龙国华，陈 斌，王 羽

（武汉大学电气工程学院，武汉430072）

500 kV典型输电线路铁塔附近电场测量与仿真分析

龙国华，陈 斌，王 羽

（武汉大学电气工程学院，武汉430072）

实地测量了三种典型500 kV铁塔附近离地1.5 m高的工频电场。搭建了三维铁塔模型，基于有限元法仿真计算了三种塔型附近工频电场分布，分析了测量值与计算值的差别及影响因素，并结合实际工程求解了两种典型的等电位作业路径上的电场分布。研究结果表明：铁塔附近地面上工频电场实测值均满足环评要求；铁塔对附近地面的电场具有一定屏蔽作用；采用该方法计算的结果与测量值一致，可以推广到构造更为复杂的输电线路电场计算，并为线路设计提供一定的理论依据；两种等电位作业路径的电场分布差别不大，实际路径的选取应主要考虑到带电作业危险率和所需最小安全距离这两大因素。

典型铁塔模型；工频电场测量；有限元法；等电位作业

0 引言

随着我国特高压交直流输电工程的建设与投运，社会和公众的环保意识日益的增强，输电工程对现代社会所产生的电磁污染逐步成为当今高压直流输电工程的研究热点和公众关心重点[1]。随着城市规模的急剧扩增，500 kV超高压输电工程跨越城镇或民居的现象时有发生，因此有必要对500 kV超高压输电工程的电磁环境展开深入研究。

现阶段输电工程电场分布的研究方法主要有试验测量和数值计算。实地测量很大程度上受测量仪器、检测环境和测试人员等因素的限制[2-3]，但可以反映出实际电场的分布规律，并与数值计算相互映证。常见的输变电工程电场数值计算方法有模拟电荷法[4-6]、有限元法[7-8]、矩量法[9]等，此外，现有的相关标准和手册也提供了具体的计算方法[10]。

目前国内外对高压输变电工程工频电场的研究多集中于输电线路，从分析到防护，内容比较完善，但对于输电线杆塔的工频电场分布的研究较少，只有少量对直线塔的电场分布的分析，例如文献[11]通过对杆塔的三维电场仿真分析，研究了静电感应对维护人员的影响，并预测了最佳攀爬路线。

国内在这方面的研究起步较晚，对杆塔附近的电场研究更少。文献[6]基于模拟电荷法，建立了考虑杆塔及导线弧垂的三维架空线路工频电场计算模型，但模拟电荷种类的选取及布置依赖于经验；文献[7]对杆塔、绝缘子串、均压环、联板等部件按实际尺寸进行等比例建模，利用有限元法分析了500 kV同塔双回线路杆塔附近电场分布，但没有进行实验验证；文献[12]建立了750 kV耐张塔三维模型，考虑了杆塔、金具、绝缘子串等因素，仿真计算了4分裂和6分裂耐张塔跳线、导线的表面电场分布，但未进一步分析地面场强的特点；文献[13]对采用模拟电荷法对输电线路直线塔电场进行了三维仿真计算，并讨论了影响电场计算结果的因素，但没有计算更为复杂的转角塔及耐张塔。文献[14]采用工频电场的三维边界元法仿真计算分析同塔四回线路带电作业场强分布特点，建立人体模型，计算分析等电位和地电位典型作业工况下人体不同部位的电场强度特点，但完全忽略了绝缘子串的影响。

笔者采用SolidWorks软件建立1∶1的精细化铁塔模型，基于有限元法仿真计算了单回直线塔、单回直线小转角塔、单回耐张小转角塔附近工频电场分布，并实际测量了这三种典型杆塔附近地面1.5 m处的工频电场值，比较了测量值与计算值的差别及影响因素，并将测量值、计算值以及国家标准限值进行比较，最后结合实际工程求解了两种典型等电位作业路径上的电场分布，得到了具有工程指导意义的一些结论。

1 电场的测量

1.1 测量方法

电场测量即可以直接反映实际电场环境，也可以验证仿真计算的结果，目前测量主要是针对线路档距中央[15]，对杆塔周围的电场测量很少。

测量主要依据电力行业相关标准[16-17]进行，采用HI3604工频电场强度测试仪，频率范围为30～2 000 Hz；频率响应为±0.5 dB（50～1 000 Hz），±2.0 dB（30～2 000 Hz）；电场测量范围为 1 V/m～200 kV/m；测量值为均方根读数。

