超高压及特高压输电线路的电磁环境研究.pdf

《超高压及特高压输电线路的电磁环境研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超高压及特高压输电线路的电磁环境研究.pdf（97页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、浙江大学硕士学位论文超高压及特高压输电线路的电磁环境研究姓名：胡白雪申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：周浩20060501浙江大学硕士学位论文摘要目前我国的电网结构，已经不能满足我国国民经济快速发展所需要的电力供应，另外我国能源资源和负荷分布的特点也决定了我国势必要建设远距离、大容量的特高压输电系统。根据国网建设有限公司的规划，近几年内将建设1 0 0 0 k V特高压输电线路。随着全球经济的不断发展和民众环境意识的增强，输电工程的电磁环境问题越来越受到人们的关注。同时，电压等级发展到了特高压阶段，电磁环境已经成为决定输电线路结构、影响建设费用等的重要因素。本文就交流超高压及

2、特高压输电线路电磁环境问题进行了研究。输电线路的电磁环境参数主要包括工频电场、工频磁场、无线电干扰和可昕噪声四个方面。本文利用加拿大S E S 公司出品的C D E G S 软件包对交流超高压以及特高压输电线路就这四个方面进行了详细的仿真研究。针对每个电磁环境参数，分别介绍了其理论计算方法、主要影响因素、降低措施以及相关标准等，并对工频电磁场的生态效应进行了阐述。本文着重研究了特高压输电线路的工频电磁场降低措施，并提出了在特高压输电线路下方架设屏蔽线和架设低压输电线路来降低输电线路下方工频电磁场的方法，并对其进行了详尽的仿真。仿真结果表明：在相导线与地面之间安装几根屏蔽线可以明显减小输电线路下

3、方的电磁场。而在特高压输电线路下方架设低压线路如2 2 0 k V 线路也可以大大减小输电线路下方的工频电磁场，甚至比前一种方法效果更好，这种方法可以节省输电走廊、节约土地。对于无线电干扰x浙江大学硕士学位论文A b s t I 浊c tN a w a d a y s，m ep a w e rs y s t e ms 乜咖eo fo u rc o u n t 珂c a n n o ts u p p l ye n o u g hp o w e rf o ro u rc o u n t r y sc c o n o m i cd e v e l o p m e m，a n dt l l ed i

4、蛐b m i o no fe n e 唱yr e s o u r c ea 1 1 dl o a dd e t e n n i I l et l l a t、V eh a V et oc o n s 劬J c tl o I 培d i s t a n c e，g r e a tc a p a b i l i t yU H v 廿a n s m i s s i o nl 沁W t h 也e 出o b a le c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dp e o p l e si n c r e a s 血g 锄v i r o 啪e ma w a r e n e

5、 s s，t h ee l e c 订o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t a lp r o b lx浙江大学硕士学位论文1 1 问题的提出第一章绪论1 1 1 我国特高压发展迫在眉睫从1 9 7 8 年改革开放以来，我国国民经济保持持续快速增长，经济的快速发展必然带动电力工业的快速发展，特别是近年来，随着用电需求的持续快速增长，电力发展速度进一步加快。装机容量从解放初期1 9 4 9 年的1 8 5 万k W 增长到2 0 0 4 年底的4 3 9 亿k W，年均装机容量增长率超过1 0【l】。其中2 0 0 0 2 0 0 4 年，我国发电装机容量年

6、均新增2 8 3 9 万千瓦，用电量年均新增1 9 2 9 亿k W h，其中，2 0 0 4 年新增发电装机容量超过5 0 0 0 万k W，用电量增长超过2 5 0 0 亿k W h。从1 9 9 6 年起，我国电网装机总容量和总发电量已稳居世界第二。2 0 0 5 年底，全国发电装机容量已经超过5 亿k W。根据2 1 世纪上半叶我国国民经济发展要求，预计到2 0 2 0 年全国装机容量将达到1 1 0 0 1 2 0 0 G W 2 5 J。而我国目前的电网结构，很难满足国民经济快速发展所需要的电力供应。由于近年来我国电源超常发展，电网建设严重滞后，输电能力不足，电网与电源发展不协调的

7、矛盾十分突出：(1)现有5 0 0 k V 跨区同步互联电网联系薄弱，输电能力严重不足，大电网的优越性难以发挥；(2)区域电网之间水火互济和跨流域补偿能力明显不足；(3)现有电网难以满足远距离、大容量输电的需要【6】。因此，需要建设更加坚强的电网以适应经济快速增长的需要，保障国家能源安全和经济安全。另一方面，我国能源资源和负荷分布特点决定了我国建设远距离、大容量的特高压输电系统。我国能源和负荷地理分布极不均衡，能源资源和生产力呈逆向分布，能源丰富地区原理经济发达地区。水力资源的6 8 左右分布在西南地区，煤炭资源的7 6 左右分布在华北、西北地区，而用电负荷的7 0 左右则主要集中在东部沿海附

