500kV铁塔电场仿真及改善周边电场环境措施分析、输电线路屏蔽方案优化分析案例.docx

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1、附录A(资料性附录)500kV铁塔电场仿真及改善周边电场环境措施分析1二维电场有限元分析的基本原理静电场作为一个能量场，它满足电荷守恒定律、高斯定律等，说明它是一个守恒场。在静电场中，由相关定律可知电强的积分环路恒为零，即积分结果不受路径影响。在静电场中，使用的积分方程的公式为：JER=O(Al)DdS=g=JpdV(A2)SVD=E(A3)使用的微分方程的公式：E=0(A4)VP=p(A5)由上述微分公式能够计算出拉普拉斯及泊松方程。推导的步骤为，通过将=E和6=-Vp两个关系式，代入(A5)方程中得出：N、D=ZE+E=P(A6)当在均匀的介质中，由于漏足V=0,则可得：=-6,VN(P-

2、p(A7)=-p/(A8)上式为静电场的泊松方程。若P=0时，(A8)的公式则为=0,该方程式称为拉普拉斯方程。并且将6被称为拉普拉斯算子。对缺陷二维模型使用有限元法计算时，首先确定我们所要求解场域。在仿真计算时，一般把电极的表面取作边界，而电极外部的空间称为场域。通过设定电极两端施加规定电压，再求出电极以外空间的电场。若场域满足公式(拉普拉斯方程式)时：divgradp=0(A9)则计算场域问题可转化为求解边界值问题，一般称为DiriChlet。其中将函数夕被称为电位，其满足的微分方程为：及中=0(AlO)电场强度则有下式给出：E=-V(All)上式中E指电场强度矢量，其单位为V/m。当超过

3、2种及以上电介质的时候，这两类媒介质的界面上，电势应满足连续性条件：(A12)92(AI3)式中，句、/分别表示的是两种不同界面的电解质的相对介电常数，n指的是该交界面的外法线矢量。对于导体表面：(P= (Po(A14)其中，外为已知单位。(A15)对于悬浮导体则可以表示为：(P=(PX(A16)采用二维有限元法进行电场仿真,其剖分单元格的形式常采用三角形。其变分问题满足的条件为:(A17)进行离散化处理前，能量积分公式为:F)=(A18)上式n表示场域剖分出来单元格的总数，尸(夕)为三角形单元的能量积分方程为:S=服2+叫将方程形式改写矩阵型式：(A19)(A20)答=周离散化后方程式:仁=

4、展誓誓1yy(A21)其中A7、/V；表示的是插值函数。(A22)式中a；,邛,琮，工，号，c；为三角形AC面积的代数余子式:1Xiyi对方程组结合求解，结合方程为：fcl=Hd=(A24)C=I。夕e=l从而得到了有限元方程：I。=O(A25)上式中系数矩阵卜=r,并且卜是对称的和稀疏带状结构；其中卜由电场单元划分节点e的电位矩阵组成，待求得未知量，其中各节点电位可以利用边界条件求出。250OkV铁塔仿真分析及改善周边电场环境措施分析随着我国电网规模的不断扩大和输电电压等级的不断提高.输电线路的电磁环境影响越来越受到人们的关注，超高压输电线周围电磁环境及其对人体的辐射已成为人们普遍关心的问题

5、之一，随着社会远距离供电的发展，高压输电的作用日趋明显，但是由于所输的电能是50HZ的高压交流电，所以不可避免的就会产生一定大小的电磁场。随着人们生活质量的提高，对于高压输电线产生的电磁场是否会对身体健康造成影响的争论日趋激烈。利用Comsol仿真软件对云南内江地区某一500kV铁塔附近的电场强度进行建模仿真，分析该铁塔周围电场强度分布情况，通过分析加屏蔽杆对电场的屏蔽效果来探索减小铁塔对周围物体影响的方法。图A.150OkV铁塔实物图SOOW金HSIf(I)Ii仆h图A.250OkV铁塔参数表Io1S.5弓t8i i 一一!力故S*z,TNIEl2:9黄IE2IKl2L酒CIir)1I2卜勃

