(200)我国特高压输电线路的相导线布置和工频电磁环境

我国特高压输电线路的

相导线布置和工频电磁环境

邵方殷

（中国电力科学研究院，北京市海淀区100085）

PHASE CONDUCTOR CONFIGURATION AND POWER FREQUENCY ELECTROMAGNETIC ENVIRONMENT OF UHV TRANSMISSION LINES IN CHINA

SHAO Fang-yin

（China Electric Power Research Institute，Haidian District，Beijng 100085，China）

ABSTRACT：The strategy and measures for solving the power frequency electromagnetic environment problems in developing their UHV transmission lines in former USSR, Japan and the US are briefly introduced and analyzed. Based on the construction and operation experiences gained from 500kV transmission lines in China a new phase conductor configuration scheme (compact line with verse triangle configuration of phase conductors) is proposed. Distributions of power frequency electric field and magnetic field for the above mentioned three types of UHV transmission lines abroad and that of the proposed scheme to be developed are calculated under the same control condition. The obtained results should be helpful in choosing and determining the phase conductor configuration and the type of tower of the first UHV lines in China.

KEY WORDS：Power system；High voltage engineering；UHV transmission line；Compact transmission line；Electromagnetic environment；Power frequency electric field；Power frequency magnetic field

摘要：介绍了前苏联、日本和美国的特高压输电线路的研发简况、国外解决工频电磁环境问题的不同做法以及我国解决500kV线路工频电磁环境的措施。在相导线对地距离和输送电流相同的条件下，对国外已研发的三种特高压输电线路和作者建议研发的紧凑型特高压输电线路的工频电场和磁场分布进行了计算和比较，所得分析结论可为我国特高压输电线路的相导线布置选型提供参考依据。

关键词：电力系统；高电压技术；特高压输电线路；紧凑型线路；电磁环境；工频电场；工频磁场

1 引言

我国国民经济的持续高速增长对电力的需求量在不断增加，根据国网建设有限公司的规划，近几年内将建设1000kV特高压输电线路。美国、前苏联、日本和意大利等国已于20世纪70年代初先后开展了特高压输电工程建设的研究工作，由于各国的国情不同，各国研制开发适用于本国的特高压输电线路的相导线布置及塔型相差较大。我囯的特高压输电线路应采用哪一种相导线布置和塔型是一个值得研讨的问题。在环境保护方面，针对如何解决工频电场和磁场环境问题，各国的做法差别也很大。特高压输电线路的电磁环境问题主要涉及工频电场和磁场、无线电干扰和可听噪声等方面，在满足可听噪声和无线电干扰的限值方面，各国的一致做法是增加相导线根数和减小导线表面场强。本文结合我国国情，从改善输电线下工频电磁环境的角度考虑，建议我国的特高压输电工程采用相导线倒三角布置紧凑型输电线路，还对国外已开发和研制的三种相导线布置方式和本文建议采用的紧凑型相导线布置方式的线下工频电场和磁场分布进行了计算比较，为最终确定特高压输电线路的相导线布置方式和塔型提供参考依据。

2 国外特高压输电线路的建设情况

2.1 前苏联

前苏联于20世纪70年代开始研究特高压，至1981年共建设了1150kV特高压线路2346km：埃基巴斯图兹－科克切塔夫线段长500km，于1985年建成，并按额定电压投运；科克切塔夫－库斯坦奈线段长390km，于1988年建成并投运，后因苏联解体，负荷需求改变，于19年全线降压为500kV运行[1-3]，该线路曾是世界上按额定电压正式运行过的唯一特高压输电线路。

前苏联的特高压输电线路中相导线为水平排列，每相最初采用8×AC 330/43导线，间距为0.4m，导线的外接圆直径为1.02m。为减轻中相导线穿过铁塔时局部线段导线表面电场强度的增加，将长约22m一小段的中相悬挂点导线由8改为10。杆塔采用拉V塔，两边相和中间相分别采用悬垂和V型绝缘子串，相间距为24.2m，杆塔的外型和主要尺寸如图1(a)所示。长期运行情况表明，电晕损失较大，特别是天气较差时。在后建的输电线路中相导线采用8×AC 400/53导线，间距不变[3]。