8、近。西部能源基地与东部负荷中心距离在5 0 0 2 0 0 0 k m 左右。这就决定了我国要解决2 1世纪上半叶的电力供应问题，就必须在大力开发水电和火电的同时建设全国能源传输通道，实现长距离大容量的“西电东送和北电南送”，从而实现全国联网，充分发挥电网的水火互补调剂及区域负荷错峰作用【7。引。同时，建设特高压电网还1 浙江大学硕士学位论文有利于加快新疆火电和西藏水电的开发利用，具备将周边国家发电能源纳入我国市场进行优化配置的条件。因此，建设远距离、大容量的特高压输电系统，形成特高压电网输电、铁路运输大通道为支撑，相互补充，分工合理的能源运输方式是输送能源的必然选择。国家能源领导小组办公室已

9、将特高压输电工作列为能源工作的重点，要求科学论证，搞好特高压输电试验示范工程建设和设各国产化方案，为特高压电网的规划建设指明了方向。2 0 0 5 年2 月1 6 日，国家发展改革委员会下发了关于开展百万伏级交流、8 0 0 k V 级直流输电技术前期研究工作的通知(发改办能源 2 0 0 5 1 2 8 2 号)，标志着特高压输电工程前期研究进入实质性阶段。2 0 0 5 年初，国家电网公司启动了特高压输电工程关键技术研究和可行性研究，并通过多种形式组织国内外电力研究、设计、咨询和设备制造厂商进行交流和研讨，在国际电力行业掀起了特高压输电技术研究和开发的新一轮热潮。2 0 0 6 年是“十一

10、五”的开局之年，特高压输电工程建设是国家电网公司工作的重中之重。2 0 0 6 年四月五日发布的“十一五”电网、科技规划及重点技术课题中指出：“十一五”期间，特高压电网重点建设晋东南一南阳一荆门交流特高压试验示范工程和淮南一芜湖一浙北一上海特高压线路工程。1 1 2 电磁环境问题是制约特高压建设的一个关键问题(1)高压输电线路的电磁环境越来越受到人们的关注输电线路和变电站的生态环境影响主要表现在土地的利用、电晕所引起的通信干扰，以及可听噪声、工频电磁场对生态的影响等方面。由于特高压输电电压高、分裂导线多等特点，必然导致导线表面电场强度以及输电设备周围的空间电场强度的升高，而特高压输电线路和变电

11、站出现的电晕现象和强电场效应对人体和生态环境是否会带来危害，一直是人们非常关心的问题 1 0 q 2 J。事实上，在场强较高的区域活动时，某些人会产生毛发竖立或皮肤刺激感，甚至在某些情况下会因人体与其他物体间发生火花放电和电击引起明显的刺痛，对于平地站立的人会引起烦恼，对于高空作业而又没有思想准备的人还可能引起坠落事故。除了以上可以直接感受到的效应外，一个更引起普遍关注的问题是，浙江大学硕士学位论文电场长期作用对生态的影响。尤其是工频电磁场的生态效应，1 9 7 2 年，苏联关于超高压变电站工人反映电场对身体有影响的报告在大电网会议上发表后，引起了很大的轰动，所报导的影响有头痛、疲倦、性功能减

12、退和其它一些变化【1 3】。3 0 年来，世界各国对此进行了大量的试验研究。不少问题还正在继续研究中。2 0 世纪6 0 年代开始，关于工频电磁场是否对流行病产生影响引起了学术界的广泛关注。尤其是1 9 7 9 年W c r t h c i m e r-L e e p e r 的一篇关于工频磁场和儿童癌症的研究报告引起了公众和科学界对工频磁场的广泛关注【1 4 J。该报告是基于在丹佛对儿童癌症的一项流行病学调查，调查发现那些得癌症的儿童的生活环境普遍靠近电力变压器或输电线路。由此他们认为工频磁场环境可能使儿童由于癌症而导致死亡的可能性提高2 3 倍。工频电磁场的生态效应近3 0 年来一直是人们

13、关注的焦点。近年来国内外还有许多流行病学调查报告，包括工频电磁场与对人体免疫功能的作用、工频电场与肿瘤的关系、工频电磁场对作业人员记忆力、注意力的影响、磁场辐射与白血病、胸癌发病率增高有关等 1 5-2 1】。虽得出的结论存在很大的非一致性，关于工频电磁场的生物效应至今没有一致准确的定论 2 2 1。但无疑给人们造成了巨大的心理阴影，譬如，现在高压输电线路附近的商品房销售情况很差，人们在选择时还是会考虑高压线的影响，不愿居住在高压输电线附近。而如今特高压输电线路的建设无疑又给人们造成更大的心里压力，势必影响不久建设的特高压输电线路。因此对特高压输电线路电磁环境的问题进行详尽的研究是非常必要的。

