同塔双回送电线路的最优相序排列

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[摘要] 针对同塔双回高压输电线路的相序排列方式，分别计算不同电压等级下的5种相序排列的工频电磁场分布和大小，通过分析比较，根据“可合理达到尽量低（ALARA）”的辐射防护基本原则，提出采用逆相序的最优排列方式，有利于减少高压输电线路对环境的影响，实现社会、经济和环境的协调发展。

[关键词] 同塔双回 逆相序 排列

1 前言

随着现代电力工业的迅速发展和电器化程度的空前提高，人类空间电磁辐射强度呈指数级增长，电磁辐射与人类健康的关系日益为人们所关注。高压架空送电线路是一种分布广泛的电磁辐射污染源，其主要的健康影响因素为工频电磁场。

电力负荷中心与人口、工商业密集区常常是重合的，随着经济建设及城市化的发展，在这些地区线路走廊用地日趋紧张。为了减小线路走廊宽度，常常采用双回路塔型，将双回平行的线路合并到同一基塔上，导线为垂直形（包括伞形、鼓形等）布置。

同塔的两个回路导线之间可以有5种不同的相对相序排列，排列方式不同，其工频电磁场强度大小与分布也不同。以下对5种排列方式进行计算与分析。

2 各种相序排列的工频电磁场强度

2.1 计算方法及参数

由于三相的对称性，对于同塔双回线路，不妨假设其中一回路的下、中、上导线分别为A、B、C相，另一回路的导线自下而上有A’B’C’， A’C’B’，B’A’C’， B’C’A’，C’B’A’五种本质上不同的排列方式，其中A与A’，B与B’，C与C’相的相电压（或相电流）的相位一般可认为是相同的。

工频电磁场的基本预测计算方法、计算公式及预测点高度可参照环评导则[1]附录。

对于同塔双回线路工频电场的计算，电位系数矩阵[λ]为6阶矩阵。两个回路同名相导线的相电压（时间向量）分别相等，即：UA’=UA，UB’ = UB，UC’ = UC。忽略架空地线的影响。由于预测点高度仅1m，电场强度最大值方向基本垂直于地面，只计算电场矢量的垂直分量。

对于同塔双回线路工频磁场的计算，可假定两个回路的输送电流大小相等，因而同名相导线的电流（时间向量）分别相等，即：IA’=IA，IB’ = IB，IC’ = IC。由于镜像导线一般位于几百米深以上的地下，因此计算时不考虑镜象导线。

预测点的工频磁感应强度为旋转矢量，经推导得出其最大值Bm与其水平分量Bx及垂直分量By之间的关系为：

其中α、β分别为Bx、By的相角。

以下计算采用表1所示的实际中常见的线路设计参数，以及设计规程允许的在居民区导线的最小高度[2]（以下简称最小允许高度）。其中220kV及500kV线路的功率因数取0.9。

2.2 电场计算结果与分析

文献[3]已经对各种相序排列同塔双回500kV线路地面电场强度分布进行过比较，并指出地面场强以对称排列（A’B’C’相序）为最大，逆相序排列（C’B’A’ 相序）为最小。对于不同的导线高度及电压等级，进一步的计算表明，各种相序排列的线路地面电场强度大小顺序不变，其中逆相序排列的地面最大电场强度均明显低于对称排列（见图1）。

如图1所示，在最小允许高度条件下，对于500 kV、220kV及110kV电压等级，采用逆相序排列的线路地面最大电场强度分别从对称排列的7.72kV/m、5.50kV/m及2.15kV/m降低到5.70kV/m、4.68kV/m及1.33kV/m，分别降低了26%、15%及38%。对于一般的导线高度，采用逆相序排列将降低更多个百分点。

图1 同塔双回线路对称及逆相序排列时

地面最大电场强度与导线高度的关系

若要求同塔双回线路最大地面电场强度小于4kV/m，采用逆相序取代对称排列，由图1可知，220kV 线路所需导线高度可从10m 减小到8.1m，减小了1.9m；500kV导线高度可从25.3m减小到16.8m，减小了8.5m，这可以大大节省铁塔的造价。实际上，500kV线路导线也是普遍采用逆相序排列。

2.3 磁场计算结果与分析

由于工频磁场很容易穿透建筑物等大多数物体，而且一般不必考虑大地的镜像电流，以下的地面磁场强度计算结果可用于建筑物各楼层。只要预测点与导线的相对位置是一样的，预测点磁场强度就与预测点高度无关。

如图2所示，在最小允许高度条件下，为了降低磁场强度，采用逆相序排列在220kV线路中心线附近最为不利，而在导线直接跨越的宽度范围之外最为有利。对称排列为正好与此相反的另一个极端。逆相序排列的地面最大磁感应强度略高于对称排列。但对于10.2米以上的导线高度，图3表明对称排列时的地面最大磁感应强度大于逆相序排列。对于500kV及110kV线路，该转折高度分别为14.7m及6.4m，接近或低于最小允许高度。

