高壓輸電線路的電磁環(huán)境的研究大學(xué)碩士學(xué)位論文-資料下載頁

　　

【正文】 A BC CB下回 CBA CBA 圖449 220KV110KV線路同塔混合架設(shè)1 圖4410 220KV110KV線路同塔混合架設(shè)第一種方式第二種方式第三種方式第四種方式第五種方式第六種方式AAAAACACCAAABBBBBBBBBBBBCCCCCACAACCCAACCACCAAACABBBBBBBBBBBBCCAACAACCCAC圖4411和圖4412 為500kV220kV混合架設(shè)方式Ⅰ和方式Ⅱ下，設(shè)混合架設(shè)下相導(dǎo)線對地 10m。由圖 4411可知，混合架設(shè)方式Ⅰ在第一種方式排列下，地面電場最大，但僅在線路正下方小范圍內(nèi)有超標(biāo)，另外三種方式排列，地面電場均較小，而且距離 4kV/m 的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)仍有一定的裕度。圖 4412 可知，混合架設(shè)方式Ⅱ在第一種方式排列下，地面 ，且到距離線路中心 10m以外，電場才降到 4kV/m以下，其他三種排列方式，電場均在 4kV/m以下，但在線下較寬的范圍內(nèi)，電場均在 2kV/m～4kV/m之間.圖4411500KV220KV線路同塔混合架設(shè)1地面電場分布圖4412 500KV220KV線路同塔混合架設(shè)2底面電場分布根據(jù)圖4411和圖4412的計(jì)算結(jié)果，500kV220kV的混合架設(shè)ⅠⅡ的電場分布情況要優(yōu)勢得多，不僅在走廊寬度上要求較小，而且不管在哪種方式的比較下，地面電場均比混合架設(shè)Ⅱ要小，且相比于標(biāo)準(zhǔn)，裕度較大。但混合架設(shè)Ⅰ的造價(jià)要比混合架設(shè)Ⅱ的造價(jià)高，且混合架設(shè)Ⅰ的架設(shè)太高，容易引起雷擊而造成線路跳閘事故，因此，應(yīng)綜合考慮混合架設(shè)的方式。 同樣，圖4413和圖4414為220kV110kV混合架設(shè)方式Ⅰ和方式Ⅱ下，設(shè)混合架設(shè)下相導(dǎo)線對地 10m。由圖中可知，混合架設(shè)方式Ⅰ下，第五種導(dǎo)線排列方式下地面 電場分布最大，最大值為 ，而在第四種方式導(dǎo)線排列下地面 ，均在 。而對于混合架設(shè)方式Ⅱ下，第一種排列方式，地面電場最大，其他幾種排列方式相當(dāng)，但均在 ～。 根據(jù)圖412和圖413的計(jì)算結(jié)果，220kV110kV的混合架設(shè)ⅠⅡ的電場分布情況相差不大，但混合架設(shè)Ⅰ在走廊寬度上要求較小，且相比于標(biāo)準(zhǔn)，電場裕度較大。混合架設(shè)Ⅱ中除第一種方式排列外，其它方式均也較優(yōu)。但相比較而言，混合架設(shè)Ⅰ的架設(shè)太高，容易引起雷擊而造成線路跳閘事故，因此，應(yīng)綜合考慮混合架設(shè)的方式。圖4413 220KV110KV線路同塔混合架設(shè)線路1地面電場分布圖4414 220KV110KV線路同塔混合架設(shè)線路2地面電場分布屏蔽作用 房屋的屏蔽作用 通常工頻電場是較容易屏蔽的，原因是金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率要比空氣的大很多。實(shí)際應(yīng)用中金屬外殼不必完全封閉，例如生活中多居住在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)房屋中，由鋼筋組成的不連續(xù)金屬網(wǎng)也可達(dá)到類似的屏蔽效果。即使僅用紅磚和普通瓦建造的房屋，由于這些材料的電導(dǎo)率顯著大于空氣，也可使內(nèi)部工頻電場降低到外部的十分之一以下。 我國第一條500kV輸電線路平武線下，專門建造了一座兩層樓高的試驗(yàn)樓房，以研究房屋對電場的屏蔽效果，圖 4415為當(dāng)時(shí)的試驗(yàn)樓房。試驗(yàn)結(jié)果顯示，由于房屋的屏蔽作用，在房屋周圍以房屋高度為半徑的范圍內(nèi)，場強(qiáng)都有不同程度的降低。屋內(nèi)場強(qiáng)為 ～，僅為無房屋時(shí)地面場強(qiáng)的 3%，與家用電器設(shè)備附近的場強(qiáng)屬同一數(shù)量級。