14、电晕影响主要表现为无线电干扰、电视干扰及可听噪声。电晕放电产生高频电磁场引起的电波杂音，将对无线电设施的正常受信产生干扰，影响电力线路周围居民无线电广播和电视的收听及收看。对于2 2 0 k v 及以下线路，这一干扰已引起重视，随着输电发展到超高压，这种影响更为明显。当线路设计不好时，对这种“电磁污染”的处理，轻者是电力部门为申诉者购买质量更好的收音机予以补救，严重时则需要重新架设线路。与工频电场、磁场、无线电干扰无声、无形、无影不同，可听噪声是一种人们听觉直接感受到的现象，所以更容易形成投诉的焦点问题。随着人们保护环境呼声的日益高涨，在一些国家，来自公众的阻力开始给电厂、变电所和线路走廊的选

15、址带来许多困难，或者订出了许多严格的限制。因此，浙江大学硕士学位论文我国建设特高压输电工程更应重要特高压线路的电磁环境问题。(2)有些电磁环境参数决定了线路参数的选择电压等级发展到特高压阶段，环境问题已成为输电工程建设中一个影响极大的方面。大多数情况下，输电线路导线截面的选择、导线对地净空距离的确定等，已不是根据工作电流或绝缘要求了，而是由电晕特性及对地面场强的限制要求来决定【2 3 锄1。特高压电磁环境影响问题对特高压线路导线的选择起决定性作用，特别是地面电场强度和可昕噪声问题。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，直接影响线路建设成本。输电线路电晕放电产生的

16、可听噪声，与有同一声压级的一般环境噪声相比，通常更令人厌烦。美国初期建设的几条5 0 0 k V 和7 6 5 k V 交流线路，由于导线表面场强较高，引起的噪声受到附近居民大量地抱怨，甚至出现过可听噪声引起居民诉诸法律的问题，后来这些超高压输电线路只得降压运行，更换为大直径得导线。一些研究表明，对于特高压线路，可听噪声特别是恶劣天气产生的可听噪声将是选择导线结构、影响费用以及确定输送电压的主要因素。从建设、设计和运行经验来看，7 5 0 k V 及其以下线路的无线电干扰是线路设计的控制条件，线路设计满足无线电干扰限值要求后，可听噪声自然满足。对于特高压线路，可听噪声，将是线路设计的控制条件，

17、决定了特高压输电线路的相导线结构和布置。1 2 国内外研究状况1 2 1 国外研究情况2 0 世纪6 0 年代中期，国际上开始了交流特高压(1 0 0 0 k V 及以上)输电技术的研究，并已经取得了很大进展。迄今，美国、前苏联、日本、意大利、巴西、加拿大、印度等国都进行了交流特高压输电的研究。一些国家的交流特高压输电技术已经过试验室阶段而进入了工业性试验阶段。(1)美国浙江大学硕士学位论文美国是研究特高压输电最早的国家，在特高压输电技术方面进行了深入的研究，其中A E P、B P A、G E 和E P R I 等公司和机构围绕特高压开展了大量的科研和试验验证工作并做了大量的试验。尽管美国迄今

18、尚未在工程中采用特高压输电技术，但其研究和试验是非常完善的。美国特高压研究包括两个电压水平：一个是以美国电力公司(A E P)为代表的1 5 0 0 千伏特高压(最高电压1 6 0 0 千伏)；另一个是以美国邦纳维尔电力公司(B P A)为代表的1 1 0 0 千伏特高压(最高电压1 2 0 0 千伏)。美国电力公司(A E P)和瑞典通用电气公司在匹茨费尔德附近建立了特高压研究试验站，特高压线路长3 0 5 m，特高压变压器一台，电晕笼两个，从1 9 7 4年开始开展了大量试验研究，研究包括可听噪声、无线电干扰、电晕损失和其他环境效应的实测。美国邦纳维尔电力公司(B P A)建成莱昂斯电气试

19、验场和莫洛机械试验线段，从1 9 7 6 年开始进行特高压线路的机械结构的研究，并进行了电晕和电场、生态和环境、操作和雷电冲击绝缘研究等。美国电力研究院(E P R I)1 9 7 4 年开始在G E 雷诺特高压试验场建设1 0 0 0 1 5 0 0 k V 长5 2 3 m 的三相试验线路并投入运行，进行了长达三年的试验研究，试验电压达到1 5 0 0 k V，其中测量了电磁环境指标，并进行了特高压输电线路电场效应的研究。此外，美国对特高压线路电场对庄稼、天然生长蔬菜、蜜蜂、野生动物、家禽影响的生态也进行了研究。1 9 7 6 年开始，B P A 在莱昂斯试验场和莫洛机械试验线段上进行特高