电力行业标准只规定了线路档距中央横截面上的工频电场测量方法，测量的是垂直于地面的电场[16]。杆塔是个巨大的接地体，附近电场是一个畸变场，其电场不仅有垂直于地面分量，还有较大的水平分量。根据仿真计算，在杆塔附近5 m外电场垂直分量与合成场强基本接近，因此在杆塔5 m外布点测量是可行的。

此外，考虑到靠近杆塔时，测量探头会对电场造成畸变，导致测出的结果不准确。

综合考虑以上两个因素，本文采用距杆塔5 m外区域布点的测量方式。实测地点位于徐州市郊区，输电走廊平坦空旷，测量时温度约14℃，相对湿度为 60%～70%。

图1为直线塔俯视图简图与测点布置图，由于地势、杆塔电气结构的对称性，区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ内工频电场分布是对称的，因此只要测量一个区域（例如区域Ⅲ），便可以得到整个杆塔附近范围的电场分布。

图1 直线塔俯视简图及测点布置Fig.1 Tower top view of straight line tower and arrangement of measure points

测量时以塔基中心为原点，沿线路中心投影方向以及垂直线路两个方向，从距塔基外围5 m处开始每隔5 m设一个测点，所包围的矩形区域内同样每隔5 m测量一次。另外在线路中心投影方向以及垂直线路方向这两条特殊的路径上相邻两个测点之间再设一个测点，总共有38个测点。

图2为转角塔俯视图简图与测点布置图，其中区域Ⅱ、Ⅲ及区域Ⅰ、Ⅳ分别是对称的。显然区域Ⅱ、Ⅲ内测点电场受杆塔结构、线路参数、绝缘子、金具等因素的影响更大，因此在这两个区域内测量更有意义。由对称性，布点区域根据现场情况选择Ⅱ或Ⅲ的扇形区域。沿线路中心投影方向以及夹角平分线方向的测点布置与直线塔类似，扇形区域内，两条路径上相应测点相连构成的直线上每隔5 m设一个测点（由于直线长度可能不为5 m的倍数，故末尾两个测点的间隔可能小于5 m）。

图2 转角塔俯视简图及测点布置Fig.2 Tower top view of straight angle tower and arrangement of measure points

1.2 测量结果

我国的电力设计规范及环评规定居民区工频电场评价限值为4 kV/m；对于公众容易接近的地区、跨越公路处，场强限值取7 kV/m；跨越农田时，场强限值取 10 kV/m[18]。

表1为3种杆塔附近地面所测量电场的最大值，杆塔全部位于农田中；由测量结果可以看出，所有被测杆塔附近的电场值都小于国家标准限值，设计满足环保要求。

表1 单回线路杆塔附近电场测量最大值Table 1 Maximum electric field measured near single-circuit power transmission tower（kV/m）

图3为电场测量结果插值拟合曲面图，可见杆塔周围电场值很小，随着离杆塔距离的增加，电场值总体上先增大后减小，存在一个极大值。这是因为杆塔是个巨大的零电位体，对周围电场存在屏蔽作用，远离杆塔过程中，屏蔽作用减弱，导线及金具等高电位部件施加的电场影响显著，这两个因素使得出现一个电场极大值；离杆塔距离再增大后，电场便开始衰减。

图3 单回直线塔电场分布曲面图Fig.3 Surface figure of electric field distribution measured around single-circuit straight line tower

