁感應(yīng)強度則由水平和垂直兩者共同決定，并在不同階段起不同作用.同時，在對工頻電磁場強度測試分析中，給出了電磁環(huán)境的相關(guān)評價標準，認為磁感應(yīng)強度受周圍環(huán)境、天氣及溫度等影響，并發(fā)現(xiàn)用電量高峰期磁感應(yīng)強度較大.

此外，Radulovic等[17]通過應(yīng)用人工智能技術(shù)計算了一條典型的110 kV輸電線路產(chǎn)生的磁場，以確定電力線路附近區(qū)域的電磁環(huán)境，其研究證實了在該輸電線路區(qū)域逗留時間較長的人員存在潛在的健康風(fēng)險.其進一步研究預(yù)測和分析了位于限定區(qū)域內(nèi)與距地面不同特定高度的假想房屋內(nèi)的磁場分布，揭示了輸電線路產(chǎn)生的磁場對居住環(huán)境的影響.

2.2 超高壓

工程中，超高壓的劃分范圍為330～750 kV.由于我國現(xiàn)存的輸電線路以超高壓線路居多，對此，許多學(xué)者針對超高壓線路實際工況下的電磁環(huán)境進行了研究.例如，許丹等[18]以模擬電荷法為基礎(chǔ)，構(gòu)建出了架空線路下的電場強度計算模型，得出了計算電場強度的公式，并對國內(nèi)某條500 kV輸電線路進行了研究，實際計算并測量了其工頻電場強度，其研究認為：在線路設(shè)計時，在保障預(yù)算的情況下，應(yīng)盡可能提高導(dǎo)線的架設(shè)高度，且采用緊湊型線路的模式，如設(shè)計成倒三角形式，這樣可以最大程度地降低工頻電場強度，并節(jié)約線路走廊.同時，在設(shè)計穿越居民區(qū)的輸電線路時，對于同一鐵塔上架設(shè)雙回或多回路輸電線路時應(yīng)盡可能采取逆相序排列的方式.馬曉倩等[19]針對500 kV輸電線路進行了研究，其研究分別采用基于美國電力科學(xué)研究院 (Electric Power Research Institute，EPRI)的推薦公式與國際無線電干擾特別委員會 (International Special Committee on Radio Interference，CISPR)的經(jīng)驗公式以及疊加原理進行輸電線路的可聽噪聲和無線電干擾的計算，并研究了在不同型號導(dǎo)線和不同極導(dǎo)線排列方式下的影響，再采用基于上流有限元法的合成電場數(shù)值算法計算分析了采用不同導(dǎo)線時同塔三回直流輸電線路的地面合成電場，確定了不同極導(dǎo)線排列方式下滿足地面合成電場限值要求的導(dǎo)線最小高度.其研究表明，選擇合適的極導(dǎo)線排列方式能降低超高壓輸電線路對電磁環(huán)境的影響.

此外，陳湘鵬等[20]對±660 kV直流輸電線路的電磁環(huán)境進行了研究，其采用基于Deutecsh假設(shè)的解析法對合成電場和電子流密度進行計算，并采用CISPR經(jīng)驗公式及EPRI推薦公式分別對無線電干擾和可聽噪聲進行了計算，分析了天氣、線路結(jié)構(gòu)參數(shù)和海拔高度等因素對±660 kV直流輸電線路的電磁環(huán)境影響，其計算結(jié)果表明，上述3種因素都對電磁環(huán)境有一定的影響.郭天偉等[21]研究了750 kV/330 kV混壓同塔四回輸電線路的電磁環(huán)境，其依據(jù)模擬電荷法計算了該輸電線路導(dǎo)線下的工頻電場，采用畢奧—薩瓦定律計算了工頻磁場，通過激發(fā)函數(shù)法計算了線路的無線電干擾，同時運用美國邦納維爾電力局 (Bonneville Power Administration，BPA)的推薦公式進行了可聽噪聲的計算，并采用控制變量法對其進行了系統(tǒng)地分析，包括不同的導(dǎo)線相序布置、不同的分裂間距以及不同的桿塔呼稱高.其計算結(jié)果表明：導(dǎo)線分裂距離的大小對電磁場強度影響很??；桿塔呼稱高與電場強度、磁感應(yīng)強度及無線電干擾呈反比關(guān)系，都隨著桿塔呼稱高的增加而減小.

