1 000 kV特高压交流输电线路设计中的电磁环境问题

2011-05-24李如振郎需军姚元玺

山东电力技术 2011年5期

李如振，郎需军，姚元玺

（山东电力工程咨询院有限公司，山东济南 250013）

0 引言

随着特高压电网的建设上升到国家战略层面，到2015年将建成华北、华东、华中（“三华”）特高压电网，形成“三纵三横一环网”。

在1 000 kV特高压交流工程方面，锡盟、蒙西、张北、陕北能源基地通过3个纵向特高压交流通道向“三华”送电，北部煤电、西南水电通过3个横向特高压交流通道向华北、华中和长三角特高压环网送电。其中，三纵是：锡盟—南京、张北—南昌、陕北—长沙。三横是：蒙西—潍坊、晋中—徐州、雅安—皖南3个横向输电通道。此外，还建设淮南—南京—泰州—苏州—上海—浙北—皖南—淮南长三角特高压双环网。

其中三纵中的锡盟—南京、三横中的蒙西—潍坊两条1 000 kV交流特高压输电线路，将途径山东，分别在1 000 kV济南站和潍坊站落点。而锡盟—南京线路，设计阶段准备工作已基本完毕，一经核准即可具备开工建设条件。

1 000 kV锡盟—南京特高压交流线路，自冀鲁省界乐陵市漳卫新河进入山东省境内，自枣庄市台儿庄区张山子镇苏鲁省界出山东，途径德州市的乐陵市、庆云县；滨州市的阳信县、惠民县、邹平市；济南市的商河县、济阳县、章丘市；莱芜市的莱城区；泰安市的岱岳区、新泰市；济宁市的泗水县、邹城市、微山县；临沂市的平邑县，枣庄市山亭区、滕州市、薛城区、峄城区、台儿庄区，山东境内线路全长432.6 km。

针对即将实施的途经山东境内的第一条1 000 kV锡盟—南京特高压交流线路的电磁环境问题进行分析，在国家对环境保护日益重视和建设和谐社会的要求下，从前期设计角度，对特高压输电线路中的电磁环境要求及其控制下房屋拆迁范围、对地距离等问题进行论证，并给出参考限值，以供施工、运行等部门参考。

1 概述

特高压在采用长距离、大容量输电时，能有效地节省线路走廊、改善网络结构、减少输电瓶颈和实现大范围的资源优化配置，经济和社会效益十分明显。

与500 kV线路相比，1 000 kV特高压输电线路具有电压等级高、导线大（截面大、多分裂）、铁塔高、线路走廊宽等特点，其电磁环境与500 kV线路的情况有较大差别，由此带来的生态环境影响将受到各方关注。因此必须对电磁环境进行研究，并采取措施加以限制，以使特高压输电线路的电磁环境水平满足环保要求。

发展特高压输电以提高经济效益与保护生态环境是一对矛盾的统一体。研究社会公众所能接受而经济上又合理的输电线路，对发展特高压输电至关重要。

综上所述，有必要结合山东境内即将实施的交流特高压工程，结合《1 000 kV架空输电线路设计规范》国标送审稿的要求，明确给出特高压输电线路邻近居民房屋时的距离要求，以消除居民的心理疑虑，使线路路径选择努力做到安全可靠、环境友好，经济合理。

2 电磁环境简单介绍

交流输电线路的电磁环境主要涉及工频电场、工频磁场、无线（电视）电干扰和可听噪声等问题。其中工频电场由导线电压产生；工频磁场由流过导体的电流产生；无线电干扰和可听噪声均源于导线、金具设备的电晕放电和火花放电。

2.1 工频电场

输电线路的导线存在电压，使导线与大地之间形成电场，距输电线路导线越近电场强度越强，随着与导线间距的增加，电场强度降低很快，在距地面2M以内的空间，电场分布基本均匀。

位于工频电场中的人体可能会受到以下影响：1）直接作用。通过线路与人体之间的电容耦合，在人体内流过位移电流，其影响程度取决于位移电流的大小、人在电场停留的时间及频度。2）冲击电荷。积累在其他物体上的感应电荷通过人体瞬间或间断放电（暂态点击），其影响程度取决于因放电而流经人体的电荷。如，人体与地面接触，同时触摸与大地绝缘的其它大型物体；或者人体与地面绝缘，同时接触接地金属体、金属结构、建筑物或与大地绝缘的物体。3）稳态电流。人接触对地绝缘的大型物体时，线路与物体间的电容耦合电流通过人体入地，其影响程度取决于流经人体的持续电流大小。