2 建模与计算

2.1 建模方法

杆塔模型各部件的尺度相差很大，考虑到后期剖分的单元量和计算效率，对整个计算模型作了一定的简化[7]：

1）忽略导线弧垂，整个计算域内导线对地高度不变，架空导线采用相互平行的长直圆柱导体模型；

2）由于悬垂线夹、挂环等结构件对地面电场的计算结果几乎无影响，因此忽略它们以减小剖分单元量；

3）忽略避雷线的影响，考虑到架空地线位于铁塔上方，与铁塔同为零电位，由于铁塔横担的屏蔽作用，其对线路下方的电场分布影响可以忽略；

4）采用人工截断边界模拟无穷远边界。

在上述简化的基础上，参照国网的典型500 kV线路设计[19]以及实际参数，采用SolidWorks软件建立杆塔三维实体模型，三种杆塔模型及实际照片如图4所示。

图4（a）为5B1-SM1直线猫头塔模型与实地照片，铁塔整体高46 m，呼高27 m，右侧为模型绝缘子串局部放大图，导线采用正三角形排列方式；图4（b）为5B1-ZJ直线转角塔模型与实地照片，铁塔整体高度 33.4 m，呼高 27 m，线路转角 15°；图 4（c）为5B1-J1单回路耐张小转角塔模型与实地照片，铁塔整体高度35 m，呼高21 m，上、下横担对地高度分别为 34 m、21 m。

图4 杆塔三维模型与现场照片Fig.4 Three-dimensional transmission tower model and actual picture

其中导线线径26.8 mm，分裂间距450 mm。瓷绝缘子采用210 kN耐污盘形悬式绝缘子，公称直径280 mm，结构高度170 mm。复合绝缘子采用180 kN复合绝缘子串，型号FXBW4-500/180，串长4 450±50 mm。

2.2 计算方法

将三维实体模型导入ANSYS有限元分析软件，并对导线进行参数化建模。采用四面体单元SOLID123与六面体单元SOLID122对实体模型进行混合网格剖分。考虑到直线塔的对称性，仅对模型的一半进行计算，不仅可以节省单元量，还缩短了计算时间。而对于转角塔，无法再采用对称的1/2模型，需对整个模型进行求解。输电线路周围工频电场符合准静态场模型，本文将电压分为实部、虚部两部分同时加载求解，考虑系统最高运行电压，加载电压其中U为线电压有效值。

对于直接与导线相连接的联板、金具等均按照相应相序加载电位。接地铁塔加载零电位，所有实体模型被空气体所包围，对地面和外层空气边界施加零电位。

2.3 计算结果与实测比较

图5为单回直线塔附近的电场分布云图。由于电位加载的对称性，各相导线周围的电场强度与分布大致一致，铁塔塔身对各相电场分布的屏蔽作用较为明显，高场强区域主要集中在三角形排列的导线附近，塔顶上方场强很小，且降落很快，说明避雷线对电场的影响可以忽略。

图5 单回直线塔附近电场分布Fig.5 Electric field distribution around the single-circuit straight-line tower

从图5中悬垂绝缘子串场强分布来看，4分裂导线外围、靠近高压端处的绝缘子周围场强较高，中间部分绝缘子场强较低，而上方靠近低压端处的绝缘子场强又有所升高，整个悬垂串表面的电场分布呈现两端高，中间低分布特点。

图6为ANSYS仿真计算结果拟合曲面，电场取值区域为以杆塔塔基中心为坐标原点，沿线路方向30 m，沿垂直线路方向25 m组成的矩形范围。

图6 单回杆塔仿真结果拟合曲面Fig.6 Surface figure of electric field distribution calculated around single-circuit intermediate support

比较图2、图6可以看出，两者电场分布呈现相同规律：杆塔近距离范围内电场值较小；沿垂直线路方向，随着离杆塔距离的增大，电场有增大的趋势，但位于距线路中线投影处约10 m处存在极大值，随后逐渐衰减；沿着线路方向，随着离杆塔距离的增大，电场值逐渐增大，但趋于平稳；仿真结果最大值为5.33 kV/m，实际测量最大值为5.20 kV/m；以测量值为准，相对误差为2.50%，在工程允许范围之内。

为了更准确地比较仿真与测量的差异，以塔基中心为起点，沿线路角平分线方向构成一条特殊的路径，比较该路径上测量值与计算值。对于直线杆塔，取图1 中编号为 9、36、20、37、21、38、32 的点，对于转角杆塔，选取图 2 编号为 2、21、7、22、8、23、20 的点，分别与仿真结果拟合曲线比较。比较结果如图7所示，可见测量值跟仿真结果大体一致。