线路跨越等级公路时地面电场限值取为12kV/m，导线对地距离为21m；线路通过无人居住区时（但人类活动能达到的地区）地面电场限值取为15kV/m，导线弧垂最大时对地距离为18.5m。架空地线采用2×AC70/72型双钢芯铝绞线，间距为0.4m。

2.2 日本

日本自1973年10月开始研究特高压输电技术，于1988年开始动工建设特高压输电工程，到1995年已建成1000kV特高压输电线路350km。已建成的两段线路先后于1992年4月和1993年10月降压为500kV运行，未完成的部分在继续建设[4-6]。

日本的1000kV特高压输电线路采用同杆双回线路，每相导线采用8结构，间距为0.4m，导线外接圆直径约为1.04m。根据不同线路段的输送容量，8导线的单根导线可分别选用610mm2、810mm2、940mm2和960mm2等钢芯铝绞线。双回路铁塔上架设了两条具有负保护角的架空地线，地线采用良导体以提高防雷效果，地线为空芯绞线结构，内芯敷设5根光纤用于传递通信和控制信号。各相绝缘子均为悬垂串，每串约40片，长约7.8m（根据线路所处地区和绝缘子的型号略有差别），直线塔的相间距离为20m，耐张塔的相间距离为17.5m[5,6]。特高压同杆双回线路的直线铁塔外型如图1(b)所示。

2.3 美国

美国邦维尔电力局（BPA）曾计划建设1100kV 电压等级输电线路，还曾设计了相导线正三角型布置的自立式铁塔，该塔高60m，宽56m，在试验站建立了试验线段进行了试验运行，铁塔的主要尺寸及外型如图1(c)所示[7]。

频电场控制到足够低需大幅抬高导线对地距离，由于输送距离不长，日本经济是足以承受的。我国的特高压输电距离很长，采用日本的办法在经济上的花费很大，且日本的特高压输电线路虽已建成多年，尚无全电压运行经验，也不宜直接搬用。

美国BPA研制的1000kV特高压输电线路是正三角布置，与前苏联水平布置的特高压输电线路相比，线路走廊可以减小，但铁塔较高，为将线下工频电场到适合于农业劳动，还需要通过抬高导线对地距离来实现。这种线路仅通过了试验站内试验，还未用于实际工程。

3 关于我国交流特高压输电线路相导线布置方式的建议

3.1 建议采用相导线倒三角布置的紧凑型线路

以上三种特高压输电线路，按相导线布置方式来分类，可区别为相导线水平布置、正三角布置和同塔双回线路，它们都是高压和超高压输电线路中经常见到的。中国的特高压输电线路如准备采用其中一种，还需根据我国具体国情重新考虑和设计塔型、塔高和相间距等。根据我国已建的高压和超高压输电线路运行经验和我国的国情，还应考虑采用相导线倒三角布置的紧凑型输电线路。

3.2 采用相导线倒三角布置的紧凑型线路的原因3.2.1 可大幅度改善线下及周围的工频电场和磁场环境

（1）国外改善输电线路工频电场对环境影响的做法

美国。为防止输电线路线下及附近工频电场对人造成不良影响，对500kV及以上电压等级的超高压输电线路允许电力公司征购线下一定宽度的土地，被征购的走廊内和走廊边缘地区的工频电场都有明确限值，走廊内最大工频电场限值一般为10kV/m，走廊边缘的工频电场限值各州各有规定，从而使相应的走廊宽度也有较大差别[8]。各州走廊边缘的电场限值参见表1。

表1 美国各州500kV和750kV输电线路走廊边缘电场限值Tab. 1 The threshold value for electric field around 500kV and 750kV transmission lines regulated

by different state of USA

州名佛罗里达蒙大拿纽约新泽西

电场限值/(kV/m) 2.0 1.0 1.6 2.0 目前美国还没有正式运行的特高压输电线路，在早期研制阶段，有关于特高压输电线路电磁环境的文献建议特高压输电线路走廊边缘工频电场限值取为4kV/m。