图2 同塔双回220kV线路各种相序排列时

地面磁感应强度分布

由上述可知，对于地面磁场强度，逆相序排列的不利情况仅限于当导线高度较小时的线路中心线附近区域。但由于以下三个因素，该不利情况是很次要的：⑴导线直接跨越住人建筑物的情况不多见；⑵在送电线路沿线各处，导线一般高于最小允许高度；⑶当导线较低时，除了线路中心线附近的相对较小的宽度范围，逆相序排列的地面磁场强度均小于对称排列。因此，对于220kV、500kV、110kV电压等级及允许的任意导线高度，逆相序排列明显有利于降低居民的工频磁场暴露量。

进一步的计算表明，在空间任意点上，随着距离r的增加，对称排列的磁场强度接近于r-2规律变化，逆相序排列接近于r-3规律变化（r为预测点到线路中心线、中导线高度位置的距离），逆相序排列时线路工频磁场的影响范围远小于对称排列。若参考美国、瑞典等国的标准，以磁感应强度大于0.2μT为“影响”范围，对于图3的情况，对称及逆相序排列的“影响”范围宽度分别为2×151m及2×64m，前者为后者的2.36倍。进一步的计算还表明，当线路靠近城市建筑物时，对于任意的水平距离，逆相序排列的室内磁场强度最大值及总体影响也是最小。

图3 同塔双回线路对称及逆相序排列时

地面最大磁感应强度与导线高度的关系

以上计算结果均低于目前100μT的工频磁场公众照射评价标准[1]。

3 逆相序排列的应用

3.1 适用性分析

综上所述，从工频电磁场的环境影响角度考虑，同塔双回线路的导线采用逆相序排列最为有利。由于同塔双回线路常常出现在人口密集区，采用逆相序排列对于降低公众的受照剂量具有实际意义。

同塔双回线路采用逆相序排列（相对于对称排列，下略）的不利方面是将略微增加导线表面电场强度，由此将增加电晕损耗及无线电干扰水平。

随着负荷的增长，目前送电线路导线直径选得越来越大，同时越来越多的220kV线路采用双分裂导线，显著降低了导线表面电场强度，大大降低了电晕损失及无线电干扰水平。在此条件下，同塔双回线路采用逆相序排列的代价也大大降低了。以表1的线路参数为例，先计算出线路电阻损失；利用计算工频电场的公式计算出导线电荷及导线表面最大电场强度；然后采用文献[3]的公式与图表，忽略雪天与雾凇天，并取相对空气密度δ=1，简化计算出电晕损失，结果列于表2。从表2可看出，所有E/E0值均远低于规程建议值。[2]采用逆相序排列所增加的年均电晕损失相对于线路电阻损失都不大，除了500kV之外几乎可忽略不计。这类线路采用逆相序排列无疑是合理的。

而单导线220kV线路及导线直径较小的线路的电晕损失较大，采用（或改造为）逆相序排列的合理性需要作进一步的分析。

3.2 优化相序的措施

对于现有线路，可以从变电所门型架到第一个双回塔之间的过渡线路入手来改变相序排列，这几乎不增加任何投资。由于导线在门型架处总是水平排列的，在过渡到双回塔的垂直排列时可以有两个相反的旋转方向，通过改变旋转方向即可改变相序排列。该方法不能任意改变相序排列，因为中导线的位置无法改动。采用该方法可以将对称排列转换为最佳的排列――逆相序排列，但是B’A’C’与A’C’B’ 相序排列只能转换为C’A’B’（实质上与B’C’A’一样）与B’C’A’排列。由图2及文献[3]可知，在各种相序排列中，B’C’A’排列的工频电磁场强度为次最小，这样也带来一定的降低电磁场的效果，其电晕损失介于对称和逆相序排列之间。若相间距离允许，则可任意改变相序排列，不受限制。改变相序排列还将略微改变相导线电容，影响电力系统不对称电流和不对称电压。实际上常常可通过在变电所的多回路出线之间平衡协调，将此影响部分地互相抵消，并控制在允许范围内。

4 结语

为了实现社会、经济及环境三效益的统一，从送电线路的设计、影响评价到监督管理，都应全面贯彻“可合理达到尽量低 (ALARA) ”的辐射防护基本原则，而不能只是满足于未超过有关标准限值。

ALARA原则的背景是辐射生物效应的不确定性，在效应研究有了明确定论之前，应采取谨慎避免（Prudent Avoidance）的措施。同塔双回高压输电线路采用逆相序的排列方式，可有效地减少高压输电线路对环境产生的工频电磁场影响，使环境工频电磁场水平达到尽可能低的目的，公众可避免不必要的暴露，从而实现社会、经济和环境的协调发展。

参考文献

[1] 国家环境保护总局.500kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范.HJ/T24-1998.

[2] 国家经济贸易委员会.（110-500）KV架空送电线路设计技术规程.DL/T 5092-1999.

[3] 能源部东北电力设计院.电力工程高压送电线路设计手册[M].北京:中国电力出版社,1991.

[4] 赵亚民，张林昌，蒋忠涌.电磁辐射讲义[M]. 国家环境保护局监督管理司,1996.