20、压线路的广泛研究和开发。在特高压输电技术的前期研究中，建成了特高压输电的试验室和试验场，美国邦维尔电力局(B P A)曾计划建设l1 0 0 k V 电压等级输电线路，还曾设计了相导线正三角型布置的自立式铁塔，在试验站建立了试验线段进行了试验运行。此外，美国电力公司(A E P)也曾研制了适用于1 5 0 0 k V 线路的铁塔。对可昕噪声、无线电和电视干扰、工频电场效应等问题做了较为系统的研究，己取得了大量成果。(2)苏联前苏联发展特高压输电是由其能源分布和负荷中心位置所决定的。2 0 世纪8 0 年代，世界上不少国家都在研制特高压输变电产品，但只有苏联依托工业性试验线路，研制除特高压电气设

21、备，并在真实的条件下长期既带电压又带负荷考浙江大学硕士学位论文验。前苏联于2 0 世纪7 0 年代开始研究特高压，1 9 7 2 年之前集中精力从事特高压基础研究，其中包括对线路的环境影响进行了深入研究，取得了大量研究成果，为特高压电网建设奠定了坚实的基础。1 9 7 3 1 9 7 4 年，前苏联在别洛亚斯变电站建设了1 1 7 k m 长的三相特高压试验线段，开展了特高压试验研究。1 9 7 8 年，前苏联建设了从伊塔特到新库茨涅克长达2 7 0 k m 的工业性试验线路，进行了各种特高压设备的现场考核试验。前苏联是世界上第一个建成交流特高压工程并投入工业化运行的国家，在前期研究的基础上，

22、至1 9 8 1 年共建设了1 1 5 0 k V 特高压线路2 3 4 6 k m：埃基巴斯图兹一科克切塔夫线段长5 0 0 k m，于1 9 8 5 年建成，并按额定电压投运；科克切塔夫一库斯坦奈线段长3 9 0 k m，于1 9 8 8 年建成并投运，后因苏联解体，负荷需求改变，于1 9 8 9 年全线降压为5 0 0 k V 运行，该线路曾是世界上按额定电压正式运行过的唯一特高压输电线路。(3)日本日本从1 9 7 2 年第一条5 0 0 千伏交流输电线路投入运行开始，就启动了特高压输电技术的研发计划。在完成了三个阶段对特高压输电技术研究和设备的研制的基础上，于1 9 8 8 年开始动

23、工建设特高压输电工程，到1 9 9 5 年已建成1 0 0 0 k V特高压输电线路3 5 0 k m。己建成的两段线路先后于1 9 9 2 年4 月和1 9 9 3 年1 0 月降压为5 0 0 k V 运行，未完成的部分在继续建设。日本对环境十分重视，在1 0 0 0 k V输电线路建设前，成立了特高压输电研究促进委员会。委员会下设了几个专委会，其中就有环境分会。日本在赤城建立了环境试验场，利用试验线段、电晕笼等对各种生态效应、无线电和电视干扰、可听噪声、感应电击以及臭氧等现象进行大量试验观测，取得特高压输电线路电磁环境方面大量成果。在线路的电场影响方面，研究证明，动、植物通常在电场强度5

24、 0 k V m 以上才能显现出反应莱。在特高压线路附近，人类经常活动区域的电场强度控制为该值的1 1 0 以下，对人类几乎没有影响。在线路的磁场影响方面，主要研究了不同磁场强度对果蝇、大白鼠等的影响。比较了果蝇从第1 代至第4 0 代在0 5 m T 和5 m T 磁场下的突然变异发生率，研究了大白鼠2 年时间内在O 5 m T 和5 m T 磁场下生存率。通过解剖所有研究对象，检查其内脏器官状况，发现高达1 4 r o T 的磁场对这些动物的生存和遗传无影响，而特高压线下的最高磁场不到O 1 m T，对人类和动物不会产生危害。浙江大学硕士学位论文日本在减小电晕噪声方面，采用大截面导线即8

25、1 0 m m 2 导线，分裂数为8 分裂，分裂直径1 0 4 m，并对新导线进行人工老化处理的方法。这样，导线下的可听噪声可控制在5 0 d B 以下。由于日本是海洋性气候，季风十分明显，而且持续时间长。因而导线在1 0 m s 以上的大风时，会产生很大的风噪声。在导线上绕螺旋线可有效地抑制风噪声，但导线上缠绕螺旋线后，电晕噪声水平将增大，为此，他们研究了一种新的导线，既能降低风噪声，同时又具有低的电晕噪声。(4)意大利意大利国家电力局(D 也L)根据本国电网发展经验，认为负荷每2 0 年翻两番，需要同步引入新的电压等级。E N E L 通过技术经济比较，认为在已有的4 0 0 k V电网上