前苏联。由于土地国有不存在征购线路走廊问题，考虑到超高压和特高压输电线路输送距离长，为减少线路建设费用，线下电场取值较高，最大电场限值为15kV/m。为防止电场对人造成不良影响，在线路经过无人居住但人类活动可以到达的地区，将线下的一定宽度范围划定为防护区，防护区内不允许有永久和临时性住房，防护区边缘设有警示牌要求人们不要在防护区内长时间停留[9]。对于交流1150kV线路，人员进入的防护区边缘电场限值为1kV/m，总宽度约为160m[1]。

日本。由于国土狭窄人口密集，输电线路很难避开人员经常活动的地区，因此输电线路线下工频电场的限值比美国和苏联低很多，例如500kV线路跨越公路时工频电场限值规定为3kV/m，跨越农田时电场限值约为4~5kV/m。日本减小线下及其附近工频电场的办法主要是大幅提高导线对地距离，同时并辅以同塔双回路采用逆相序布置。1100kV同塔双回线路采用逆相序布置后，为确保跨公路和人员可进入地区的线下工频电场限值达到3kV/m限值，导线对地最小距离为42m[5]。

（2）中国紧凑型输电线路的线下工频电场和磁场

我国规定500kV输电线路的线下工频电场限值为：跨越农田时取10kV/m，跨越公路时取7kV/m。今后将建的1000kV输电线路线下工频电场仍应维持上述限值不变。目前500kV常规单回和同塔双回输电线路通过适当抬高相导线对地距离来滿足上述限值。为在不增加导线对地距离的前题下改善线路附近民房和线下农田的工频电磁环境，20世纪80年代中期中国电力科学研究院曾提出常规500kV线路采用相导线倒三角布置的方案[10]，由于条件所限未曾实现。

在研发我国紧凑型输电线路时采用相导线倒三角布置，与国外相比除可提高自然功率及减小线路走廊以外，还可大幅改善线下工频电场和工频磁场环境。这种紧凑型输电线路已通过220kV、330kV 和500kV运行考验，目前已在500kV电网中推广应用。图2和图3分别表示了500kV常规和紧凑型输电线路的线下工频电场和工频磁场分布情况[11]。

由图2可见，紧凑型输电线路导线对地最小距离（10.5m）小于常规线路（11m），而最大工频电场反而小于常规线路。大于4kV/m和2kV/mV工频电场的范围，常规线路的为52m和m，紧凑型

图3 500kV常规和紧凑型线路工频磁场分布

Fig. 3 The distribution of power frequency magnetic field under 500kV traditional transmission line and compact

transmission line

线路的仅为16m和32m。采用紧凑型线路可显著减小线下高场强区的范围和最大电场。由图3可见，在通过相同电流（1kA）、紧凑型线路最小对地距离（10.5m）小于常规线路（11m）的条件下，紧凑型线路的最大工频磁场还不到常规线路的一半，同时还大大减小了高工频磁场的范围。

中国人多耕地有限，不能像美国和前苏联那样农民在线下活动。目前的做法是只征购杆塔塔基所需土地，输电线下仍可自由种地，这一情况与日本有些相似。如仿效日本只通过抬高相导线对地距离来减小线下工频电场，由于中国超高压和特高压输电线路的输送距离长，经济上很难承担。因此1000kV输电线路应采取适当抬高相导线对地距离和相导线倒三角布置同时并举的的办法，即目前220kV、330kV和500kV已采用并正在500kV输电线路上推广的中国式紧凑型输电线路。这样可不必过分增加相导线高度，既节省了建设费用，还可改善农民从事农业劳动时的工频电场和磁场环境。