由此可見，房屋內(nèi)部的電場強(qiáng)度是很小的。圖4415 500KV輸電線路下的電場屏蔽效果試驗(yàn)在某些特殊區(qū)域的電場強(qiáng)度難以滿足要求，特別是對已架設(shè)并投入運(yùn)行的線路，無法從桿塔高度以及更改相序上作改動(dòng)，考慮采取架設(shè)接地屏蔽線的方法，也可有效降低地面場強(qiáng)，如圖 4416所示。 實(shí)際架設(shè)方式需根據(jù)具體線路參數(shù)經(jīng)過計(jì)算確定，一般來說，采用的金屬材料電導(dǎo)率越高、表面積越大、兩端接地電阻越小則屏蔽效果越好。 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院曾經(jīng)在某 500kV輸電線路下進(jìn)行過屏蔽線模擬驗(yàn)證試驗(yàn)，該500kV線路的三相導(dǎo)線呈三角形排列，邊相導(dǎo)線對地高度 23m。屏蔽線采用寬 15mm、厚 的銅編織帶，架設(shè)在邊相外水平距離 2m 處，對地高度 11m。圖 4417給出了架設(shè)屏蔽線前后的電場強(qiáng)度實(shí)測值，上曲線為架設(shè)前的場強(qiáng)分布，下曲線為架設(shè)后的場強(qiáng)分布，圖中 0m處為中相導(dǎo)線對地投影 圖4416 屏蔽架設(shè)示意圖 圖4417 架設(shè)屏蔽線前后的電場強(qiáng)度實(shí)測值由圖 4417可見，架設(shè)了屏蔽線后場強(qiáng)最大值降低了 35%左右。可見，架設(shè)屏蔽線是一種較好處理已運(yùn)行線路電場強(qiáng)度較大的方法。同理，如果僅在少數(shù)居民房屋樓頂或陽臺(tái)等地點(diǎn)發(fā)現(xiàn)電場強(qiáng)度超標(biāo)現(xiàn)象，可以在此類平臺(tái)邊緣架設(shè)接地金屬圍欄來降低平臺(tái)上的電場強(qiáng)度。 輸電線路的工頻磁場是由導(dǎo)線中的電流產(chǎn)生的。 工頻磁場具有與工頻電場相似的特性，可采取諸如改變線高、相序、多回共架等方式來降低輸電線路的工頻磁場。此外，也可采取屏蔽措施來降低工頻磁場。 前面指出，靜電屏蔽的效果是非常好的，這是因?yàn)榻饘賹?dǎo)體的電導(dǎo)率要比空氣的電導(dǎo)率大十幾個(gè)數(shù)量級。而一般我們生活中常見的材料或物體（如木材、磚瓦、石塊、水泥等材料或人體、墻壁、樹木等物體）的磁導(dǎo)率與空氣差別很小，磁力線基本上不因上述物體或材料的存在而產(chǎn)生畸變或削弱。 要有效地進(jìn)行磁屏蔽，須選擇專門的材料。根據(jù)磁導(dǎo)率的大小，一般可以把材料分為弱磁性材料和強(qiáng)磁性材料兩大類。弱磁性材料包括順磁性材料和抗磁性材料，強(qiáng)磁性材料常見的為鐵磁材料、亞鐵磁材料[3536]。 當(dāng)磁場不是很強(qiáng)時(shí)，可以用一塊高導(dǎo)磁率材料遮擋以減輕磁干擾。例如，在某一個(gè)辦公區(qū)域中，使用著大約 20 多臺(tái)工作站，其中有幾臺(tái)的屏幕發(fā)生了抖動(dòng)。調(diào)查表明，干擾源是在顯示器正下方的電力電纜。電纜中的電流每相為 30A，而在顯示器處測得的磁場強(qiáng)度超過了 7μT。解決的方法是在地板，顯示器與電纜之間，放置一塊高導(dǎo)磁率屏蔽材料，然后在屏蔽材料上蓋一塊地毯。 圖4418 高導(dǎo)磁率材料遮擋磁場干擾根據(jù)第三章輸電線路下方磁感應(yīng)強(qiáng)度的計(jì)算與實(shí)測分析可知，輸電線路附近的工頻磁場一般較小，很少對附近的環(huán)境造成顯著影響。因此，只有在影響敏感設(shè)備的情況下，才采取隔離或屏蔽措施來降低其水平，但這種方法顯然不適合用于對沿線或每個(gè)區(qū)域的防護(hù)。由于超高壓輸電線路導(dǎo)線附近較小區(qū)域會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電場，而架空導(dǎo)線的主要絕緣介質(zhì)是空氣。因此，當(dāng)導(dǎo)線表面的電場強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，附近的空氣會(huì)被電離而發(fā)生放電現(xiàn)象，這就是電暈放電[37]。 