26、叠加百万伏级的新电压等级电网是最好的选择，并计划采用1 0 0 0 k v(最高运行电压1 0 5 0 k V)输电线路实现南电北送，设想该工程在1 9 9 5 年前后投运。自1 9 7 1 年，意大利开始了1 0 0 0 k V 特高压输电领域的研究、开发和论证工作。1 9 7 6 年，在萨瓦雷托试验站建设了长度为l k m 的特高压试验线路和主要由4 0 m电晕笼组成的电晕、电磁环境试验设备，进行了特高压的基础研究。在试验段上进行了可听噪声、无线电干扰、电晕损失的测量。试验三种不同的导线结构即1 5 m m 子导线直径，子导线间距为O 4 5 m 的6、8 和1 0 分裂导线的试验。在电晕

27、试验笼内，对多达1 4 根子导线的对称型分裂结构，6、8 和1 0 根子导线的非对称型分裂结构以及0-2、0 4、O 6 m 直径管形导线进行了试验。在电场的生态效应方面，在萨瓦雷托的特高压试验线段下以及在试验笼中对老鼠、野鼠、兔子、狗在电磁场反应进行试验研究。2 0 世纪9 0 年代后期，由于电力需求趋缓，意大利国家电力局的特高压计划至今未按计划实施。(5)加拿大加拿大北部和中部有丰富的水利资源，但电力负荷多集中在南部。为优化资源配置，加拿大经比较研究决定采用双回1 0 0 0 k V 输电方案。进而加拿大魁北克水电研究院开展了大量特高压的研究，取得了丰富成果。为进行线路导线电晕研究，魁北克

28、水电局建设了户外试验场，该试验场由试验线路和两个电晕笼组成，试验线段档距长3 0 0 m。主要用于最高至1 5 0 0 k V 交流和1 8 0 0 k V 直流的分裂导线电晕试验。在该试验场开展了四种分裂导线结构的研究，分别为8 4 1 4 m m、浙江大学硕士学位论文6 x 4 6 5 3 m m、8 4 6 5 3 m m 和6 x 5 0 7 3 m m。另外，在试验笼中进行了一般的研究，用以评价从1 1 6 根子导线的分裂结构，导线尺寸在2 3 5 7 7 2 m m 范围内的特性变化。由于今年加拿大电力增长缓慢，北部巨型水电站推迟，特高压工程的实施也相应推迟。(6)巴西巴西发展特高

29、压输电主要是为了开发亚马逊右岸几条重要支流的巨大水能，早在2 0 世纪9 0 年代，巴西电力中央研究所C E P E L 就开始与有关制造厂共同研究特高压直流输电技术，制造了部分模型设备，并且进行了长期带电试验，取得了初步成果。目前，巴西正积极开展国际合作，参与我国主导的特高压直流输电研究。1 2 2 国内研究情况我国于2 0 世纪8 0 年代初开始了3 3 0 和5 0 0 k V 以上更高电压等级的论证。在论证的基础上，国家明确提出5 0 0 k V 以上的输电电压为1 0 0 0 k V 特高压。1 9 8 6年起就开展了“特高压输电前期研究”项目，1 9 8 6 年1 9 9 0 年特

30、高压输电前期研究被列为国家攻关项目，开始了对特高压交流输变电项目的研究；1 9 9 0 年1 9 9 5 年国务院重大办开展了“远距离输电方式和电压等级论证”；1 9 9 0 年1 9 9 9年国家科委就“特高压输电前期论证”和“采用交流百万伏特高压输电的可行性”等专题进行了研究，对特高压输电有了一定的认识。截至2 0 0 4 年，共完成特高压研究项目3 7 项，取得了一批重要成果。2 0 0 5 年初，国家电网公司又启动了特高压输电工程关键技术研究和可行性研究，组织了几乎所有的国内有实力的科研单位、大专院校、设计院、咨询单位和设备厂家，各取所长、各尽所能地进行了相关关键技术的研究。根据制定的

31、特高压交流输电关键技术研究框架，分三批下达了共计4 6 项特高压交流输电技术研究课题。第一批课题中，中国电力科学研究院承担了“1 0 0 0 k V 级交流输变电工程对区域生态环境影响的研究”子课题，完成时间为2 0 0 5 年6 月；武汉高压研究所承担了“1 0 0 0 k V 级交流工程电磁环境的研究”子课题，计划完成时间为2 0 0 6 年6 月。第二批课题中，武汉高压研究所又承担了“1 0 0 0 k V 级交流工程导浙江大学硕士学位论文线截面及其分裂形式的研究”子课题，计划完成时间为2 0 0 6 年6 月。这些课题对特高压电磁环境问题取得了许多成果，认为只要设计合理，可以使特高压输