3.2.2 可进一步提高线路的自然功率和压缩线路走廊

由于我国人口多，用于农业的耕地有限，能源点和负荷中心间的距离又长，电力输送不可避免地要经过农业区。因此目前的输电线路建设特别强调减小建设用地，尽可能压缩线路走廊宽度和提高单位走廊宽度输送容量，建设特高压输电线路也应遵循这一原则。虽然建设特高压输电线路与建设相同输送容量的500kV线路相比，已大大节省了线路走廊宽度，如果特高压输电线路是紧凑型，减少走廊宽度和提高单位走廊宽度输送容量的幅度将会更大。特别是中国的紧凑型输电线路是在认真总结西方压缩相间距离紧凑型线路的基础上，学习和吸收了前苏联提出的改变导线结构也可提高线路自然功率的某些新思路，采取了压缩相间距离和增加导线根数同时并举的方法，进一步提高了线路的自然功率，还解决了压缩相间距离后导线表面场强增加的问题。以500kV昌平—房山紧凑型输电线路为例，在无线电干扰和可听噪声水平与常规线路大体相同、相导线最小对地距离略小于常规线路的前题下，其自然功率较常规线路提高了34%，输电走廊较常规线路减小了17.9m。我国特高压输电线路如采用紧凑型线路，在提高线路自然功率、单位走廊宽度输送容量和减小线路走廊方面将大大优于500kV紧凑型线路。

3.3 紧凑型输电线路的可靠性问题

已用于我国220kV、330kV和500kV线路中的相导线倒三角布置的紧凑型输电线路，在理论上和多年的运行经验都可证明，这种相导线布置方式确实能够大幅提高自然功率、大幅减小线路走廊宽度和大幅改善线下及其周围的工频电场和工频磁场环境。主要问题是杆塔设计和相导线悬挂方式如何在不同电压等级下安全可靠地实现这种导线布置。从220kV、330kV和500kV紧凑型线路相导线的悬挂和杆塔设计情况来看，导线布置都是一次成功并长期安全运行。昌—房500kV紧凑型线路自1999年投运以来已安全运行了5年多，500kV紧凑型线路目前已在国内全面推广。此外，三峡—华东的500kV 线路中政平—宜兴段已建成投运了同塔双回相导线倒三角布置的紧凑型线路。基于这些情况，特高压输电线路采用倒三角布置紧凑型线路在相导线悬挂和杆塔设计方面应该没有无法克服的困难。

4 几种特高压输电线路线下工频电场和工频磁场分布的比较

特高压输电线路要解决的电磁环境问题主要包括工频电场、工频磁场、无线电干扰和可听噪声几方面。其中无线电干扰和可听噪声可通过增加相导线根数、改进导线结构及减小导线表面电场来实现，在这方面各国的做法基本一致。在消化吸收并适当补充国外研究成果后可直接用于我国。但在解决输电线路工频电场和工频磁场对环境影响方面，各国的做法相差很大，除技术措施以外还与国情及行为等因素有关，需根据我国的具体国情确定解决方案。

据此本文对国外已研发的三种特高压线路和紧凑型特高压线路，在每相的导线总截面相同、相同的对地距离和线路电流的条件下，计算和比较了线下的工频电场和工频磁场分布情况。

计算时对前苏联、日本和美国研发的三种特高压输电线路保持相导线布置方式、相间距离、相导线根数和间距不变。对相导线按倒三角布置的紧凑型特高压线路，取相间距离为13m（按满足绝缘要求并留有足够裕度的原则初步估算），根数取10和12两种情况，间距取35cm。

按相同的相导线总截面条件，对三种常规特高压输电线路每相取8×LGJ-500/45导线，该型号导线的直径为3cm（大于前苏联所选导线而小于日本和美囯所选导线）。这是考虑到除满足输送容量以外，还应满足可听噪声限值所需的最小直径。紧凑型输电线路的相导线可选择为10×LGJ-400/65导线和12×LGJ-400/65导线，其中10×LGJ-400/65导线的每相总截面与常规线路一致，12×LGJ-400/65导线的每相总截面大于常规线路，这主要是因为没有合适的导线型号可选。

计算时相导线对地距离取22m，这是按前苏联相导线水平布置方案、满足跨农田场强小于10kV/m限值时所需的最小对地距离。

计算时电压取1050kV，这是因为我国1000kV 特高压输电线路的最高运行电压为1100kV，电磁环境计算电压一般高出额定电压5%；计算时电流取4000A。表2列出了5种特高压输电线路的主要参数，其中水平排列、三角排列和双回路分别是指前苏联、美国BPA和日本研制的特高压线路塔头部分。表3列出了5种特高压输电线路每相导线的表面最大电场强度计算值。我国500kV线路的相导线为4×LGJ-300时导线表面最大场强为18.02~ 17.02kV/cm，相导线为4×LGJ-400时为导线表面最大场强为15.92~15.63kV/cm[12]。与表3比较后可见，三种常规特高压输电线路和每相10紧凑型输电线路的表面最大场强相当于500kV线路的中等水平，紧凑型线路采用12导线后其表面最大场强将比500kV线路低很多。