2.3 特高壓

目前，特高壓劃分范圍為1 000 kV交流與±800 kV直流以上.特高壓輸電是目前世界上電壓等級最高、輸送容量最大與輸送距離最遠的輸電工程，它代表了當今高壓交直流輸電技術(shù)的最高水平.因此，特高壓下的輸電線路的電磁環(huán)境問題引起了科研人員的高度重視.例如，吳高波等[22]研究了±800 kV與±500 kV同塔雙回直流輸電線路的電磁環(huán)境，其研究基于Deutsch假設(shè)、經(jīng)驗公式與逐次鏡像法等對輸電線路的電磁環(huán)境進行了計算，并采用控制變量法通過改變桿塔的塔型、輸電線路導(dǎo)線的型號、輸電線之間的距離以及導(dǎo)線對地高度等參數(shù)，對不同條件下的電磁環(huán)境進行了計算和分析.其研究發(fā)現(xiàn)：對于不同塔型，采用同極異側(cè)布置的導(dǎo)線，所需的最小對地高度較高，走廊寬度明顯減??；在同極異側(cè)塔型情況下，對于地面合成場強和離子流密度而言，增大導(dǎo)線截面，±500 kV導(dǎo)線比±800 kV導(dǎo)線減小得更為明顯，且無線電干擾也隨導(dǎo)線截面的增大而減??；改變線間距對地面合成場強和離子流密度幾乎都不產(chǎn)生影響，但改變水平和垂直線間距會對無線電干擾造成反比變化趨勢，并且導(dǎo)線架設(shè)越高，使得地面的合成場強和離子流密度均越小，無線電干擾也會隨之減小，但波動不大.

此外，劉澤洪[23]在超高壓基礎(chǔ)上對±1100 kV直流特高壓輸電線路進行了研究，其通過改變導(dǎo)線的型式、極導(dǎo)線間距、高度與走廊寬度等措施來控制輸電線路的電磁環(huán)境.杜慶中等[24]針對1000 kV/500 kV同塔混壓四回交流輸電線路電磁暴露安全問題進行了評估，其利用有限元多物理場仿真軟件COMSOL對輸電線路的電磁場進行了計算，并重點分析了導(dǎo)線相序排列對電磁環(huán)境的影響.

3 電磁環(huán)境影響因素與改善措施

3.1 線路特征

輸電線路的導(dǎo)線表面場強是影響導(dǎo)線電暈放電的主要因素，而電暈會伴隨電暈損耗與無線電干擾產(chǎn)生.可見，工頻電場的大小對電磁環(huán)境產(chǎn)生了較大的影響.相關(guān)研究表明，影響電磁環(huán)境的因素眾多，包括均壓環(huán)、導(dǎo)線結(jié)構(gòu)與分裂導(dǎo)線排列順序等.

王黎明等[25]研究了是否安裝均壓環(huán)情況下復(fù)合絕緣子的電場分布，采用有限元法并建立三維模型，其研究認為：配置合適的均壓環(huán)可以有效改善合成絕緣子軸向電位分布的不均勻性，并能有效控制金具端部附近的場強；絕緣子傘裙對軸向電位和電場分布的計算結(jié)果影響不大，而懸掛導(dǎo)線會對復(fù)合絕緣子沿串電場分布的計算結(jié)果造成一定的影響.此外，其研究還通過比較復(fù)合絕緣子在塔窗內(nèi)的2種懸掛方式(V型和I型)下的電場計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2種懸掛方式下的絕緣子的軸向電場強度沒有明顯差異，V型串內(nèi)部的空間電位分布相對均勻.