電暈的產(chǎn)生除了損耗電能外，還會(huì)產(chǎn)生無線電干擾和可聽噪聲，有可能造成對無線電臺(tái)、導(dǎo)航設(shè)備及電視的干擾，或使人感到煩躁不安的電暈噪聲[38]。此外，電暈還將使導(dǎo)線表面產(chǎn)生電腐蝕，降低輸電線的使用壽命。因此，在設(shè)計(jì)和運(yùn)行超高壓輸電線路時(shí)，應(yīng)盡量避免全面電暈的產(chǎn)生[39]。 非對稱分裂方式導(dǎo)線，是通過改變原有對稱分布于圓周上的子導(dǎo)線排列方式，通過優(yōu)化排列使各相導(dǎo)線的子導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度均勻分布，圖 4419為典型的非對稱分裂導(dǎo)線與傳統(tǒng)導(dǎo)線的對比。大量的研究表明，導(dǎo)線采用非對稱分裂方式可有效地降低電暈噪聲，當(dāng)非對稱度為 2～3 時(shí)（即上部分裂線之間的間距為下部分裂線之間間距的 2～3倍時(shí)），可得到最大的電暈噪聲降低量。例如常規(guī)分裂導(dǎo)線的非對稱度為 2 時(shí)，其在雨中的電暈噪聲降低量約為 6dB(A)。 圖4419典型的非對稱分裂導(dǎo)線與傳統(tǒng)導(dǎo)線的對比使用細(xì)導(dǎo)線或帶有尖凸物的導(dǎo)線 這種導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生一種沒有正極性流柱的延伸電暈或稱為“超電暈”，它大量產(chǎn)生的空間電荷能降低導(dǎo)線的表面梯度和防止導(dǎo)線雨滴正極性流柱的形成，這種導(dǎo)線可獲得10～20dB 的電暈噪聲降低量[40]。但此方法不僅使 100Hz 的交流聲大幅增加，而且即使分裂導(dǎo)線的數(shù)量、形狀和位置已處在最佳狀態(tài)，其電暈損失也將大大增加，此外它還使電視干擾大大增加，所以這種方法在實(shí)際使用中受到限制。 導(dǎo)線表面覆蓋絕緣層 這個(gè)方法由于在導(dǎo)線與雨滴之間串接了一個(gè)絕緣層的阻抗，且絕緣層的表面特性與導(dǎo)線表面特性不同，使得水滴在較低的電壓梯度區(qū)域上形成，從而影響著電暈噪聲的產(chǎn)生，為了得到較大的噪聲降低量，應(yīng)使雨滴離導(dǎo)線盡可能遠(yuǎn)一些，所以采用較厚的絕緣層是必要的。據(jù)實(shí)測研究表明，對于子導(dǎo)線直徑為 的 1000kV 4 分裂導(dǎo)線，絕緣層厚度為 1cm 時(shí)，雨中導(dǎo)線的電暈噪聲降低量約 3dB(A)。但這個(gè)方法會(huì)嚴(yán)重影響導(dǎo)線的散熱，且技術(shù)上比較復(fù)雜。 在導(dǎo)線上套裝絕緣管 該方法與導(dǎo)線覆蓋絕緣層的方法相似，但它具有技術(shù)上簡單及降低噪聲效果明顯的優(yōu)點(diǎn)。例如針對子導(dǎo)線為 的 1000kV 4 分裂線，當(dāng)套上直徑為 的絕緣管時(shí)，噪聲的降低量約 7～8dB(A)。該方法的缺點(diǎn)是導(dǎo)線散熱性差、導(dǎo)線與絕緣管之間的空隙存在局部放電以及導(dǎo)線風(fēng)荷增加等等。 改變直接形成雨滴的導(dǎo)線表面條件 親水性導(dǎo)線主要通過導(dǎo)線運(yùn)行中的老化而獲得，它使較大和較少的雨滴在子導(dǎo)線底部形成，研究表明：老化導(dǎo)線較新導(dǎo)線的電暈噪聲約降低 4～5dB(A)。憎水性導(dǎo)線主要是在導(dǎo)線表面涂復(fù)憎水劑，使雨滴不潤濕導(dǎo)線，而在導(dǎo)線周圍表面形成大量的小水珠[41]。這兩者在較低的導(dǎo)線表面梯度時(shí)，都有降低電暈噪聲的作用，只是后者要求憎水劑具有較好的老化性能。聚四氟乙烯的憎水性能和耐老化性能都比較好，但價(jià)格昂貴。目前老化性能和憎水性能均比較理想的憎水涂料仍在研究之中。 高壓輸電線路中電磁環(huán)境的參數(shù)的預(yù)測、高壓輸電線路工頻電場的預(yù)測我國高壓輸電線路為多相交流，各種線路情況及沿線電荷分布均不相同，若要精確建模則非常復(fù)雜且無必要。為了便于工程分析與計(jì)算，對特高壓架空輸電線路模型做以下簡化和處理：(1)大地為無窮大導(dǎo)體平面，電位為零。