2.2 工频磁场

输电线路运行时，导线中的电流在周围空间产生磁场。

位于工频磁场中的人体会受到以下影响：1）磁场作用于人体而在其内感应电场和电流。2）人触摸由于感性耦合造成的与人体存在电位差的金属体，造成电击等。

2.3 无线电干扰

由于高压架空送电线的导线上沿线“均匀地”出现电晕放电和电流注入点，导线中形成一种脉冲重复率很高的“稳态”电流，即无线电干扰场。

无线电（电视）干扰对环境的影响因素，主要考虑对线路附近居民无线电和电视接收质量的影响，其量值水平还不至于产生生态影响。

2.4 可听噪声

可听噪声是指导线周围空气电晕放电时所产生的一种人耳能够直接听到的噪声，它是一种声频干扰。随着输电电压等级的不断提高，特别是对于特高压输电线路，电晕放电产生的可听噪声，通常更令人烦躁和不安，严重时可使人们难以忍受。

可听噪声主要通过听觉对人的生理和心理造成影响。

3 《1 000 kV架空输电线路设计规范》国标送审稿对电磁环境和输电线路邻近居民房屋时的要求

3.1 无线电干扰要求

海拔500M及以下地区，1 000 kV架空输电线路的无线电干扰限值，在距离边相导线地面投影外侧20M、对地2M高处，好天气下频率为0.5MHz时无线电干扰限值不大于55 dB（μV/m）。

对海拔超过500M的线路，其无线电干扰限值应进行修正，修正因数为：以500M为基准，海拔每增加300M，无线电干扰限值增加1 dB。

3.2 可听噪声要求

海拔500M及以下地区，距线路边相导线投影外20M处，湿导线的可听噪声限值为55 dB（A），并满足按照环保部门批复的声环境标准。

3.3 邻近或跨越房屋时的要求

1 000 kV线路不应跨越屋顶为可燃材料的建筑物。对耐火屋顶的建筑物，对人员不长居住的耐火屋顶，原则上也不宜跨越，如必须跨越时应与有关方面协商同意，导线与建筑物之间的最小距离，应符合表1规定。

最大计算弧垂情况下，导线与建筑物之间的最小垂直距离见表1规定。

表1 导线与建筑物之间的最小垂直距离（跨越房屋时）

最大计算风偏情况下，边导线与建筑物之间的最小净空距离，应符合表2的规定。

表2 边导线与建筑物之间的最小净空距离（邻近房屋时）

无风情况下，边导线与建筑物之间的水平距离，应符合表3规定。

表3 边导线与建筑物之间的水平距离（无风时）

3.4 地面电场强度的要求

线路邻近民房时，房屋所在位置离地面1.5M高处的最大未畸变场强不应超过4 kV/m。

由上述可以明确：1 000 kV及以上输电线路，不允许跨越长期住人房屋。对非长期住人的房屋，如果必须跨越，除应与相关方协商同意外，还需同时满足跨越距离和地面电场强度的要求。

同时存在的问题有：

1）输电线路邻近民房时，如果满足表2和表3的要求时，是否满足房屋所在位置离地面1.5M处的未畸变电场不超过4 kV/m的要求。

2）输电线路邻近民房时，同时满足表2和表3的要求和房屋所在位置离地面1.5M处的未畸变电场不超过4 kV/m的要求时，其对地距离和走廊宽度如何确定。

解决上述两个问题可应对下列问题：

1）设计阶段确定线路邻近居民房屋时的对地距离，避免对地距离不足引起房屋附近电场强度超过限值，对地距离过大造成资源的浪费；

2）建设或运行阶段，判断线路附近新出现的障碍物是否满足规程的要求，从而制定处理障碍物的措施。

4 电磁环境控制下的走廊范围和对地距离确定

虽然国家标准中针对设计阶段，给出了跨越或邻近民房时的要求，但由于输电线路从可研设计至施工建设完成，往往跨度时间较长，如何处理工程建设完毕后新出现的房屋，尤其是满足表1-3的距离要求而在线路保护区范围内，电场强度是否满足要求，为运行单位尤为关心的问题，因此有必要给出电磁环境控制下的走廊范围。

