基于矩量法的特高压变电站电磁环境建模与预测研究

基于矩量法的特高压变电站电磁环境建模与预测研究

0特高压输电的电磁环境研究高压供电具有传输能力大、距离远、损失低、占地面积小、投资省等优点。2009-01-06,中国国家电网公司建成投运了1000kV特高压交流试验示范工程,实现了具有里程碑意义的创新和突破。该工程是世界上目前商业化运营的、电压等级最高的输变电工程,验证了特高压输电的技术可行性、设备可靠性、运行安全性、环境友好性和相关设备生产供应的现实可行性,为特高压输电技术在世界范围内更广泛的应用积累了有益的经验。不过,特高压电网在提高输电能力、减小输电线路走廊的同时,也因其高电压所带来的电磁环境问题而引起社会的关注。研究影响电磁环境的主要技术特性,对于合理确定线路的设计参数、保证线路安全可靠运行和降低特高压工程建设运行成本、满足环境保护要求等均具有十分重要的现实意义。目前,特高压输电的电磁环境已有许多研究成果,研究主要集中在输电线路电磁环境的仿真计算和测试上,通过对各种导线参数,架线高度以及塔型选择的研究分析,评价了我国特高压输电线路的环境影响,并提出了各种满足环保要求的线路设计参数及改善电磁环境的方法措施。对于特高压变电站的电磁环境研究也主要集中在现场测试上,随着社会环保意识的增强,有必要对特高压变电站进行系统、正确和可靠的预测分析。为了开展特高压变电站电磁环境建模方法和预测计算的系统研究工作,本文基于矩量法采用CDEGS软件对晋东南至荆门的3座变电站站内输电导线进行了建模,对线路模型下方区域、保护小室区域以及变电站站外距围墙20m处的电磁骚扰量进行了大量仿真和计算,计算高度选择地表以及离地1.5m处,计算结果与工频电场和工频磁场职业曝露标准以及保护与控制设备的工频磁场抗扰度标准限值进行比较,确定职业曝露场强超标区域以及保护与控制设备工频磁场抗扰度的试验等级。1线路模型1.1线路及线路建模晋东南特高压变电站正常运行时工频电场、磁场计算模型见图1。导线类型4×JLHN58K-1600,等效半径为29.5cm。图中,1000kV区域GIS建模高度17.8m,相间距15m;线路进线建模高度30m,相间距20m;出线建模高度39.1m,相间距20m;连接TV、TA的管母线高度为17.8m,长度为44.6m;正常运行时线路相电压为577.4kV,满负荷电流为1614A。500kV区域HGIS建模高度9.7m,相间距8m;线路建模高度24m,相间距8m;母线建模高度为15.5m,间距为6.5m;正常运行时线路相电压为288.7kV,满负荷电流为3056A。110kV区域主母线建模高度为7.3m,间距为2.5m;1M、2M建模高度为7.2m,间距为2.5m;母线与电容器组及电抗器组连接线建模最低高度为5.5m;正常运行时线路相电压为63.5kV,满负荷电流为3810A。1.2两种风荷载合设几何模型南阳开关站正常运行时工频电场、磁场计算模型见图2。图中,晋东南进线建模高度54.6m,相间距15.0m;1M、2M建模高度均为34.3m,相间距15m;GIS连接管母线建模高度17m;TV、TA上方管母线长度为37m,建模高度18m,相间距15m;荆门出线建模高度54.6m,相间距15m;正常运行时线路相电压为577.4kV,负荷电流为1610A。1.3线路主导线及线路相间距分布荆门特高压变电站正常运行时工频电场、磁场计算模型见图3。图中,1000kV区域GIS建模高度17.5m,相间距14.5m;线路进线建模高度27m,相间距15m;出线建模高度50.7m,相间距14.5m;母线建模高度为34m,间距为15m;连接TV、TA的管母线高度为17.5m,长度为17.5m;线路相电压为577.4kV,满负荷电流为1597A。500kV区域HGIS建模高度10.8m,相间距7.5m;线路建模高度25.5m,相间距7.5m;母线建模高度为16.1m,间距为6.5m;线路相电压为288.7kV,满负荷电流为3038.0A。110kV区域主母线建模高度为7.3m,间距为2.5m;1M、2M建模高度为7.2m,间距为2.5m;母线与电容器组及电抗器组连接线建模最低高度为5m;线路相电压为63.5kV,满负荷电流为3775A。2计算2.1职业曝露限和抗扰度限值国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)导则规定:工频电场的电场强度职业曝露限值为10kV/m,工频磁场的磁感应强度职业曝露限值为500μT。对于各类电气与电子设备的抗扰度标准限值列于表1。我国国家环境行业标准HJ/T24-1998《500kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》推荐暂以4kV/m作为居民区工频电场评价标准,推荐应用国际辐射保护协会关于对公众全天辐射时的工频限值0.1mT作为磁感应强度的评价标准。