(2)輸電導(dǎo)線是有著相同半徑、彼此間相互平行且與地面平行的無限長光滑圓柱形導(dǎo)體，導(dǎo)線表面為等位面。(3)電壓等級已知，電荷分布沿線路無畸變，即不考慮線路電壓降落，并且忽略導(dǎo)體支持物(包括鐵塔、金具和絕緣子等)及任何其它鄰近物體的影響。(4)導(dǎo)線對地高度可按平均對地高度考慮(其中，以為導(dǎo)線懸掛點(diǎn)對地高度，SAG為對應(yīng)于年平均溫度的導(dǎo)線弧垂)或一年中可能出現(xiàn)的最低高度‰。(即炎熱夏季線路滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)檔距中央的對地高度)考慮。經(jīng)過上述假定，求解特高壓交流輸電線路表面電位梯度和線下空間電場問題可轉(zhuǎn)化為二維交變電場問題，在工頻條件下可作為二維靜電場問題進(jìn)行分析。空間電場數(shù)學(xué)模型的建立也是基于逐步鏡像法原理，其理論依據(jù)是場的唯一性定理：即把導(dǎo)體表面不均勻且連續(xù)分布的電荷用其內(nèi)部一組鏡像電荷來代替，如果這組電荷能滿足原來給定的邊界條件，就可以用其求出全場域的解。而對空間每一點(diǎn)的場強(qiáng)，可以同時(shí)用四個(gè)參數(shù)來表征：場強(qiáng)的水平分量和相角；場強(qiáng)的垂直分量和相角；場強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)矢量最大值和方向角；場強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)矢量最小值和方向角。(1)單位長度導(dǎo)線上等效電荷的計(jì)算①確定各相導(dǎo)線和地線的幾何位置：在檔距中央垂直于線路方向取一截面，將地面取作X軸，對于對稱的單回線路取，軸通過中相，對于雙回線路取y軸通過兩回路的對稱軸，各相導(dǎo)線和地線的位置，按此坐標(biāo)定位。②根據(jù)交流三相或多相分裂導(dǎo)線中每根子導(dǎo)線和地線的具體位置、尺寸和所加電壓，先用麥克斯韋電位系數(shù)法求出每根導(dǎo)線上的電荷值： [Q]=1/[P][U]P為導(dǎo)線的自電位系數(shù)和互電位系數(shù)；Q為待求的每根導(dǎo)線單位長度的電荷；U為已知的導(dǎo)線對地電壓。 采用美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)提供的典型特高壓輸電線路，其結(jié)構(gòu)參數(shù)下：導(dǎo)線采用8分裂導(dǎo)線，其子導(dǎo)線直徑以=3．556cm，分裂間距s=45．72cm，相間距D=15．24m，對地距離h=21．34m，計(jì)電壓采用1 100kV。分別使用馬克特一門格爾法、逐步鏡像法和電荷模擬法對圖5．1中分裂導(dǎo)線的平均電位梯度ga(average bundle gradient)、平均最大電位梯度gam(averamaximum bundle gradient)和最大電位梯度gbm(maximum bundle gradient)進(jìn)行計(jì)算，表5．1給出了計(jì)算結(jié)果；同時(shí)，使用文獻(xiàn)中經(jīng)過推導(dǎo)演繹得到的解析法進(jìn)行計(jì)算，但由于其計(jì)算步驟復(fù)雜、計(jì)算時(shí)間較長，不適用于工程計(jì)算，所得到的結(jié)果只作為參考基準(zhǔn)，用于校驗(yàn)上述不同方法的準(zhǔn)確度，相對誤差值如表5．2所示 計(jì)算方法 中相 變相 g(a)g(am) g(bm) g(a) g(am) g(bm)馬克特門格爾發(fā) 逐步鏡像法 電荷模擬法 解析法 高壓輸電線路導(dǎo)線表面電位梯度計(jì)算結(jié)果計(jì)算方法 中相計(jì)算值的相對誤差 變相計(jì)算值的相對誤差 g(a) g(am) g(bm) g(a) g(am) g(bm)馬克特門格爾發(fā) 逐步鏡像法 電荷模擬法 馬克特一門格爾法雖然計(jì)算方法簡單，并且對于4分裂及其以下導(dǎo)線來說具有足夠好的精確度，但是從表2．2所得的計(jì)算結(jié)果誤差來看，用它來計(jì)算特高壓輸電線路最大電位梯