32、电工程的工频电场、工频磁场和可听噪声水平与超高压输电工程相当；提出我国特高压输电线路的工频电场、工频磁场和可听噪声的限值的建议；对陕北一晋东南一南阳一荆州一武汉和淮南一皖南一浙北一上海1 0 0 0 k V 交流输电示范工程进行了环境试验，认为符合保护要求，线路和变电站不会对区域生态环境构成不利影响，但可能对沿线景区的景观有所影响；对单回路和双回路同相序、逆相序布置方式特高压输电线路情况下的工频电场、工频磁场进行了研究，提出了线路最小离地高度等。但是目前国内对特高压输电线路电磁环的研究基本上基于试验数据，而且试验是在单相加压的情况下得到的，因此对我国特高压输电线路电磁环境问题进行仿真研究是十分

33、必要的。浙江大学硕士学位论文第二章特高压输电线路的工频电场2 1 引言交流输电线路工作时，导线上的电荷将在空间产生工频电场，导线内的电流将在空间产生工频磁场。电场一般用电场强度描述。工频电场能在人和物体上感应出电压。在强电场中，对地绝缘的人接触接地物体，处于地电位的人接触对地绝缘的物体，可能会有能感觉到的电流流过人体或出现不愉快的火花放电。这是工频电场的短期效应。关于工频电场另外一个问题是，工频电场是否会产生长期的生态影响。随着电压等级的提高，尤其发展到特高压阶段，输电工程的工频电场和磁场的长期生态影响如何，已经变成人们关注的焦点。而且选择输电线路走廊，除了考虑电气强度因素外，输电线路下方的电

34、场强度是一个重要因素。本章论述的内容包括：高压输电线路下方感应工频电场的计算方法、输电线路结构参数对电场分布的影响，输电线路的各种减小措旋、工频电场的生态效应以及目前国内外标准。2 2 输电线路的电场数值计算方法静电场的数值计算法大体可分为两大类。一类是从描述静电场一般规律的微分方程拉普拉斯方程或泊松方程出发，将电场连续域内的问题变为离散系统的问题来求解。也就是说，把场域空间划分为适当的网格，以网格节点的电位为我未知数，利用己知的边界条件，写出一组对节点上的电位求解的线性方程组，从而求出电场空间分布的近似解。属于这一类数值计算法的有：有限差分法和有限元法。另一类以边界上的电荷分布或一组虚设的模

35、拟电荷为未知数，根据库仑定律直接决定的由电荷分布求电位的积分方程，利用己知的边界条件，写出一组对电荷求解的线性方程组，再按所求得的电荷，得出电场空间分布的近似解。属于这一类数值计算法的有：模拟电荷法、矩量法和边界元法。此外，各类数值计算方法也可以相互结合，例如微分和积分组合型数学模型的单标量磁位法等。浙江大学硕士学位论文2 2 1 各种数值算法的比较有限差分法在1 8 9 2 年就开始应用于力学问题，只有在计算机技术发展后，才使它在工程上得到广泛应用。差分法不仅用于电场计算，通常它是偏微分方程式的数值解法的一种，它是把连续场域内的问题变换为离散系统的问题，通过离散点的数值解来逼近连续场域内的真

36、实解。更具体的说，差分法的基本思想是把场域用网格来进行分割，在把拉普拉斯方程式用以各个网格的节点的电位作为未知数的差分方程式来进行替换。有限元法是一种求解微分方程的系统化数值计算方法，随着计算机技术的发展，近年来这一方法已推广应用到很多技术和科学领域。5 0 年代初有限元法首先应用于飞机结构设计问题，后来在结构力学、流体力学、传热学等领域的数学物理问题种得到广泛应用。有限元法在6 0 年代被应用于电磁场问题，现在已成为电磁场问题求数值解的主要方法之一。有限元法是以变分原理为基础，吸取差分格式思想而发展起来的一种数值计算方法。差分法着眼于场域中的各点(网络节点)，直接从拉普拉斯方程来建立各网格节

37、点的电位关系式；而有限元法则着眼于场域的各个部分(有限元)，并把这些单元的特性(电场计算中指电位)假设为简单的关系式，最终整个场域的位能将由各点电位表示出，而按照使位能最小的原则来定出各点的电位。差分法和有限元法的根本区别在于建立空间电位僻的联立一次方程式的过程。有限元法的程序和输入数据都比差分法复杂。比较简单的电场(如单一介质，边界也不复杂)，不用差分法而用有限元法可以说没有什么优越性。但是由于有限元法具有在场域的分割上具有自由度、边界处理容易、计算方法具有灵活性等优点，今年来有限元法的应用不断增加。下面就有限差分法、有限元法及等效电荷法从五个方面进行分析比较。(1)场域范围有限差分法和有限

38、元法都是将连续的场域化为有限数量的离散节点，因此待求场域应是有界的。而模拟电荷法则是将电极表面或介质分界面上连续分布的电荷用电极内部或介质分界面两侧的离散电荷来代替，场域可以是有界或无界的。(2)边界形状对于有限差分法，由于程序简单，占机容量小，所以有可能采用较密的网格，浙江大学硕士学位论文再配合以不等步距的网格划分格式，便能在一定程度上适应边界不规则的边值问题。尽管如此，由于有限差分法的网格划分比较单一，因此对边界几何形状的适应性较差。有限元法中的单元划分不像有限差分法的网格划分那样单一，因此较易适合几何形状复杂的场域边界。采用曲线或曲面单元，更可提高它对边界几何形状的适应性。就模拟电荷法而