2.2线路检查走廊工频车间、工频车间晋东南变电站、南阳开关站和荆门变电站各电压等级区域线路下方工频电场和工频磁场最大值的计算结果详见表2～4。1最大工频电场强度工频电场:晋东南变电站站内1000kV区域巡视走廊的最大工频电场强度约为10.8kV/m;南阳开关站站内1000kV区域巡视走廊的最大工频电场强度约为12.7kV/m;荆门变电站站内1000kV区域巡视走廊的最大工频电场强度约为14.1kV/m。由于3座变电站1000kV区域连接TV、TA的管母线都离地较近(≤18m),其下方工频电场强度均超过了ICNIRP导则规定的10kV/m职业曝露限值。工频磁场:晋东南变电站、南阳开关站和荆门变电站1000kV区域线路巡视走廊区域工频磁场的最大磁感应强度分别为20.4、5.3和51.4μT,均远低于ICNIRP导则规定的500μT职业曝露限值。2工频电场分析工频电场:晋东南变电站站内500kV区域巡视走廊的最大工频电场强度约为13.2kV/m;荆门变电站站内500kV区域巡视走廊的最大工频电场强度约为15.1kV/m,最大值均出现在500kV区域HGIS下方。由于HGIS上方母线连接回路较多,其下方工频电场强度较大,超过了ICNIRP导则规定的10kV/m职业曝露限值。工频磁场:晋东南变电站和荆门变电站站内500kV区域线路巡视走廊工频磁场的最大磁感应强度分别为21.5μT和24.2μT,均远低于ICNIRP导则规定的500μT职业曝露限值。3最大工频电场强度工频电场:晋东南变电站站内110kV区域巡视走廊的最大工频电场强度约为7.7kV/m;荆门变电站站内110kV区域巡视走廊的最大工频电场强度约为9.3kV/m。两座变电站站内110kV区域巡视走廊的最大工频电场强度均低于ICNIRP导则规定的10kV/m职业曝露限值。工频磁场:晋东南变电站和荆门变电站站内110kV区域线路巡视走廊工频磁场的最大磁感应强度分别为148.7μT和156.2μT,均远低于ICNIRP导则规定的500μT职业曝露限值。2.3计算结果表5为晋东南变电站、南阳开关站和荆门变电站站内保护小室区域工频电场和工频磁场最大值的计算结果。由表5可以看出:晋东南变电站、南阳开关站和荆门变电站保护小室区域的最大工频磁场强度分别为20.12、9.73和17.63A/m,均低于表1所列特高压变电站保护与控制设备的工频磁场抗扰度5级的要求,即100A/m。2.4最大工频电场强度和最大工频磁场强度图4～6分别为计算晋东南变电站、南阳开关站和荆门变电站站外距围墙20m处电磁骚扰量的模型示意图,图中虚线为本次站外距围墙20m处电磁骚扰量的计算区域,数字表示从0开始沿围墙绕一圈的距离长度,计算高度为1.5m。图7～9分别为晋东南站、南阳站和荆门站站外距围墙20m处工频电场和工频磁场的计算结果。可以看出:①晋东南变电站站外距围墙20m处的最大工频电场强度和最大工频磁场强度均出现在1000kV线路和500kV线路出站的下方,1000kV线路出站侧最大工频电场强度和最大工频磁场强度分别为1.97kV/m和3.68μT;500kV线路出站侧最大工频电场强度和最大工频磁场强度分别为1.83kV/m和2.84μT;②南阳开关站站外距围墙20m处的最大工频电场强度和最大工频磁场强度均出现在1000kV线路出站的下方,1000kV线路出站侧最大工频电场强度和最大工频磁场强度分别为1.29kV/m和2.34μT;③荆门变电站站外距围墙20m处的最大工频电场强度和最大工频磁场强度均出现在1000kV线路和500kV线路出站的下方,1000kV线路出站侧最大工频电场强度和最大工频磁场强度分别为2.11kV/m和1.81μT;500kV线路出站侧最大工频电场强度和最大工频磁场强度分别为1.96kV/m和4.93μT。晋东南变电站、南阳开关站和荆门变电站站外距围墙20m处的最大工频电场强度和最大工频磁场强度均低于我国国家环境行业标准HJ/T24-1998关于公众居住环境规定的人体允许曝露限值4kV/m和100μT。3最大工频电场强度本文预测分析了特高压变电站的工频电磁环境,包括站内线路巡视走廊、保护小室区域以及站外距围墙20m处的稳态电磁场分布,计算结果表明:a)变电站站内1000kV区域线路巡视走廊最大工频电场强度约为14.1kV/m,最大值出现在连接TA、TV的管母线下方;500kV区域线路巡视走廊最大工频电场强度约为15.1kV/m,最大值出现在该区域HGIS下方。1000kV区域和500kV区域线路巡视走廊最大工频电场强度均ICNIRP导则规定的10kV/m职业曝露限值。b)变电站站内线路巡视走廊工频磁场的最大磁感应强度约为156.2μT,远低于500μT的职业曝露限值。c