表2 5种特高压输电线路的主要参数

Tab. 2 The main parameters for five kind of

ultra-high voltage transmission lines

相导线

布置方式

水平排列三角排列双回路

紧凑型

(10)

紧凑型

(12) 导线根数8 8 8 10 12

导线型号

LGJ-

500/45

LGJ-

500/45

LGJ-

500/45

LGJ-

400/65

LGJ-

400/65 导线直径/mm 30 30 30 28 28

间距/cm 40 40 40 35 35 外接圆直径/m 1.04 1.04 1.04 1.13 1.35

带电导线总宽/m 48.4 22.0 66.0 13.0 13.0 表3 5种特高压输电线路的导线表面电场强度Tab. 3 The electric field of conductive line’s surface for five kind of ultra-high voltage transmission lines

导线表面电场强度/( kV/m)

相导线

序号水平排列三角排列双回路*

紧凑型

(10)

紧凑型

(12) A相15.03 16.16 16.28 16.23 14.48

B相15.73 15.91 15.99 16.72 14.94

C相15.03 16.16 15. 16.23 14.48 注：* 表中只给出一回线路的导线表面电场，第二回线路的导线表面电场与第一回相同。

图4为5种特高压输电线路相导线离地22m时地面上方1m处的工频电场分布。为清晰起见，按照图4的电场分布，表4又给出了每种特高压输电线路线下最大工频电场值以及场强高于4kV/m和2kV/m的范围。

由图4和表4可见，如采用前苏联的相导线布置（水平排列）方式，线下工频电场最大，高电场的范围最宽。需要指出的是，该线路的两边相和中相分别采用了悬垂和V型绝缘子串；如三相同时采用V型绝缘子串，相间距离还可以减小，从而可减小相导线对地高度和高电场范围。此外，单回路相导线正三角布置时的电场分布与双回路逆相序布置时大致相似，最大电场值和高电场范围都较水平排列明显减小。如采用紧凑型特高压输电线路，与相导线水平排列方式相比，最大场强值可减小23%~18%，电场大于4kV/m和2kV/m的范围可分别减少69%~66%和51%~48%；与相导线正三角排列方式相比，最大场强值可减小11%~5%，电场大于4kV/m和2kV/m的范围可分别减少55%~50%和31%~27%。

图5为5种特高压输电线路线下离地1m处的工频磁场分布，表5列出了这几种输电线下的最大磁场和磁场大于4µT和2µT的范围。由图5和表5可见，前苏联的水平排列特高压输电线路线下工频磁场最大，高磁场的范围最宽，其次是正三角排列和同杆双回输电线路。特高压输电线路如采用紧凑型，在输送相同电流的条件下，线下的最大磁场仅为水平排列的41.4%，是正三角排列的52.6%；

1—相导线水平排列；2—相导线三角排列；3—同塔双回路；

4—紧凑型（10）；5—紧凑型（12）

图5 5种特高压输电线路线下离地1m处的工频磁场分布Fig. 5 The distribution of power frequency magnetic field under conductive line and above ground 1m for five kind of ultra-high voltage transmission lines

表5 5种特高压输电线路线下离地1m处的

最大磁场和高磁场范围

Tab. 5 The maximum magnetic field and the range of high magnetic field under conductive line and above ground 1m for five kind of ultra-high voltage transmission lines

相导线布置方式水平排列三角排列双回路

紧凑型

(10)

紧凑型

(12)

最大磁场/µT 34.45 27.10 26.63 14.26 14.26 高于4µT的范围/m 186 122 130 82 82 高于2µT的范围/m 262 178 174 130 130 磁场高于4µT和2µT的范围仅为水平排列的44%和49.2%，是正三角排列的67%和73%。