6、欧1F)I2E11根据铁塔各参数利用Comsol软件对铁塔进行建模图A.350OkV铁塔模型图仿真测量铁塔附近高度Im处的电势，结果如下:明：电势(V)图A.4铁塔附近高度Im处电势分布图由图可以看出，以铁塔底部电势为零电势点，则在距离铁塔底部右端13m左右的位置，电势最高(3200V),此处的电势差最大，电场强度最强。仿真测量铁塔附近高度2m处的电势，结果如下：图A.5铁塔附近高度2m处电势分布图同理，由图可得，若以铁塔底部电势为零电势点，则在距离铁塔底部右端13m左右的位置，电势最高(6800V),此处的电势差最大，电场强度最强。通过分析图A.4和图A.5,若要减小铁塔附近电场强度，则在距

7、离铁塔底部右端13m处加一屏蔽杆(5m)效果最佳，利用COmSoI软件建立加屏蔽杆的铁塔模型如下：freq(l)-50Hz表面：电分(V)-20-100102030m图A.6距离铁塔底部右端13m处加5m高屏蔽杆模型图通过对该模型图仿真所得如下：图A.7加屏蔽杆后铁塔附近高度Im处电势分布图flES:电势(V)4500051015202530354045505560距离(m)图A.8加屏蔽杆后铁塔附近高度2m处电势分布图对比图A.4和图A.7,铁塔附近高度Im处电势峰值由3200V降低到了2200V；对比图A.5和图A.8,铁塔附近高度2m处电势峰值由680OV降低到了4700V。结果表明在距

8、离铁塔底部右端13m左右的位置加屏蔽杆(5m)效果明显，能起到有效降低铁塔附近电场强度的作用。在铁塔右端5m高处加长度为5m横向屏蔽杆，模型图如下：-20-100102030m图A.9距铁塔5m高处加长度为5m横向屏蔽杆模型图通过对该模型图仿真所得如下：txs：电势a图A.10加横向屏蔽杆后铁塔附近高度Im处电势分布图图A.l1加横向屏蔽杆后铁塔附近高度2m处电势分布图对比图A.4和图A.10,铁塔附近高度Im处电势峰值由3200V降低到了3000V；对比图A.5和图A.1I,铁塔附近高度2m处电势峰值由680OV降低到了6400V。结果表明在距离铁塔5m高处加长度为5m横向屏蔽杆对铁塔附近电

9、场有一定屏蔽效果，但不明显。附：在研究中发现，在距离铁塔底部右端13m处加的5m高屏蔽杆还有额外作用，该屏蔽杆不仅能降低铁塔附近电场强度和电磁辐射，还能在雷电天气中降低雷电对铁塔的绕击率。当雷绕过铁塔避雷线击于导线或铁塔本身，会在受击物体上产生电效应、热效应和机械力，从而对设施或设备造成破坏，在本文研究中，在距离铁塔13m处的屏蔽杆（5m高）能起到避雷针的作用，在发生绕击雷时，能降低绕击雷对铁塔的绕几率，从而更好地保护设备不受破坏。附录B（资料性附录）500kV输电线路屏蔽方案优化分析案例50OkV线路某两杆塔间线路段附近一处民房范围内电场强度超出环保验收标准，并对超标房屋现场进行勘察分析。该

10、段线路档距429m,房屋距离送侧杆塔194m,距离受侧杆塔216m。线路周边存在坡地地势，房屋位于坡地顶部，周围环境空旷，房屋为周围环境高点，易引起电场畸变，导致电场强度超标（房屋主体分为主房、辅房、院坝三个部分，其中主房距离线路边导线最近点水平距离约14.2m（大于规范要求的5m）,垂直距离约14m,净空距离约20m（大于规范要求的8.5m）；辅房距离线路边导线最近点水平距离约8.2m（大于规范要求的5m）,垂直距离约18.4m,净空距离约20m（大于规范要求的&5m）,图B.1所示为房屋及其周边情况实地照片，图B.2所示为房屋及线路空间位置示意图。图B.1房屋及周边环境照片根据现场电场测量