误差来源主要有以下几点：

1）仿真模型的简化；

2）计算所加载电压为一固定值，而实际电压与仿真电压有一定的区别；

3）测量仪器的误差，测量期间湿度太大，会带来较大的泄漏电流，影响测量仪器读数。

由此可见，采用SolidWorks杆塔建模，导线模型用ANSYS程序参数化设计，然后在ANSYS环境中计算杆塔以及线路周围电场分布这一计算方法在实际中得到验证，并能够满足工程要求。

图7 仿真与实测结果比较Fig.7 Comparison between simulation results and measured results

3 计算分析

3.1 计算结果与工频限值比较

实际上，由于本文所计算、测量的杆塔全部位于农田，限值应取10 kV/m；考虑到加载条件为电压的最大值而非有效值，实际计算结果略显保守。距离铁塔60 m处，沿垂直导线方向每隔0.4 m提取地面上方1.5 m处场强值，则线下工频电场分布曲线如图8所示。可见电场计算值皆小于10 kV/m，符合相关环评要求。

图8 导线下电场分布曲线Fig.8 Electric field intensity distribution curves under lines

3.2 等作业前电场分布

输电线路带电作业是在线路带电的状态下进行的安装、调试、测量、检修及改造工作，是避免检修停电，保证正常供电的有效措施。

为分析作业人员进入线路等电位前路径上的场强，分别选取从距离导线中心0.5 m至塔身的两条路径，同时考虑到电场的对称性，选取A、B相分析，路径示意图如图9所示，路径A1、B1与分裂导线中心点处同一水平面，路径A2、B2与水平面存在一定角度。

图10为单回直线转角塔两条进入等电位作业路径上的电场强度分布。由图可知，沿路径A1电场强度最大值约为229.55 kV/m，沿路径B1的电场强度最大值约为182.84 kV/m。从曲线来看，同一相绝缘子串附近，各路径上电场变化趋势相似。因此实际路径的选取应主要考虑到带电作业危险率和所需的最小安全距离两大因素。

图9 单回直线转角塔进入等电位作业路径示意图Fig.9 Equal potential working route sketches of single circuit straight angle tower

图10 直线转角塔等电位作业路径电场分布Fig.10 Electric field intensity distribution along equal potential working route of straight angle tower

4 结论

1）笔者所选三种铁塔下方的实际工频电场测量值皆小于行业规定的限值，符合环评要求，并且铁塔对电场的屏蔽效应很明显；

2）按实际尺寸建立典型500 kV铁塔模型，结合ANSYS参数化导线建模，求解得到了线路周围三维电场分布，与实际的测量结果相吻合，可以推广到更高电压等级及更多回数输电线路情况下的电场计算，并为线路设计提供一定的理论依据；

3）利用仿真模型求解了典型等电位作业路径的电场分布，结果表明沿与导线水平或以一定角度进入等电位作业下电场分布差别不大。实际路径的选取应主要考虑到带电作业危险率和所需的最小安全距离两大因素。

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Measurement and Simulation Analysis on Electric Field Near 500 kV Typical Power Transmission Tower

LONG Guohua，CHEN Bin，WANG Yu
（School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

The power frequency electric field near three typical 500 kV power transmission tower 1.5 m above ground is measured.Based on finite element method （FEM），three-dimensional transmission tower calculation models are established and the electric field distribution of power frequency electric field near the three different type towers are simulated and calculated.The differences between measurements and calculated results，and the influence factor are both analyzed.The electric field distribution along two typical equal potential working route are also researched combined with practical engineering.Research results show that electric field measurements nearby the tower meet EIA requirements;the tower has a certain screening effect on its electric field nearby;the results calculated by method presented above matches well with the field measurements，can be promoted to tower with more complex structure，and provide theoretical basis for the design of EHV transmission lines；the electric field distribution difference between two typical equal potential working route is slight，thus selection of actual routes should mainly take dangerous rate for equal potential working and required minimum safe distance into account.

typical tower model；power electric field measurement；finite element method （FEM）；equal potential working

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.006

2015-11-30

龙国华 （1992—），男，硕士，主要研究方向为输变电工程电磁兼容、电力系统过电压。