表6列出了满足跨农田场强限值10kV/m要求时5种特高压输电线路相导线所需的最小对地距离和相应的最大电场强度。由表6可见，如按10kV/m 的限值来确定不同类型特高压输电线路相导线对地的距离，单回路相导线正三角布置、同塔双回以及两种紧凑型线路与相导线水平布置的线路相比，相导线对地距离可减小2~3m。

表6满足跨农田工频电场10kV/m限值要求时

不同相导线布置方式所需的最小对地距离

Tab. 6 The minimum distance to ground for different configuration style of conductive lines when the threshold value 10kV/m of power frequency electric field is satisfied 相导线布置方式水平排列三角排列双回路

紧凑型

(10)

紧凑型

(12) 最小对地距离/m 22 20 20 19 20

最大电场/（kV/m）9.56 9.68 9.94 9.43 9.25

5 结论

（1）解决超高压和特高压输电线路线下及其周围工频电磁环境问题，各国采取的措施和办法差别很大，美国采取征购线路走廊和走廊内及走廊边缘工频电场的办法，前苏联则在线下一定范围内人员进入线路走廊，日本采取的是大幅抬高相导线对地距离的办法。

（2）交流特高压输电线路线下工频电场（磁场）的最大值和高电场（磁场）的范围，相导线水平布置时最大，正三角布置和同塔双回逆相序排列时次之，相导线倒三角布置紧凑型线路的最小。

（3）我国的1000kV特高压输电线路如采用倒三角布置方式的紧凑型线路，既能有效地提高线路自然功率和大幅减小走廊宽度，还能显著地改善线下工频电磁环境。在对地距离相同的条件下，线下高于4kV/m和2kV/m场强的宽度仅为相导线水平布置线路的1/3和1/2，最大电场也有较显著降低，输送相同电流时线下最大工频磁场仅为相导线水平布置线路的42%；与相导线正三角布置相比，最大电场（磁场）以及高电场（磁场）的范围都有明显减小。

（4）对于相导线水平布置、正三角布置和同塔双回路常规特高压线路，相导线取8；对于相导线倒三角布置的紧凑型特高压线路，相导线取10。这四种特高压线路的导线表面最大场强比已有的500kV线路中采用4×LGJ-300线路时的低，比采用4×LGJ-400导线时的高。

第29卷第8期电网技术7

（5）在决定我国1000kV输电线路的相导线布置方式时，在确保安全供电的前题下，应将节省线路走廊、改善线路电磁环境和提高线路输送功率放在重要位置，同时考虑由此引发的技术难点的解决可能性和把握性，还应顾及节省线路造价等方面。

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收稿日期：2005-04-06。

作者简介：

邵方殷（1932-），男，教授级高级工程师，从事高电压技术和电力系统电磁环境方面的科研工作。

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5.可用动词的情况尽量避免用动词的名词形式；

6.注意冠词用法，不要误用，滥用或随便省略冠词。

7.避免使用长串形容词或名词来修饰名词，可以将这些词分成几个前置短语，用连字符连接名词组作为单位形容词。

8.尽量用主动语态代替被动语态；9.尽量用简短、词义清楚并为人熟知的词；

10.慎用行话和俗语；

11.语言要简练，但不得使用电报型语言;

12.文词要纯朴无华, 不多姿多态的文学性描述手法；

13.组织好句子，使动词尽量靠近主语；

14.删繁从简；

15.文摘中涉及其他人的工作或研究成果时，尽量列出他们

的名字及文献出处；

16.文摘词语拼写英美拼法均可，但须保持一致。

17.文摘中不能出现“图×”、“方程×”和“参考文献×”等句子。

文摘中的特殊字符

特殊字符主要指各种数学符号、上下脚标及希腊字母，它们无法直接输入计算机，因此都需转成键盘上有的字母和符号。Ei对此有专门规定。希望在文摘中尽量少用特殊字符及由特殊字符组成的数学表达式。因为它们的输入极为麻烦，而且极易出错，影响文摘本身的准确性和可读性，应尽量不用，改用文字表达或文字叙述. 更复杂的表达式几乎难以输入, 应设法取消。

缩写字及首字母缩写词

对那些已经为大众所熟悉的缩写词，如radar、laser、CAD等，可以直接使用。对于那些仅为同行所熟悉的缩略语，应在题目、文摘或键词中至少出现一次全称。

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