11、结果，在该主房二楼屋顶距离边导线水平距离约15m,垂直距离约14.5m处的电场强度为4.45kVm,超过环保验收要求值。且该处位置为居民日常生活会经过区域，因此需对该位置电场强度超标现行进行改善处理。针对四川某50OkV线路某两杆塔间线路段附近房屋主房2楼电场强度超标问题展开优化措施分析。根据线路与房屋的位置关系、现场地形和现场条件，结合以往工程类似处理经验，初步设计拟定了拆迁房屋、线路塔身上架设屏蔽线、在房屋附近架设屏蔽线三个处理方案,并分别对各项措施进行分析评估。首先是房屋拆迁方案，经实地测绘，1#房屋包括混凝土砖房、砖瓦房、彩钢板房以及院坝等结构，共计使用面积达360?左右，评估拆迁费用

12、预计为50余万元，解决成本较高，不建议采用该方案。随后，对线路塔身上架设屏蔽线方案进行计算分析。根据施工可行性及以往工程经验，针对塔身上架设屏蔽线有两种可行方法，-种是在塔身基础上架设屏蔽线，如图B.3（a）所示，另一种为在塔身基础上新增横担架设屏蔽线，如图B.3（b）所示。（a）塔身基础架设屏蔽线（b）新增横担架设屏蔽线图B.3线路塔身上架设屏蔽线方案理论上，在塔身架设屏蔽线可改善导线周围的电场部分，降低导线对铁塔附近构筑物的电场强度。根据现场实际情况及建筑周边地形，构建了尽量贴近实际的电场强度分析计算模型，并基于图B.3（a）所示位置设置接地屏蔽线，计算得出未架设屏蔽线和架设屏蔽线两种情况

13、下房屋周围电场强度变化程度，如表B.1所示。表B.1塔身架设屏蔽线前后房屋电场超标点计算场强位置电场强度/kV/m主房二楼超标点架设屏蔽线前架设屏蔽线后4.5（模型计算值）4.4从上表可知，在塔身架设屏蔽线前后，主房二楼计算点的电场强度降低很少，仍然高于环保验收要求值。这是由于屏蔽线架设在边相和中相导线之间，改善了中相和边相之间的电场分布，边导线以外电场改善很小。此外，在中间导线与边导线之间加设接地屏蔽线，可能会影响导线间绝缘间隔，需要考虑导线间间隙距离要求，存在己施工完成的杆塔不符合该加设方案可能。针对新增横担架设屏蔽线方案，需考虑新增横担对杆塔结构安全及其力学承受能力。在验算铁塔力学强度后

14、，可设定新增横担长度与导线横担保持一致，在保证绝缘安全与尽量提高其屏蔽效果，分析计算中设定屏蔽线挂于边导线正下方8.5m处，计算得出未架设屏蔽线和架设屏蔽线两种情况下房屋周围电场强度变化程度，如B.2所示。根据表中数据可知，在新增横担架设屏蔽线前后，主房二楼计算点的电场强度降低程度约为7%,仍然难以满足电场屏蔽优化需求。这是由于屏蔽线架设在边相导线正下方，改善了边相下方的电场分布，边导线以外电场改善很小。此外，新增横担不仅会增加杆塔力学负担，杆塔基础上架设屏蔽线所布设长度较长，投入较大，针对个别电场超标情况，该改善措施经济性较低。表B.2新增横担架设屏蔽线前后房屋电场超标点计算场强位置电场强度/kV/m主房二楼超标点架设屏蔽线前架设屏蔽线后4.5（模型计算值）4.2根据上述分析评估，房屋拆迁以及杆塔塔身上架设屏蔽线两种方窠都难以高效、经济的实现电场分布改善，降低房屋区域电场强度。同时基于前述章节分析可知，在电场强度超标建筑周围有靶向性的架设屏蔽线，是针对此种小范围个别建筑周围电场强度超标的相对最优选择。基于上述研究所得的屏蔽线架设位置的影响，以及所提屏蔽线架设位置最优方法分析方法，构建架设屏蔽线后房屋周围电场强度分析模型。在分析