Huang等[26]利用ANSYS分析工具獲得了工頻電磁場的分布，并討論了線路結(jié)構(gòu)、垂直高度和相間距離對工頻電磁場分布的影響.此外，還對線路周邊人員等的靜電感應(yīng)進行了計算和分析，例如人體周圍的畸變電場、人體內(nèi)的感應(yīng)電流密度以及雨天電場的特殊特性.其研究結(jié)果表明：電場強度可以被有效地通過在一定程度上增加導(dǎo)線的高度來控制，而與相鄰導(dǎo)線相位之間的距離不太相關(guān)；雨天和霧天的電場強度隨時間波動較大；電場的強度在人體表面呈不規(guī)則分布，尤其在頭部隨著變形而增大.該研究結(jié)果和結(jié)論可作為特高壓交流輸電線路電磁環(huán)境評估的重要參考.張喜潤等[27]則研究了異型分裂導(dǎo)線對電磁環(huán)境的影響，其基于有限元法分析了橢圓形模型下的四、六與八分裂導(dǎo)線的導(dǎo)線表面場強達到最優(yōu)時的最佳長短比例，使得輸電線路各參數(shù)趨于均衡與電磁環(huán)境更加優(yōu)化，此項研究結(jié)果將為優(yōu)化分裂導(dǎo)線的電磁環(huán)境提供相關(guān)參考.

另外，Zhang等[28]為了緩解交流電長期運行所導(dǎo)致的輸電導(dǎo)線的電暈放電和電磁環(huán)境問題，分析了輸電線路導(dǎo)線使用年限與電磁環(huán)境的關(guān)系，其研究選擇了幾條長期營運的導(dǎo)線進行電暈籠實驗.根據(jù)電暈籠實驗發(fā)現(xiàn)：電暈放電隨著外加電壓的提高而變得更加嚴重；不同營運年限導(dǎo)線之間的電磁環(huán)境差異較大；隨著使用年限的延長，電暈放電和電磁噪聲的影響變得更加嚴重.該試驗證明了輸電線路的營運年限對電磁環(huán)境有著極其重要的影響.

3.2 覆冰環(huán)境

研究發(fā)現(xiàn)，輸電線路絕緣子的覆冰威脅著電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性.對此，韓興波等[29]和謝慶等[30]分別對輸電線路覆冰問題進行了研究.前者研究的重點是空氣中的水滴運動，分析了水滴從接觸絕緣子開始，到在絕緣子表面形成覆冰的整個過程，以及絕緣子表面直流電場的影響規(guī)律，通過人工覆冰試驗，驗證了直流電場在不同情況下對復(fù)合絕緣了表面覆冰的影響，并對覆冰速率及覆冰形態(tài)進行了分析.相對于不帶電的環(huán)境，在帶電干增長覆冰條件下，復(fù)合絕緣子表面的覆冰會顯得更加粗糙而不光滑，覆冰也會朝著各個方向增長.雖然電場在濕增長覆冰條件下對復(fù)合絕緣子覆冰速率影響較小，但是電場的存在會使得覆冰彎曲生長.其研究表明，在帶電條件下，覆冰現(xiàn)象更明顯，導(dǎo)致電場強度增大，造成電磁環(huán)境的影響加劇.而后者則是全面研究了覆冰對整個電磁環(huán)境的影響.其研究采用控制變量法，通過改變相關(guān)變量，如輸電線路間的距離、分裂導(dǎo)線根數(shù)、子導(dǎo)線外徑、分裂間距以及輸電線的高度，分析了電磁環(huán)境在不同參數(shù)下的變化，并對比了有覆冰和無覆冰情況下的差異.其研究表明，輸電線路導(dǎo)線的覆冰會導(dǎo)致導(dǎo)線表面和導(dǎo)線下方的電場強度出現(xiàn)明顯增大，并嚴重影響電場強度，甚至造成輸電線路的畸變，但線路周圍的磁場分布卻幾乎不受覆冰影響，而主要受輸電線路的自身弧垂的影響.