39、言，对边界形状比较复杂的场域，只需用较少的模拟电荷，计算很容易实现。若边界形状变化比较急剧，则需要较多的模拟电荷，所需计算机容量及计算时间都增加。因此，对具有较多曲率半径过小的边界的系统，模拟电荷法的实用性就较差。(3)场域维数计算二维场或轴对称旋转场时，有限差分法、有限元法和模拟电荷法都不太复杂，适应性都很好。计算三维场时，用有限差分法或有限元法和模拟电荷法需要将场域离散为许多节点，求解场量节点电位的线性代数方程组等于节点总数。由于计算准确度与节点密度有关，当计算准确度相同时，计算量与场域大小，即与场域直线尺寸的立方成比例。采用模拟电荷法时，是将电极表面和介质分界面处连续分布的电荷离散化，求

40、解模拟电荷电量线性代数方程数等于电荷总数。相同计算准确度时，计算量与边界面大小，即与场域直线尺寸的平方成比例。所以，对三维场的计算采用模拟电荷法较为优越，计算工作量相对较少，而且不容易出错误。(4)介质种类对于有限元法，不管场域是由单一介质或几种介质组成，它的计算过程是相同的，只是单元介电常数随单元位置而异，对计算不增添麻烦。而对于模拟电荷法，当存在有介质分界面时，需在分界面两侧分别布置模拟电荷，计算场量时也要考虑不同介质分别进行，这增加了发出方程的种类和数量，计算也要复杂得多。因此，对于三种介质以上的静电场问题，使用模拟电荷法就比较困难。(5)电场强度计算关于电场强度的计算，在有限差分法中，

41、是根据节点电位，按平均电位梯度来考虑的。对有限元法，当使用最简单的三边形或四面体基本单元时，单元内电浙江大学硕士学位论文位与坐标成线性关系，也就是在一个单元内部，电场被认为是均匀的。由此可知，由有限差分法及有限元法计算所得电场强度可能会有较大误差。对有限元法，可以改用等参数单元，使单元内电场强度与坐标成一次或两次关系，以减少计算误差，但和实际情况仍有一定偏差。用模拟电荷法求解静电场问题，当求解出模拟电荷的电量后，电场强度可按叠加原理由各模拟电荷在空间某点产生的场强向量进行合成，所得结果比较可靠。综上所述，在计算高压输电线下空间电场的分布时，采用等效电荷法具有优越性，简便易行，且能保证精确度。2

42、 2 2 模拟电荷法理论基础模拟电荷法(c h a r g es i m u l a t i o nm e t h o d)是基于电磁场的唯一性定理，将电极表面连续分布的自由电荷或介质分界面上连续分布的束缚电荷用一组离散化的模拟电荷予以等值替代，这样，应用叠加原理，将离散的模拟电荷在空间所产生的场量叠加，即得原连续分布电荷所产生的空间电场分布【2 6】。静态电场的数学模型可归结为以电位函数Q 为待求量的泊松方程或拉普拉斯方程的定解问题，但在实际工程问题中，电极(导体)表面上连续分布的自由电荷以及介质分界面上连续分布的束缚电荷，其分布情况往往是未知的，不能直接由给定的边界条件解出。若在计算场域之

43、外设置聍个被称为模拟电荷的离散电荷来等效替代这些待求的连续分布电荷，则依据等值替代前后边界条件不变的前提条件，即可求得各模拟电荷的量值，从而使场域内任意一点的电位与场强便可由各模拟电荷所产生的场量(p，F)叠加而获得，以此作为原场的逼近解，这就是模拟电荷法的基本思想。以单一均匀介质的电场问题为例，模拟电荷法的应用步骤如下：在计算场域外设置n 个模拟电荷Q 荸世骠驾脚42086420童荸避鼎霹廿浙江大学硕士学位论文导线对地距离由1 0 m 抬高到l l m 时，贮降低1 5k V m，而往上依次抬高l m时，最大电场强度依次降低1 2、1 0、0 8、O 6 8 7 k V m。由表2 2 可以

44、看出，当导线对地距离由1 8 m 抬高到2 0 m 时，最大场强降低1 9 2 8 m，而往上依次抬高2 m时，最大场强依次降低1 5 3、1 2 2、1 0 1 5、O 8 2 5 k V m。因此，当导线最低距离不大时，增加导线对地距离，地上1 5 m 的场强减小得很显著；随着导线对地距离得增加，场强减小程度逐渐缓慢。因此，当导线对地距离增加到一定程度，再靠抬高导线来减小地面附近的电场强度，经济投入会比较大。2 3 3 相间距离的影响为研究相导线相间距离变化对线路下方电场强度的影响，分别对图2 5、图2-6 中5 0 0 k V 超高压和1 0 0 0 k V 特高压模型进行了仿真。对于5

