1000kV同塔双回线路空间电磁场分布数值模拟
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摘 要：采用有限元软件COMSOL对特高压同塔双回输电线路进行建模仿真，得出特高压同塔双回输电线路周围的电场强度和磁感应强度的云图分布，并模拟得出距离地面1.5m处，电场强度和磁感应强度的分布，得出距离地面1.5m处，电场强度的最大值为3.76kV/m，磁感应强度的最大值为11.1μT，都满足GB 8702-2014《电磁环境控制限值》所规定的限值标准。
关键词：特高压交流同塔双回输电线;磁感应强度;电场强度
中图分类号：TM81 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2020）10-0070-03
Abstract： Using the finite element software COMSOL to model and simulate the UHV double-circuit transmission line on the same tower， the cloud distribution of electric field intensity and magnetic induction intensity around the UHV double-circuit transmission line on the same tower is obtained， and the distribution of electric field intensity and magnetic induction intensity at 1.5m from the ground is simulated. it is concluded that the maximum value of electric field intensity at 1.5m from the ground is 3.76kV/m. The maximum magnetic induction intensity is 11.1μT， which meets the limit standard specified in the electromagnetic Environment Control limit of GB 8702-2014.
Keywords： UHV AC double-circuit transmission line on the same tower; magnetic induction intensity; electric field intensity
引言
近些年，国家电网公司将输送的电压等级提升到1000kV甚至更高，而输电线在工作时，周围会产生工频电场和磁场，而如此高的电压等级难免会让人担心输电线周围的环境问题[1]。因此有越来越多的学者研究特高压输电的电磁环境问题。
1979年Wertheimer发表了一篇关于工频磁场和儿童癌症的研究报告，这篇报告对关于儿童癌症的一项流行病学调查指出，这些儿童生活环境靠近电力变压器或者输电线路，由此，他认为是电力输电线产生的工频电磁场，这大大提高了儿童患上癌症，最后导致死亡的可能性[2]。在这之后又有其他的学者进行了类似的研究，得出了相似的结论[3-4]。2002年，世界卫生组织（World Health Organization，WHO）所属的国际癌症研究机构（International Agency for Research on Cancer，IARC）将极低频磁场定义为对人类可疑致癌物，分类为2B[5]。
我国也有学者对特高压电磁环境进行了研究，包括特高压输电线正下方电场强度和磁感应强度的分布，以及导线，相间距，最小对地高度等因素对导线正下方电场强度和磁感应强度的影响[6-7]。
本文利用有限元软件对1000kV同塔双回输电线路的电磁环境进行仿真。得出导线正下方的电场强度和磁感应强度，并和国家标准GB 8702-2014《电磁环境控制限值》[8]中的标准进行对比，对1000kV同塔双回特高压的电磁环境作出一个评估。
1 原理和模型
本节介绍了有限元软件模拟计算电磁场相关数值的原理，以及介绍了创建导线模型的相关依据。
1.1 原理
常用的用于电磁场数值计算的方法有等效电荷法、有限差分法、有限元法和矩量法，Comsol软件是基于有限元法对模型进行求解，有限元法把场域空间分成为有限个网格，以每个网格的边界节点作为一个未知数，利用电磁场的边界条件，列出节点上的未知数求解的线性方程组，这样就能计算出电磁场空间的电场强度和磁感应强度的分布。
1.2 特高压输电导线模型
本次建模采用的塔型是1000kV特高压同塔双回伞型塔，导线所采用的型号为8×LGJ-630/45，导线上所加载的电流最大值取4000A，导线相序采用逆相序，工作频率为50Hz，绝缘子长度取10m，导线的相位差为120°，导线的档距取300m。
1.3 Comsol建模
Comsol建模计算主要分为前处理，求解，后處理三个步骤，前处理包括定义问题的几何区域：根据实际问题建立实际的物理模型，定义单元类型;定义单元的材料属性;设置边界条件;加上相应的载荷。对建立的模型进行网格剖分，最后由Comsol软件进行计算，然后对结果进行后处理。本文经过对模型的简化，将8分裂导线等效为一根长直圆柱形导线[9]，导线等效半径为0.4m，在Comsol中建立如图1的模型。为了方便计算在建模时认为规定了一个空气域，最后网格剖分如图2所示。
2 结果
1000kV同塔双回交流输电线路在架设导线时最常使用的逆相序，本节将对这种情况下，特高压同塔双回输电线路正下方的电场强度，磁感应强度进行仿真。 2.1 电场强度
仿真过程中给导线加上电压最大值为1000kV，相位差为120°的三相交流电。在导线正下方，相序为ABC-CBA，仿真得出输电线周围电场强度云图分布，距离地面1.5m处的电场强度分布，如图3、图4所示。
图中0m处为双回路输电线正中间位置，依次往左右向外延伸，从图中可以电场强度大致呈“M”型分布，两侧大致呈对称分布，电场强度的最大值为3.76kV/m，满足GB 8702-2014《电磁环境控制限值》所规定的限值4kV/m。
2.2 磁感应强度
为了模拟仿真得出同塔双回输电线磁感应强度的分布，给导线加载电流最大值为4000A，导线相序为逆相序的电流。得出同塔双回交流输电线磁感应强度的云图分布和距离地面1.5m处磁感应强度的分布如图5、图6所示。
从图6中可以看出磁感应强度也是呈“M”型分布，磁感应强度的最大值为11.1μT，小于GB 8702-2014《电磁环境控制限值》所规定的限值100μT。
可以看出1000kV特高压同塔双回输电线路模拟值电场强度和磁感应强度都是小于国家标准所规定的安全限值见表1，说明特高压输电线电磁环境是安全的。
3 结论
本文利用有限元软件Comsol对1000kV特高压同塔双回电磁环境进行了模拟仿真，得出电场强度和磁感应强度呈“M”型分布，并且左右呈对称分布，在距离地面1.5m处电场强度最大值为3.76kV/m，磁感应强度为11.1μT，模拟所得到的值均符合国家标准限值。
通过模拟仿真，可以让人们对特高压同塔双回电磁环境有一个直观的认识，也在一定程度上有利于我国的特高压建设。
参考文献：
[1]刘振亚.特高压电网[M].北京：中国经济出版社，2005.
[2]Nancy Wertheimer， Ed Leeper. Electrical Wiring Configurations and Childhood Cancer[J].American Journal of Epidemiology， 1979， 109（3）：273-284.
[3]London S J， Thomas D C， Bowman J D， et al.Exposure to residential electric and magnetic fields and risk of childhood leukemia[J].American journal of epidemiology， 1991，134（9）：923-937.
[4]Feychting M， Alhbom M. Magnetic fields and cancer in children residing near Swedish high-voltage power lines[J]. American journal of epidemiology， 1993，138（7）：467-481.
[5]IARC.IARC monographs on the evaluation of carcinogenic risktohumans：non-ionizing radiation，part 1： static and extremelylow-frequency（ELF） electric and magnetic fields[R].Lyon， France：IARC Press， 2002.
[6]牛林.特高压交流输电线路电磁环境参数预测研究[D].山东大学，2008.
[7]邵方殷.1000kV特高壓输电线路的电磁环境[J].电网技术，2007（22）：1-6.
[8]GB 8702-2014电磁环境控制限值[S].2014.
[9]Д.Н.Шапиро.Theoretical basis of electromagnetic shielding[M]. National Defense Industry Press，1983.
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