由于地面电场强度随着线路对地距离增加而明显衰减，因此电磁环境控制下的走廊范围和对地距离密切相关。

文献［1］针对山东境内的电压等级，给出了220 kV和500 kV输电线路，以无线电干扰限值、可听噪声限值、地面电场强度限值为控制条件，满足电磁环境控制条件下的走廊宽度范围和对地距离要求，本文针对1 000 kV锡盟—南京特高压输电线路，对满足电磁环境条件下的走廊宽度和对地距离分别描述如下。

4.1 计算输入参数

双回路计算输入参数见表4。

表4 双回路计算输入参数

4.2 计算方法

4.2.1 地面场强计算

输电线路下的电场计算，主要分两个步骤：首先采用逐次镜像法计算单位长度导线上的电荷Q，其次计算由这些电荷产生的地面合成场强。

计算多导线线路中单位导线上的等效电荷Q，通过电压U和麦克斯韦电位系数矩阵P用以下方程求解

式中：P、Q、U分别为各导线电位系数、各导线等效电荷、各导线对地电压矩阵，当各导线单位长度的等效电荷求出后，空间任一点的电场强度可根据叠加原理计算得出，在（x，y）点的电场强度分量Ex和Ey可表示为

式中：Xi，Yi为导线 i的坐标；Li，L′i为分别为导线 i及其镜像到计算点P的距离。

4.2.2 无线电干扰计算

无线电干扰水平的预估，采用1986年版的CISPR18-3推荐的经验法，公式如下：

式中：E为距导线直接距离20M并离地2M处的无线电干扰场强；gmax为导线表面最大场强电位梯度有效值，范围为12～20 kV/cm；r为子导线半径。

式（4）的计算结果代表了好天气下0.5MHz的无线电干扰平均值。

4.2.3 可听噪声计算

采用美国BPA推荐的预测公式。美国BPA推荐的特高压输电线路的可听噪声的预估公式如下：其中：Z 为相数；SLA 为 A 计权声级；PWL（i）为 i相导线的声功率级；Ri为测点至被测i相导线的距离。式（5）中的 PWL按式（6）计算，

式中：E为导线的表面梯度，kV/cm；deq为等效直径。

式中：n为分裂根数；d为次导线直径，mm。

这个预测公式对于分裂间距为30～50 cm，导线表面梯度为10～25 kV/cm的常规对称分裂导线均是有效的。

4.3 计算结果

根据4.2节计算方法的描述，利用山东电力工程咨询院编制的电磁环境计算程序，对1000kV双回路进行了计算，计算塔型采用工程上常用的塔型，计算结果如表5。

表5 1 000 kV同塔双回路电磁计算结果

（2）两最长横担之间的宽度为28.6M。

（3）可听噪声为根据《特高压交流线路绝缘子串长优化总体论证暨工程应用方案审查会议纪要》的要求，根据BPA公式计算值降低2 db值。

由表5可以得出以下结论：

1）1 000 kV双回输电线路，在对地距离18～27M之间，无线电干扰最大值为54.18 μV/m，可听噪声值最大值为55dB，小于规程要求的55μV/m和55 dB，线路走廊宽度由地面电场强度控制。其地面电场强度和对地距离的关系曲线见图1。

图1 地面电场强度和对地距离的关系曲线

2）当线路跨越房屋时，同相序排列对地距离分别不小于54M，逆相序不小于33M时，可以控制地面电场强度小于4 kV/m，此值可做跨越房屋时的距离参考值。

3）当线路邻近房屋时，规程要求边导线距房屋最近点为7M，此时走廊宽度为42.6M，要求同相序对地距离不小于47M、逆相序不小于32.5M，可以控制走廊宽度范围内地面电场强度小于4 kV/m，此值可做邻近房屋时的距离参考值。

4）由表5可以看出，同塔双回路同相序和逆相序排列时，对地面电场强度影响比较大，尤其是跨越房屋时，对地距离最大差值达22m。相关计算表明，逆相序排列方式在地面工频电场强度、线路不平衡度、过电压水平、潜供电流、恢复电压、线路走廊宽度等方面占优。同相序排列方式在导线表面电场强度、无线电干扰、可听噪声和电晕损失等方面占优。

5）由于地面电场强度衰减的较慢，同相序和逆相序排列对地距离在18～27M变化时，走廊宽度变化不大。对地距离为18M时，走廊宽度分别为67.4m和66.9m，按两最长横担之间的宽度为28.6m，两侧边线外走廊跨度分别为19.4M和19.2M，因此，可以按边线外20M控制新建线路房屋的拆迁范围。