45、 0 0 k V 特高压模型，相间距离取1 0 m、l l m、1 2 m、1 3 m 和1 4 m；对于1 0 0 0 k V 特高压模型，相间距离分别取2 0 m、2 1 m、2 2 m、2 4 2 m 和2 5 m。图2-9、图2-l O 分别为对应不同相导线相间距离的情况下，5 0 0 k V 特高压模型和1 0 0 0 k V 特高压模型的E l，。横向分布曲线。为清晰起见，表2 3、表2-4 列出了图2 7 和图2-8 中对应高度的艘。Ee剖静霹脚励&-斗1肜I 瓜J=娩一妒W山励f、，g、4 5一孽蕊kEN5 0 一4 0 3 0 2 0 1 001 02 03 04 05 0离

46、线路中心的距离(m)J 一1 0 m；2 一l l m；3 1 2 m；4-1 3 m；5-1 4 m图2-9 单回水平布置5 0 0 k V 输电线路在不同相间距离时的电场强度横向分布浙江大学硕士学位论文l蔷馨脚剧鼢、I，1 IJ 淞1t I、众口J，、删lI 3五1一|l埝5珏甜矿飞。毯一，、-1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 002 04 06 08 01 0 0离线路中心的距离(m)1 2 5 m：2 2 4 2 m；3-2 2 m；4-2 1 m；5 2 0 m图2 1 0 单回水平布置1 0 0 0 k V 输电线路在不同相间距离时的电场强度横向分布表2-35 0 0 k V

47、 对应不同相间距离的正訾由图2-9、图2 1 0 可见，减小相间距离时，最大场强值和高场强覆盖范围都相应减小，但场强的减小程度没有增加线路对地距离的效果明显。从表2 3 可以看出，本例中在相间距离为1 0 1 4 m 区间内，相间距离每减小l m，场强值仅减小O 1 9 0 3 k V m。从表2-4 可以看出，本例中在相间距离为2 0 2 5 m 区间内，相间距离每减小l m，场强值仅减小O 1 5 k V m 左右。但如果大幅度地减小相间距离，如采用v 形绝缘子串，还是能比较明显地减小线下场强值。但是减小导线相间距离将受到相问绝缘的限制。2 3 4 分裂导线根数减小分裂导线的根数和分裂间距

48、，等效导线直径及导线上电荷将减小，因此也可以减小地面场强。浙江大学硕士学位论文分别对图2 5、图2-6 中5 0 0 k V 超高压和1 0 0 0 k V 特高压模型进行了仿真。对于5 0 0 k V 特高压模型，仿真了每相导线总截面相同而分裂根数分别为2、3 和4 根分裂导线的情况。对于1 0 0 0 k V 特高压模型，仿真了每相导线总截面相同而分裂根数分别为6、8、1 0 和1 2 根分裂导线的情况。图2 1 1、图2 1 2 分别给出了5 0 0 k V 和1 0 0 0 k V 输电线路导线分裂数不同时的置，。横向分布图。表2-5、表2-6 列出了对应不同分裂根数情况下的硅值。矿、

49、，、J 1、1ZXJ 一，、。，、IV譬刀J1l 0拼WW忾#诤f f弹蠡诖嚣k弋一5 0 4 0 3 0 一2 0 1 001 02 03 04 05 0离线路中心的距离(1 1 1)l 一4；2 3；3 2图2 1 l 单回路水平布置5 0 0 k V 输电线路导线分裂数不同时的电场强度的横向分布图|五鐾卸终羼太，flN z 一|泰l。l j，i季冬毒1Llfl一5 0 4 0-3 0 2 0-1 0O1 02 03 04 05 0离线路中心的距离(m)l 一1 2；2-l O；3 8；4 6图2】2 单回路水平布置】0 0 0 k V 输电线路导线分裂数不同时的电场强度的横向分布图表2-

50、5 5 0 0 k V 对应不同分裂根数的I 02l098765432lOj，A彦毯臻霹卸浙江大学硕士学位论文表2-6 1 0 0 0 k V 对应不同分裂根数的正訾由图2 1 1、图2 1 2 和表2 5、表2-6 可见，减少分裂导线的根数，能减小地面场强。而分裂根数较多时，减小分裂根数对于减小地面场强效果不是很明显。如由表2-5 可见，相导线分裂根数由3 根减为2 根时，或减小1 2 5 8 k V m，而由4 根减为3 根时，站仅减小O 5 0 6 k V m。表6 中，每相导线分裂根数由8 根变为6 根时，础减小0 2 4 7 k V m，而由1 2 根变为1 0 根时，础仅减小O 1