3.3 電磁環(huán)境改善措施

研究表明，為控制或降低輸電線路對周邊電磁環(huán)境的影響，工程人員在設(shè)計與架設(shè)高壓輸電線時，應(yīng)對輸電線路進行合理規(guī)劃，且線路應(yīng)盡量避開居民區(qū)、人口密集區(qū)及環(huán)境影響區(qū)[31].同時，在條件允許的情況下，還可采取有針對性的措施來改善輸電線路對電磁環(huán)境的影響.

1)輸電線路的工頻電場.輸電線路的電場強度主要取決于導(dǎo)線對地高度、相導(dǎo)線的布置方式、導(dǎo)線分裂數(shù)以及導(dǎo)線相序的排列方式等[32].因此，在輸電線路設(shè)計時可以采取提高導(dǎo)線的對地高度以及改變導(dǎo)線相序排列等手段來減小工頻電場；其次，對于單回線路可采用倒三角形布置，而雙回線路則采用逆相序排列方式[33]，這樣做既可以有效地減小輸電線路下方的工頻電場強度的最大值，又可以節(jié)省線路走廊；第三，可以把線路設(shè)計為緊湊型，同時在輸電線路下方種植針對性的樹木來降低工頻電場的影響[34].

2)輸電線路的工頻磁場.首先，架高輸電線能減小輸電線路下方的工頻磁場；其次，改變相序、增加桿塔呼稱高也可以減小磁感應(yīng)強度值[35]；再次，減小輸電線路導(dǎo)線的弧垂，這樣做既能降低工頻磁場強度，還能有效節(jié)約成本，同時，把受到影響的輸電線、信號線、通訊線改為電纜；最后，輸電線路的導(dǎo)線排列方式采用倒三角方式排列[36].

3)輸電線路的無線電干擾.首先，增加輸電線路的導(dǎo)線對地高度，改變導(dǎo)線直徑、導(dǎo)線相間距與導(dǎo)線的分裂根數(shù)；其次，調(diào)整導(dǎo)線截面積及減小導(dǎo)線分裂間距都能減小輸電線路下方的無線電干擾值[37]；第三，可以改變相序布置，增加桿塔呼稱高，即通過減小磁場強度從而間接降低無線電干擾[38].

4 總 結(jié)

本研究結(jié)合工頻電場、工頻磁場及無線電干擾3種電磁環(huán)境參數(shù)的相關(guān)標準，根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究對輸電線路的電磁環(huán)境就其計算方法、影響因素及防護措施等方面取得的研究成果進行了詳細的回顧與分析.本研究認為，計算輸電線路的電磁環(huán)境的方法包括有限元法、模擬電荷法、矩量法、積分法以及半數(shù)值法等，其各有優(yōu)缺點.因此，在實際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同的輸電線路來選擇合適的方法.由于不同電壓等級下的電磁環(huán)境影響規(guī)律雖然相同，但其影響程度不同，所以要參照不同的電壓等級來采取相應(yīng)措施，且隨著電壓等級的增大，防護措施也應(yīng)隨之進行研究與改進.事實上，電磁環(huán)境的影響因素眾多，例如覆冰環(huán)境會加劇對電場強度的影響，對此還需進一步對覆冰問題深入研究.

本研究認為，加大對輸電線路電磁環(huán)境的進一步的研究，人們就能更好地掌握其規(guī)律來制訂更為合理有效的安全防護措施.有理由相信，未來的特高壓輸電線路建設(shè)工程在規(guī)劃、設(shè)計與實際應(yīng)用中將會更加合理與科學(xué).